模拟电路第6-3

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1、第六章 模拟集成单元电路,集成运放基本组成集成运放的内部组成框图如图所示，它主要由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成的。,输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。 电路形式：采用具有恒流的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。,. 集成运放基本组成,中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路，Au高达几千倍以上。,集成运放基本组成,输出级：与负载相接。要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。

2、电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构成。,集成运放基本组成,偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流。电路形式：各种恒流源组成。,集成运放基本组成,1、基本镜像恒流源（又称电流镜）,6.1. 模拟IC中的恒流源（IC中作偏置电路）(重点）,由上式可以看出，当VCC、R确 定值时，IREF 就确定了，因此IC1也 随之而定（与RL无关）。 电路如同一面镜子， IREF 在“镜子” 里所成的“像”为IC1，故称为“镜像恒流源”。 这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。

3、,1,2. 改进的镜像电流源,提高电流源的精度，可以采用图6.7所示的改进的镜像电流源电路。,图6.7 .改进的镜像电流源,图6.7中,晶体管,镜像电流源的两个晶体管基极从参考电流,的引入是为了减小基本,中分得的电流。,的电流比,的电流要小很多，,因此它的,比,要小很多。,1）电路结构,(6.10),又,假设,处于放大区,所以式(6.10)可表示为,(6.11),因此,(6.12),而参考电流为,(6.13),式中,式（6.12）与式(6.9)对比发现，改进的镜像电流源的的精度比 基本镜像电流源的精度高。,2）电流的计算,补充. 比例恒流源（重点）如果要求电流源输出电流与参 考电流保持一定的比

4、例关系，则可 采用比例式恒流源电路，它可由三 极管或场效应管组成。三极管比例式电流源电路如图所示，在基本电流镜的两发射极接入Re1与Re0 。,（记忆，乘积相等）可见，只要改变Re0与Re1比例，就可得到与IREF不同比例的IC1，这也是得名”比例恒流源电路”的原因。比例式恒流源电路也可用场效应管来组成，其电路结构稍有不同。,补充. 比例恒流源（重点）,6.3 差动放大器,6.3.1 BJT差动放大器的组成原理,6.3.2 BJT差动放大器的直流分析,6.3.3 BJT差动放大器的交流小信号分析,6.3.4 带负载时的BJT差动放大器,6.3.5 电路不对称的BJT差动放大器,输入级：是提高运

5、算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。 电路形式：采用具有恒流的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。,集成运放基本组成,6.3 差动放大器（重点）差动放大的指导思想：是利用参数匹配的两个三极管组成对管对称形式的电路结构，进行补偿，达到减少零点漂移的目的。,+vCC,零点漂移,1 直接耦合放大器的特点,1、什么是零点漂移 在直流放大电路中，我们把输入信号为零时，输出电压偏离其初始值的现象称为零点漂移。,（1）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端漂移现象越严重。 （2）第一级的零漂影响最大。,有时会将信号淹没,直接耦合

6、放大器的特点,3、产生零漂的原因 （1） 温度的变化最主要。 （2） 电流电压的波动。 （3） 电路元件参数的变化。,5. 减小零漂的措施,4. 零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。,1.引入直流负反馈稳定工作点,2.利用热敏元件补偿,3.组成差分放大器,6.3 差动放大器（重点）,+vCC,主要特点：,a. 两个输入端,两个输出端;,b. 元件参数对称;,能有效地克服零点漂移?,特点：抑制温漂 原理如下:,vo= vC1

7、- vC2 = 0,vo= (vC1 + vC1 ) - (vC2 + vC2 ) = 0,当vi1 = vi2 = 0 时，,当温度变化时：,对称性,vC1 = vC2, vC1 = vC2,6.3 差动放大器（重点）,6.3.1 BJT差动放大器的组成原理,放大器、输入信号、输出信号之间的关系,定义：单端信号参考节点为地的电压信号；单端输入电压信号参考节点为地的输入电压信号；单端输出电压信号参考节点为地的输出电压信号。即放大器是单端输入、单端输出放大器。,vi1,+VCC,RC,T1,RB,RC,T2,RB,vi2,RE,VEE,vo,1/2vid,vic,vic,1.基本差动放大器输入信

8、号分解模型,6.3. 差动放大电路的特点和性能指标,-1/2vid,T1、T2完全对称，常称“对管”（理想化）,2.差模信号与共模信号,任模信号：,共模信号：,1) 共模信号-大小和极性都相同的输入信号; common mode,3)任模信号-既非共模,也非差模; 但任模信号可分解为共模信号和差模信号的叠加.,2)差模信号-大小相同但极性相同反的输入信号; differential mode,任模信号：,差模信号：,一般定义：对于任意输入的信号: vs1 , vs2 ，都可分解成差模分量和共模分量的组合形式。,注意：vs1 =vic + vid/2 ； vs2 =vic vid/2,例: vs

9、1 = 20 mV , vs2 = 10 mV,则：vid = 10mV , vic = 15mV,差模分量:,共模分量:,vid = vs1 vs2,vic = (vs1 + vs2 ) /2,3.差放的主要性能指标,差模信号：,差模输出电压 ：当输入vid时的输出电压;,差模电压增益:,差模输入电阻：,差模输出电阻：,3.差放的主要性能指标,共模电压增益:,共模信号：,共模输出电压 ：当输入vic时的输出电压;,共模输入电阻：,共模输出电阻：,3.差放的主要性能指标,总输出电压(叠加原理):,共模抑制比（越大，物理含义：放大差模信号和抑制共模信号的能力越强） (衡量差放的重要指标),差模电

10、压增益:,共模电压增益:,共模抑制比（Common - Mode Rejection Ratio),对理想的差动放大器：KCMR=一般的差动放大器： KCMR=60dB（左右）差分放大电路能有效地放大差模信号，而对共模信号有很强的抑制能力。这是它的主要优点。差模放大倍数越大，共模放大倍数越小，即对共模信号的抑制能力越强，说明放大器的性能越好。,(2) 若Avd = 50、 Avc = 0.05,求输出电压vo，及KCMR,1.01V,0.99V,解,可将任意输入信号分解为 共模信号和差模信号之和,(1),vi1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V),vi2 = 0.99 = 1.0

11、0 0.01 (V),vid = v i1 v i2 = 1.01 0.99 = 0.02 (V),vic = (vi1+ vi2 ) / 2 = 1 (V),(1) 求差模输入电压vid 、共模输入电压vic,例1,(2) 若Avd = 50、 Avc = 0.05,求输出电压vo，及KCMR,1.01V,0.99V,解,vid = v i1 v i2 = 1.01 0.99 = 0.02 (V),vic = (vi1+ vi2 ) / 2 = 1 (V),(2),vod = Avdvid,= 500.02,= 1 (V),voc = Avcvic,= 0.051,= 0.05 (V),vo

12、 =vod+voc= Avdvid + Avcvic,= 1.05 (V),= 60 (dB),(1) 求差模输入电压vid 、共模输入电压vic,例1,(dB),1.结构,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,6.3.3 差放的分析方法和工作特点,特点：对称形式的电路结构,采用正负双电源供电。,2. 差放半电路分析法 (单边等效电路法),因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。,3. 分析步骤 1)静态(直流)分析; 2)动态(交流)分析;,差模分析,画半电路差模交流通路 计算Avd、Rid、Rod,共模分

13、析,画半电路共模交流通路 计算Avc、KCMR、Ric,根据需要计算输出电压,双端输出： 计算vo,单端输出： 计算vo1 、 vo2,Q点的计算,1. 静态分析,Q点：ICIE (重点)IB=IC/vCE=VCC-IC (RC+2RE)-VEE,VEE-VBE=IE(WP/2+2RE)+IBRB=IE(WP/2+2RE)+,得：,差放半电路分析法（重点）,差放半电路分析法（重点）,2. 动态分析 (关键在中间元件Ree, RL的分析),（1）对差模信号的放大作用分析,vid1= -vid2= 1/2vid,即相当于输入一对差模信号,ie1,ie2,ib1= -ib2 ie1= -ie2 vc

14、1= -vc2,流过Ree上的总电流：,ie=ie1+ie2= 0,Ree上交流压降为0。,因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。,(重点), 差分电路的分析,（1）对差模信号的放大作用分析,因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。,Ree上交流压降为0.,由vc1= -vc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位， 即每管对地的 负载电阻为:RL/2. (重点), 差分电路的分析,（1）对差模信号的放大作用分析,因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。,Ree上交流压降为0.,由vc1= -vc2可知RL两

15、端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位， 即每管对地的 负载电阻为:RL/2. (重点) 差模交流通路 如图:,RL=Rc/(RL/2),差模信号 交流通路,T1单边交流等效电路,差模性能分析,REE对差模视为短路。,RL中点视为交流地电位， 即每管负载为RL / 2 。,直流电源短路接地。,1）半电路差模交流通路,注意：关键在于对公共器件的处理。,2）差模性能指标分析,差模输入电阻=2Rid1=2rbe或2(rbe+Rb),差模输出电阻,差模电压增益,注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。,或rbe+Rb, 差分电路的分析,2. 动态分析,工作原理,（2）对共模信号的抑制作用分析,ie1,ie2,输入信号为: vic1=vic2=vic,ic1=ic2 ie1=ie2,流过Ree上的电流：,ie=ie1+ie2=2 ie1,Ree上的电压：,vRee=ie12Ree,画半电路交流通路时， 单管射极电阻应为2Ree。 (重点),共模性能分析,每管发射极接2Ree。,RL对共模视为开路。,直流电源短路接地。,1）半电路共模交流通路,因为流过RL的共模电流ioc为0。,（2）对共模信号的抑制作用分析,T1单边交流等效电路,共模性能分析,2）共模性能指标分析,共模输入电阻,共模输出电阻,共模电压增益,无意义?,因为流过RL的共模电流ioc为0。,