第12章-6差分放大电路

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1、第12章 放大电路的建模与分析2,1. 集成运放概述,2. 集成运放中的电流源,3. 差分放大电路分析,4. 集成运放电路形式,5. 集成运放的主要性能指标,12.6-1 集成运放概述,集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。它用在模拟信号的运算、放大、检测、变换、处理、信号产生等等。 集成运算放大器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。,uA741通用高增益运算通用放大器,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,运放输入级：差分放大（差动放大器）电路 该级要求有低温漂，高共模抑制比 和高输入电阻特性。 中间放大级：通常采用CE(

2、CS)放大电路 运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压增益。 输出级采用互补对称式射极跟随器结构 输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求具有低输出电阻。,二、集成运放的主要特点,1高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合线性放大器; 2采用微电流源作为偏置电路以降低功耗，放大电路负载采用有源负载以提高电压增益。 3在理想条件下，集成运算放大器可以看成一个电压控制电压源（一般工程分析）。,（a）理想运放 （b）实际运放,反相输入: 输出信号与该端输入信号反相位； 同相输入: 输出信号与该端输入信号同相位；,三、集成运放的电路符号,在低频小

3、信号的条件下,运算放大器可用下面电路等效,低频小信号模型,12.6-2 集成运放中的电流源,一、基本镜像电流源,T1、T2两管的参数和特性完全一致，电流放大倍数均为。 电阻RREF用来确定参考电流的IREF大小,T1管工作在临界饱和状态。而T2管工作在放大状态。 ILIC2IC1IREF -2IBIREF。 输出电流IL与负载RL无关，与IREF存在近似的“镜像”关系，电路称为镜像电流源（恒流源电路）。,当三极管的50时，基本镜像电流源输出电流IL与参考电流IREF的误差5%。,电流IL与参考电流IREF的关系计算,当50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于0.1%,二、跟随型镜像

4、电流源电路,减少输出电流IL与参考电流IREF的相对误差,镜像电流源用作负载（电阻）,三、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。,差分放大器为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出。是集成运算放大器十分重要的一级。,12.6-3 差分（动）放大电路,一、 差分放大电路的基本形式和工作原理,电路由二个参数和特性完全对称的晶体三极管组成，电路的其它元件也对称。T1、T2都是共射放大器，发射极连接在一起后经电阻接到负电源。电路由二组对称电源供电。,1. 差分放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号。 单端输入仅从一个输入端对地加信号。

5、,2. 差分放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,几个基本概念,3.差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,共模抑制比,1. 克服零点漂移； 2. 零输入零输出； 3. 抑制共模信号； 4. 放大差模信号。,差分放大器特点：,1、直流分析,输入信号为零，二个基极接地。因电路参数是对称的，所以：,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，使VOQ0，从而有效地抑制了温漂和零点漂移。,（1）对差模信号的放大能力,端和端的信号为大小相等，而极性相反。,差模信号分别加在端和端的方式称双端输入方式。,2、动态

6、分析,单端差模信号：,共模信号：,差模信号时的交流通路,差模信号时的交流通路,差模信号低频小信号等效电路与放大系数计算,低频小信号等效电路,放大系数 （双端输入双端输出方式）,（2）对共模信号的放大能力,共模信号放大系数计算,共模信号,放大系数：,Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力， Avc越小，则抑制温漂能力越强。,共模抑制比KCMR,差分放大电路的动态参数： 差分放大系数：Ad 输入电阻：Ri 输出电阻： Ro 共模放大系数 ：Ac 共模抑制比：KCMR,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输

7、入单端输出。,1. 双端输入双端输出：,差模放大系数：,差模输入电阻：,差模输出电阻：,共模放大系数 ：,2. 双端输入单端输出：差模信号作用下的分析,2. 双端输入单端输出：共模信号作用下的分析,有共模信号输出！,3.单端输入双端输出,单端输入时的电压放大倍数与差模输入（双端输入）时的电压放大倍数近似相同。,4. 单端输入单端输出,为提高共模抑制比，增大,引入恒流源概念！,实际电流源偏置电路,【例1】,已知某差分放大电路的两个输入端端和端分别加入vI1=5.01V、vI2=4.99V，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vO？,差分放大器的输

8、出电压有：,【例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。,注意：电阻 串入射极回路， 放大倍数计算相当于有 电阻 的共射放大电路。,【例3】 电路如图所示，已知=80，rbb=100，Rw在中间位置，RL=50k, 求：,4.若vI1=16mV，vI2=10mV，求vO1。,双入单出,解：,(1)静态分析：,(2) 求Avd、Ri和Ro；,双入单出,双入单出,(3) 求共模抑制比KCMR；,双入单出,(4),若vI1=16mV，vI2=10mV，则,（1）T1、T2差分放大电路，T3为CC放大电路，T4电流源。,【

9、例4】在图示电路中，三极管的 均为50，VBE=0.7 V, rbe=2 k 。 （1）分析电路中各三极管电路的作用和功能。 （2）当VI=0时，输出静态电压VO=0，求出IC1、IB3和Rc的值。 （3）求差模增益、和的表达式。 （4）求差模输入电阻Ri的表达式。,通用型集成运放的具体电路多种多样，但其输入级电路的组成原理基本相似，均以差分放大电路为基础，通常采用双端输入、单端输出方式，并由电流源提供偏置电流及作为有源负载，从而可以达到有效地抑制共模信号、放大差模信号的目的。,12.6-4 集成运放输入级、中间级、输出级电路形式,1. 输入级,1）. 场效应管差分放大电路,FET差分放大电路

10、差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流的不对称性。,Ro=2Rd,2）、FETBJT混合型差分放大电路,运放中间级是运放电压增益的主要承担者主要任务是提高电压增益，所以，常用共射或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：,Rc代之以恒流源； 采用纵向三极管或达林顿复合管，提高； 增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换。,2、集成运放中间级的电路形式,恒流源+射极跟随器,T1、R1构成恒流源电路，其内阻为 而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3加了点负反馈以提高电路的工作稳定性。,集成运放中间级的电路形式介绍,恒流源+复合管,集成运放中间级的电路形式介绍,CE电

11、路,3、运放输出级互补对称输出电路,集成运放的输出要求 输出电阻小， 最大不失真输出电压尽可能大， 输出级的输入电阻又必须大，,在输入正弦信号时：,当输入信号正半周(vi0)时，T管导通，T管截止，流过负载电阻RL的电流路经为：,VCCT1RL地,当输入信号负半周(vi0)时，T1管截止，T2管导通，电流路经将为 地RLT2-VCC,在一个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号周期。,2）互补对称放大电路的最大输出电压,由于互补对称电路在一周内二只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管的工作时的负载线如图。,最大输出电压为VCCVCES

12、。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。,输入电阻较高,3）乙类放大电路的交越失真问题,在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。,甲类电路,3甲乙类互补对称输出电路,静态T1、T2处于微导通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1vb2vi。,利用二极管提供静态偏置，使输入信为零时，两只管子不完全截止。,甲乙类电路：,利用恒压电路提供静态偏置,选择合适的R1、R2阻值，使VCE3 1.4V。,乙类功率放大器：导通角为=，或静态时管子截止；,甲类功率放大器：导通角,甲乙类功率放大器：导通角介于和2之间，静态时，晶体管

13、微弱导电；,功率放大器分类：,为=2，晶体管在整个周期内都导电，静态时，晶体管也完全导电；,一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数,集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小。,*2.3.5 集成运放的主要性能指标,（1）开环差模电压放大倍数Aod,如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid 可达104M以上。,Aod一般为104106(即80120dB)。 在手册中Aod常以V/mV作单位， 如100V/mV即为105。,（2）差模输入电阻Rid,（3）输出电阻Ro,集成运放的R。通常为100至1k之间。,二、集成运放的失调参数,集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VO

14、O。,（1）输入失调电压VIO,为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。,（2）输入失调电压漂移dVIO/dT,输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。,（3）输入失调电流 IIO,反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。,（4）输入失调电流温漂dIIO/dT,反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。,三、集成运放的共模参数,（1）共模抑制比KCMR,集成运放的共模抑制比一般在60dB以上，性能较好的运放在100dB以上。,（2）最大共模输入电压 VIcmax,当共模输入电压超出VIcmax时，将影响运放电路中相关晶体管的工作状态。运

15、放失去正常的差模放大能力。,（3）共模输入电阻Ric,四、集成运放的时域和频域参数,（1）-3dB带宽 f H,BWf Hf Lf H,通用型运放的带宽fH仅为几赫兹至几十赫兹。,（2）单位增益带宽 f c,指运放差模开环电压增益Aod下降至0dB 时的频率。,五.集成运放应用时应考虑的几个问题,运放类型：, 通用型：其性能指标适合于一般性使用，产品量大面广。 低功耗型：静态功耗在1mw左右，可用于便携设备。 高精度型：失调电压温漂在1V以下。 高速型：转换速率在10V/s左右。 高阻型：输入电阻在1012左右。, 跨导型：输入量为电压，输出为电流。 差动电流型：输入为差分电流，输出为电压。 其它：如程控型、电压跟随型等。, 宽带型：单位增益带宽在10MHz左右。 高压型：允许供电电压在30V以上。 功率型：允许的供电电压较高可输出电流较大。,选择集成运放时注意的问题：,不要盲目追求指标先进。,应尽量选择通用型运放,应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施,要注意单元之间的输出电平配合问题,要注意性能指标的测量条件,在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大,综合举例：F007通用型集成运放（定性分析）,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个