集成运放差分放大

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】
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
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
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
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 。
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
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
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
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
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
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
+ +
-
+-
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
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
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
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：两端输入信号之平均值
vI c
vI 1
vI 2 2
5.01V 4.99V 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
RC//RL
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
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 )
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。
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
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
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
ຫໍສະໝຸດ BaiduRc // RL )
2rbe
iB1 iB2
2、差模输入电阻 Rid
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 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。
1.6.3 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：
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
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)
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
(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)
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-
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。