集成运放差分放大

(a)两输入端同时对地输入
信号—双端（边）输入
(b)一端接地，另一端输入
信号—单端（边）输入
两种输出方式：
(c) 输出信号取自两个集电极 —双端输出
(d)输出信号取自一个集电极
对地信号—单端（边）输出
输入、输出方式
双入/双出 单入/双出
双入/单出 单入/单出
工作原理： 1.静态分析(直流分析)
多路电流源电路
当 参 考 电 流 IREF 确 定后，在各支路串 入不同的射极电阻， 可得到不同的输出 电流。
I C1
IC2
IC3
VBE IE Re VBE1 I R E1 e1 VBE2 I E2Re2 VBE3 I E3Re3 I E Re I E1Re1 I E 2 Re2 I E3 Re3 I REF Re I C1Re1 I C 2 Re2 I C3 Re3
共模电压增益
iB1 iB2
vI1 vI 2 vIc
双端输出
Avc
voc vIc
voc1 voc2 vIc
iB1 RC (iB2 RC ) 0
vIc
单端输出
Avc1
voc1 vIc
iB1 RC iB1 rbe (1 )iB1 2Re
Avc1
rbe
Rc (1
)2Re
Avc 2
Avd 2
vod 2 vId
Rc
2rbe
C1 ++
-
-
+ C2
如果双端输出和单端输出分别接负载电
阻RL时，电压增益表达式：
B1
C1
+
+
-
B2
Avd
(Rc
//
RL 2
)
rbe
+
-
C2
双端输出
单端输出（接负载电阻RL）
Avd 1
(Rc // RL )
2rbe
iB1 iB2
2、差模输入电阻 Rid
RW/2
RW/2
iB1 iB2 iE1 iE2
交流接地
(2) 求Avd、Rid和Rod；
Avd
vO vId
(Rc // RL )
2rbe
(1
)
Rw 2
50 (15//10)
22.67 51 0.05
28.7
Rid
vId iId
2rbe
(1
)
Rw 2
22.67 51 0.05 10.44k
加入图示的信号电压，其电路 的差模电压增益Avd＝-80，共 模电压增益为Avc＝-0.01，试 求ΔvO＝？
解：电路的差模信号为：两端输入信号之差
vI d vI 1 vI 2 5.01V 4.99V 0.02V
电路的共模信号为：两端输入信号平均值
vI c
vI 1
vI 2 2
5.01V 4.99V 2
voc 2 v Ic
rbe
Rc (1 )2Re
说明：
差分放大电路的两个输出端上的共模输出电压 大小相等并且极性也相同；双端输出时，共模 输出电压为零。
对T1和T2管影响相同的外界干扰信号,如电 源电压波动,环境温度变化等都可以认为是共 模信号。
Avc反映差分放大电路抑制共模干扰信号和温 漂的能力，Avc 越小，则抑制温漂能力越强。
vId 2
vIc
vI1 vI 2 vI1 vI 2
2端对地仍是 vI 2
vI 2
2 vId
2
vIc
2
vI1 vI 2 vI1 vI 2
2
2
vId 称差模信号
两个大小相等，而 极性相反的信号
差模 信号
vIc 称共模信号
两个大小相等，而 极性相同的信号
差分放大器的总输出应该 是差模输出分量和共模输 出分量之和 。
反相输 入端
输入信号与输出信号相位反相
同相输 入端
输入信号与输出信号相位同相
集成运放的等效电路模型 在低频小信号，工作在线性区的条件下
低频小信号电路模型
在理想条 件下有：
Rid→∞ Ro→0 Aod→∞
1.6.2 集成运放中的恒流偏置电路 —提供静态工作点
镜像电流源
基本镜像电流源电路
T1和T2参数和特性完全相同， T1管的VCE=VBE=0.7V，工作在
中间级采用CE(CS)电路 输出级采用互补对称式射 极跟随器结构
低温漂，高共模抑制 比和高输入电阻
高电压增益
低输出电阻，较强 带负载能力
二、集成运放的主要特点
结构：
• 同一硅片 元件参数具有良好的 采用结构对称 相同工艺 一致性和同向偏差 为特征的电路
• 芯片面积小 功耗很低
工作电流极小 (如几 ~几十微安)
+ +
-
+-
Rid
vId iId
2rbe
3、差模输出电阻 Rod
Rod 2Rc 双端输出 Rod Rc 单端输出
二. 共模工作状态分析 差分放大器只存在共模输入信号：
共模交流通路
注意：在共模信号作用下
vE1 vE2 2iE Re iE (2Re )
两倍
iB1 iB2 iE1 iE2
2 (2 81 0.05) 12.1k
Ro 2Rc 10k
iB1 RC1
+
iC1 c1
vId 2-
rbe
iB1
e
【例2.3.3】
电路如图所示，已知 β=50 ， rbb′=300Ω， Rw 在 中 间位置，求:
(1) ICQ； (2) Avd、Rid和Rod； (3) KCMR； (4)若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，求 ΔvO1。
采用微电流源 作为偏置及集 电极电阻采用 有源负载
• 无法制造大容量电容 采用直接耦合方式
主要特点：
性能：
1﹒具有“二高一低”特性。即高电压 增益、高输入电阻、低输出电阻的多 级直接耦合放大器。
2﹒在理想条件下，集成运算放大器可以 等效成一个电压控制电压源（VCVS）。
集成运放的电路符号
国标符号 简化符号 习惯符号
临界饱和状态。
RREF确定参考电流 IREF
VCC VBE RREF
IL IC1 IREF
使IL 和IC1≈IREF呈镜像关系 —晶体管T1、T2组成镜像电流源
推导：
RREF中的参考电流为
I REF
VCC VBE RREF
I B1 I B2
当 2
I C1
2IB
I C1
2
I C1
差模交流通路：只考虑差模输入电压，即差分放
大电路的输入端加上两个幅度相同而极性相反的 信号。
Avd大
共模交流通路：只考虑共模输入电压，即差分放 大电路的输入端加上两个幅度相同且极性也相同 的信号。
Avc小
差分放大电路具有对差模信号进行放大、对共模信号进行 抑制的能力。
【例2.3.1】
差分放大电路①端和②端分别
差分放大电路如图所
示 ， 已 知 =80 ，
rbe=2k。求该电路的 差模电压放大倍数Avd、 差 模 输 入 电 阻 Ri 和 输 出电阻Ro 。 解：先画出差模交流通路：
双端输入双端输出
Avd
vOd vId
Rc
rbe (1 )Re
80 5 66.1 2 81 0.05
Rid 2 rbe (1 )Re
iB1 RC1
+
iC1 c1
vId 2-
rbe
iB1
e
为0
差模交流通路
注意：在差模信号作用下，e点交流接地
iB1 iB2 iE1 iE2
ve (iE1 iE2 ) Re 0
发射极在差模交流通路中交流接地。
C1 C2
B1
B2
iB1 iB2
B1
B1 iB1 RC cC1 1 Cc22
+
vId 2-
解：(1)求ICQ；
VEE
VBE
IE
Rw 2
2I E Re
ICQ
I EQ
VEE RW 2
0.7 2Re
11.3 0.56 mA 0.05 20
rbe
rbb'
(1 ) VT
I EQ
300 51 26 2.67k 0.56
(2) 求Avd、Rid和Rod；
RC//RL
交流接地
大Re电阻才能减小共 模增益，从而增大共
Avd1
vod1 vId
Rc
2rbe
模抑制比。
KCMR
Avd1 Avc1
rbe 2(1 )Re
2rbe
Re 越大KCMR越大,实用电路常用恒流源代替 Re 因此，差分放大器通常采用电流源供电，
既提供静态工作电流,又提供射极大电阻。
电流源 电路
电流源供电差分电路
vI1 和vI2都为零，即输入端接地
VBE (I E1 I E2 )Re VEE
I E1
IE2
1 2
I Re
0.7 VEE 2Re
IC1 IC2 I E1 I E2
I Re
Vo1 VCC IC1RC Vo2 VCC IC 2RC
Vo Vo1 Vo2 0
如果双端输出时，输出为零
RC//RL
三、共模抑制比KCMR 定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数
之比的绝对值。
KCMR
|
Avd Avc
|
常用分贝表示：
KCMR
20 lg |
Avd Avc
| (dB)
理想的差分放大电路双端输出时，因共模
电压增益为零，所以： KCMR→∞
单端输出时，只有增
Avc1
voc1 vIc
rbe
Rc (1 )2Re
5.0V
vO Avd vId Avc vIc
800.02V (0.01)5.0V 1.65V
二、BJT差分放大电路动态指标的计算
差模电压放大倍数Avd 差模输入电阻 Rid 差模输出电阻 Rod 共模电压放大倍数Avc 共模抑制比KCMR
一. 差模工作状态分析
差分放大器只存在差模输入信号时的交流通路
IC1 2 IREF
IL
IC1
I REF
VCC VBE RREF
IC1 IC2 IL
( 50时,误差<5%)
该电路具有一定的温度补偿作用：
T IL IL
IC1 RREF压降增加
VB
IB
改进型电流源电路 跟随型镜像电流源电路
电路由三只晶体管组成，要
求T1、T2、T3晶体管参数相 同，特性也相同。
1.6.1 集成运算放大器概述 集成运算放大器是非常重要的一种集成电路，它 的应用十分广泛。主要应用在模拟信号的运算、放 大、信号产生、变换及检测等电路中，是通过半导 体集成工艺制成的一种高增益、直接耦合式多级放 大器。 一、集成运放的典型结构
运放的典型电路通常 有三级放大电路组成
各部分作用：
输入级采用差分放大电路
在负载电阻RL 上将流过恒定
的电流 IL
I
REF
VCC 2VBE RREF
参考电阻RREF决定参考电流IREF，晶体管T1、
T2组成镜像电流源结构，T３管为减小IL电流与参
考电流的误差而设置，射极电阻Re3为提高T1、T2
管集电极电流镜像精度，约为几十千欧。
推 导：
电路中：令 相同
IL
(1 ) 2 (1 )
等效电路
电流源 电路
Rb
Re3
VB
Rb2 Rb1 Rb2
VEE
Rb Rb1 // Rb2
IB3
Rb
VB 0.7
(1 3)Re3
IO3 IC3 IE3 (1 3 ) IB3
电流源 电路
Rb Re3
Ib Rb
Ib
rbe
Re3
若考虑rce ？
当 rce ∞ 时， Ro3 ∞
【例2.3.2】
1.6.3 差分放大电路―运放输入级
一、BJT差分放大器的结构和工作原理
电路结构特点：
1、特性和参数完全对称的 T1和T2管发射极连在一起后， 通过电阻接负电源； 2、两个基极分别加入两个 输入信号； 3、集电极通过RC电阻接另 一正电源； 4、输出从两个集电极之间 引出。
从结构可以看出，该电 路的输入有两种方式：
I REF
I REF
VCC 2VBE RREF
I REF
IC1
IB3
IL
IE3
1
2 IL
IL
2IB2
1
IL
1
2
(1 ) ( 1)
IL
当β≥50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小 于0.08%
温度补偿作用：
实际电路中，接入电阻Re3，其作用： 增大T3管工作电流，从而提高T3管的β。 因为：Ie3 I B1 I B2 I Re3
共模 信号
差模 信号
共模 信号
Avd大
vo vod voc Avc小 Avd vId Avc vIc
差模 差模 增益 输入
共模 共模 增益 输入
梳理： 差分放大电路的一般分析步骤:
实际电路
实际信号 （交流）
直流通路 交流通路 差模信号 共模信号
差模交流通路 共模交流通路
总
直流偏置
量
差模输出量 总交流 共模输出量 输出量
由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时 VC1Q、VC2Q始终相等，VOQ＝0，有效地抑制温漂和零漂。
2.动态分析
当两输入端的信号分别为
vI1
vI 2
则两端信号可以分解为:
vId vI1 vI 2 两信号之差 vId
vIc
vI1
vI 2 2
两信号平均值
1端对地仍是 vI1
v I 1
iC1
rbe
iB1 iB2
e
RC iB2 B2
+
rbe
vId 2
-
B2
C1 ++
-
-
+ C2
B1
C1 C2
B1
B2
B2
1、差模增益电压增益：
iB1 iB2
双端输出
Avd
iB1Rc (iB2Rc ) Rc
iB1rbe iB2rbe
rbe
单端输出
Avd1
vod1 vId
Rc
2rbe
单端输出