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1、1第五章第五章 差分放大器与多级放大器差分放大器与多级放大器概述：概述：本章首先介绍几种常用的电流源电路及其工作原理，然后对差分放大器和多级放大器电路进行重点分析，最后给出了模拟集成电路的读图、主要指标及使用方法。在给出差分放大器电路的组成及其工作原理并对其进行静态分析和动态分析的基础上，推导了电路的差模增益、共模增益、输入电阻、输出电阻以及共模抑制比等技术指标，并指出了差分放大器抑制零点漂移、转移特性等特点；对多级放大器的组成框图、分析方法、级间耦合方式进行介绍，并对多级放大器指标计算进行重点分析；最后通过模拟集成电路读图练习印证和回顾电流源、差分放大器和多级放大器的应用。5.15.1 电流
2、源电流源利用三极管 BJT(或场效应管 FET)及辅助元器件可以构成电流源，电路输出电流稳定，在电子电路中尤其是在集成电路中，常用来为放大电路提供稳定的直流偏置，或作为放大器的有源负载，本节介绍几种常用的电流源。5.1.15.1.1 镜像电流源镜像电流源如图 5-1-1 所示，设 T1、T2 的参数完全相同，1=2 、ICEO1=ICEO2，三极管 T1和 T2基极和发射极分别相连，由于两管具有相同的发射结电压：VBE1=VBE2，所以IB1=IB2、IE1=IE2、IC1=IC2。RF为参考电阻，流过参考电阻 RF的电流为：（5-1-1）1 1112221C REFCBCCIIIIIIIoV
3、CCIREFIC1T2T1IC2图 5-1-1 BJT 构成的镜像电流源RREFRL2IB当三极管的 值较大时，基极电流 IB可以忽略，由于两管 T1、T2的对称性，所以 T2的集电极电流近似等于参考电阻上的电流：（5-1-2）REFBECCREFOCCRVVIIII/1122外接负载电阻 RL时，有恒定的电流 IO=IC2流过，输出电流 IO不随 RL变化而变化，当RREF确定后，IREF就确定了，随之 IC2确定，IC2就像 IREF的镜像，因此得名镜像电流源镜像电流源。例例 5-1-15-1-1 如图 5-1-1 所示的电路中，=100，管子完全对称，VCC=5V，如要求IO=1mA，
4、（1）试比较参考电流 IREF与输出电流 IO；（2）确定电阻 RREF的大小。解：（1）mAmAIIIIIIIOCC CBcREF02. 110021121212211 11 IREF与 IO仅差 0.02mA，近似相等。（2）由：得：REFBECCREFRVVI/1421602. 17 . 051 mAVV IVVRREFBECC REF上图电路是在三极管 值足够大，ICIB的情况下得到的结果，输出电流 IO近似等于参考电阻的电流 IREF，考虑到两个管子基极电流 2IB对参考电流 IREF的分流作用，为减小分流的影响，提出改进型镜像电流源电路如图 5-1-2 所示，增加一个三极管 T3，
5、该管子又称为扩流管，流过 T3管的基极电流：B BII2 3流过参考电阻的电流为： （5-1-3）12B REFCIII此时输出电流为： （5-1-4）REFBECCREFOCRVVIII/22与图-所示的镜像电流源相比对称精度大大提高。实际应用中，为避免 T3工作电流太小，引起其 的减小，使 IB3增大，一般在 T3的发射极上接一个电阻 RE，为 T3提供泄放电流 IE3，以提高 T3管实际的放大倍数。 3IoRLREIBRREFT3VCCIREFIC1T2T1IC2图 5.1.2 改进型镜像电流源2IB由 FET 组成的镜像电流源如图 5-1-3 所示，两个 FET 完全相同，即 n、CO
6、X、VGS (th)完全相同，两个管子的源极、栅极分别相连， VGS1 = VGS2 。由于 VD=VG，VS=0，所以 VDSVGS-VGS(th)，N-EMOSFET 工作在饱和区。 考虑场效应管的漏极电流与栅源电压之间的关系，则有：（5-1-5） 2 112thGSGSOXnDVVLWCI所以有：ID1=ID2 RLT2T1ID1ID2IREFRREFVDD图 5-1-3 FET 构成的镜像电流 源又因为 FET 的栅极电流近似为零，所以有：（5-1-6）OREFGSDDDDREFIRVVIII/21调整 RREF的大小，即可改变输出电流的大小。输出电流的大小与负载电阻无关，改变负载电阻
7、的大小，输出电流 IO保持恒定。因 IO=IREF，IO就像 IREF的镜像，所以又称为镜像电流源。5.1.25.1.2 微电流源微电流源4在集成电路中电阻不能做得太大，大电阻精度很难控制，且有些场合需要小电流作为直流偏置，因此需要微电流源的场合很多。与镜像电流源相比，微电流源在 T2管的发射极串接一个电阻 RE，微电流源电路如图 5-1-4 所示。当基准电流 IREF一定时，忽略基极电流IB，由于两个管子的基极相连，则：11BETV V REFCSIII e202BETV V CSIII e求解 BE 之间的电压得： 1ln()REF BET SIVVI0 2ln()BET SIVVI由上二
8、式求得：12 0ln()REF BEBETIVVVI由图 5-1-4 可得： （5-1-7）1220BEBEEEEVVIRI R根据上二式求得： （5-1-8）0 0ln()REF ETII RVI式（5-1-8）表明了基准电流 IREF与输出电流 I0之间的关系。由于一般硅材料三极管发射结导通电压为 VBE=0.7V 左右，两个管子发射结电压之差VBE很小，用不大的 RE就可以获得很小的电流，IREF=（VCC-VBE1）/RREF。当 VCC、RREF选定时，电流 IREF随之确定，VBE1、VBE2 为一定值时，IC2可以确定。当外接负载电阻 RL时，就会有微小的输出电流 IO通过，该电
9、流不随负载 RL而改变，仅与两个管子发射结电压之差VBE 和电阻 RE有关。另外源电压的波动对该微电流源影响较小，同时由于 T1对 T2 的温度补偿作用，温度稳定性也比较好，因此微电流源在集成电路中有广泛应用。IORLVCCIREFIC1T2T1IC2图 5-1-4 微电流源RREFRE由于电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点，在模拟集成电路中广泛用作负载5使用，称为有源负载，如图 5-1-5 所示，T3为放大管，Rb3为 T3提供基极直流偏置，T1、T2组成镜像电流源，作为 T3放大器的有源负载，T3管的集电极电流 IC3=IC2 =IREF电流。T3及外围电路一起管组成共发射极放大器。
10、VCCRb3Re3T3 ViVOT1T2Rref图 5-1-5 电流源做有源负载5.1.35.1.3 比例电流源比例电流源在实际应用中经常需要输出电流 IO与参考电流 IREF成特定比例的比例电流源，可以通过在两个管子的发射极串接不同阻值的电阻得到。比例电流源如图 5-1-6 所示。 IORLR1VCCIREFIC1T2T1IC2图 5-1-6 比例电流源RREFR2（5-1-8）222111RIVRIVEBEEBE由三极管伏安特性公式： (5-1-9) TBE VVESEeII 6得: 2121 21lnlnlnEE T ESE T ESE TBEBEIIVIIVIIVVV将上式代入到公式
11、5-1-8 可得：（5-1-10）21221 12lnEET EEII RV RRII当三极管 值足够大，ICIB的情况下，IE1IC1，IE2IC2，三极管 T2的集电极电流即是电流源的输出电流 IC2=IO。式 5-1-10 可改写如下： （5-1-11）OCT COII RV RRII1221 1ln若比值不是太大，且满足时，公式 5-1-11 可简化为：OC II11 11lnC CT OII RVI?（5-1-12）2121 1RRIRRIIREFCO其中： （5-1-13）11CCBE REF REFVVIRR可见改变两个电阻 R1、R2的比值，就可以得到 IO与 IREF的不同比
12、值关系，但为保证 IO的精度，应控制 IREF 与 IO 的比值大小。例 5-1-2 如图 5-1-7 所示，已知电路中各三极管 、相同，求电流源输出和 BEV1CI与基准电流之间的关系式。2CIRE1IC2IC1T1REVCCIREFICT2 T图 5-1-7 例 5-1-2 题图RREFRE27解： ，B REFCIII当较大时，可得到：REFCII各三极管 、相同，所以有：BEV1122EEREFEEEEEI RIRI RIR因此：， 11 1E CEREF ERIIIR22 2E CEREF ERIIIR输出电流与基准电流成比例关系。5.25.2 差分放大器差分放大器差分放大器具有抑制
13、共模干扰、抑制温度漂移等作用，因其性能优良，在集成电路或分立元件放大电路中有广泛应用，本节介绍差分放大器的结构、原理、主要参数计算以及主要应用。5.2.15.2.1 差分放大器模型差分放大器模型差分放大器对两个输入信号的差模信号有较强放大作用，同时对两个信号的共模信号具有较强的抑制作用。如图 5.2.1 所示为一线性差分放大器，有两个输入端，分别输入信号和；一个输出端，其输出信号由差模输出信号和共模输出信号两部分组成。1 iv2iv差模信号： （5-2-1）21iiidvvv即两个输入信号的之差。共模信号： （5-2-2）2/ )(21iiicvvv即两个输入信号的算术平均值。两个任意输入信号
14、可以用差模信号和共模信号表示如下：（5-2-3） 21id icivvv（5-2-4）22id iicvvv差模电压增益： （5-2-5） idod VDvvA共模电压增益： （5-2-6） oc VC icvAv8差分放大器总的电压输出为： （5-2-7）icVCidVDocodovAvAvvv理想的差分放大器对差模信号放大能力很大，对共模信号的放大倍数为 0（完全抑制） 。所以理想差分放大器的输出 （5-2-8）idVDodovAvvVi2Vi1线性 差分放大器Vo图 5-2-1 差分放大器模型框图例 5-2-1 如图 5-2-1 所示，已知 AVD=100，AVC=0.1，试计算（1）vi1=5mV ，vi2= -5mV；(2) vi1=1005mV ，vi2= 995mV 两种情况下的输出电压 vo 。解：（1）差模输入信号：mVmVmVvvviiid10)5(521共模输入信号：mVmVmVvvviiic0)5(52/ )(21所以输出信号：mVmVvAvAvvvicVCidVDocodo100001 . 010100（2）差模输入信号：mVmVmVvvviiid10)9951005
