模电课件--放大器基础第2部分

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1、差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级，是另一类基本放大器。,4.4 差分放大器,4.4.1 电路结构,由两完全对称的共发电路，经射极电阻REE耦合而成。,采用正负双电源供电：VCC =|VEE|。,具有两种输出方式：双端输出、单端输出。,因电路采用正负双电源供电，则 VBQ1 = VBQ2 0,估算电路Q点,令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。,因此,差模信号和共模信号,4.4.2 电路性能特点,差模信号：指大小相等、极性相反的信号。,表示为 vi1 = -vi2 = vid / 2,差模输入电压 vid = vi1 - vi2,共模信号：指大小相等、极性相

2、同的信号。,表示为 vi1 = vi2 = vic,共模输入电压 vic = (vi1 + vi2 ) / 2,任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模 信号之代数和。,差放半电路分析法,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。,分析步骤：,差模分析,画半电路差模交流通路 计算Avd、Rid、Rod,共模分析,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,差模性能分析,双端输出电路,REE对差模视为短路。,RL中点视为交

3、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,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。,单端输出电路,与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。,不变,减小,减小,共模性能分析,双端输出电路,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,因此REE上的共模电压：2iC REE,因为流过RL的共模电流为0。,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,电路特点,无意义,双端输出电路

4、利用对称性抑制共模信号。,利用对称性抑制共模信号（温漂）原理：,单端输出电路,与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。,不变,单端输出电路特点,单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。,利用REE抑制共模信号原理：,一般射极电阻REE取值较大,结论,无论电路采用何种输出方式，差放都具有 放大差模信号、抑制共模信号的能力。,差放性能指标归纳总结,Rid与电路输入、输出方式无关。,Rod仅与电路输出方式有关。,Avd仅与电路输出方式有关。,Avc仅与电路输出方式有关。,双端输出,单端输出,双端输出,单端输出,双端输出,单端输出,其中,其中,共模抑制比,KCMR是用来衡量差分放大器对共模

5、信号抑制能力的一项重要指标，其值越大越好。,定义,双端输出电路,单端输出电路,双端输出差分放大器,单端输出差分放大器,普通差放存在的问题：,采用恒流源的差分放大器,REE ,KCMR 抑制零点漂移能力,但IEE Q点降低 输出动态范围,其中,很大,双端输出时,单端输出时,任意输入时，输出信号的计算,其中,其中,例：图示电路，已知 =100，vi=20sint(mV)，求vo,解：,（1）分析Q点,（2）分析Avd2 、Avc2,由于,则,（3）计算vo,由于,则,4.4.3 电路两边不对称对性能的影响,实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：,双端输出时的KCMR,理想情况,实际情况,由于,则

6、,因此,由两管参数不对称（如VBE(on)、IS、RC不等）引起失调。,失调及其温漂,输入失调电压VIO,VO0,零输入时,从等效的观点看：,VIO就是使VO=0时，在实际差放输入端所加的补尝电压。,失调电压,VIO产生原因：,两管不等，造成 ICQ1 ICQ2,输入失调电流IIO,从等效的观点看：,IIO就是使ICQ1= ICQ2时，在实际差放输入端所加的补尝电流。,失调电流,IIO产生原因：,若取,失调模型,当RS较大时：,当RS较小时：,失调以IIO为主，为减小VIO ，应选IIO小的差放。,失调以VIO为主，为减小VIO，应选VIO小的差放；,调零电路,调节电位器RW ，改变两端发射极

7、电位或集电极电阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。,VIO和IIO的温漂,若环境温度、电源电压等外界因素变化：,其中温度变化引起的温漂最大。,可以证明：,注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。,MOS差放的失调,因,则,（mV量级）,由两管参数（如W/l、VGS(th) ）及RD不匹配引起失调。,VIO产生原因：,注意： MOS管差放的VIO 三极管差放的VIO,4.4.4 差模传输特性,完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。,双极型差放_差模传输特性,假设电路对称,得,差模传输特性曲线,可以证明：,当| vID | 26mV 时，差放线性工作（单管电路vI 2.6mV）。

8、,| vID | 100mV 后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。,说明：,若在两管发射极上串联电阻RE，则利用RE的负反馈 作用，可扩展线性范围。,RE 线性范围 但 Avd ,最大差模输入电压范围：,最大共模输入电压范围：,受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。,保证T1、T2、T3管工作在放大区，所对应的最大共模输入电压。,要保证T1、T2管放大区工作：,要保证T3管放大区工作：,MOS差放_差模传输特性,假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：,得,可以证明：,当| vID | 2(VGSQ-VGS(th) )时，MOS差放线性工作。,与双极型差放不同：,线性范围与非限幅范

9、围,一般，MOS差放的线性与非限幅范围均比双极型差放大。,4.5 电流源电路及其应用,直流状态工作时，可提供恒定的输出电流IO 。,交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。,电流源电路特点：,对电流源电路要求：,直流状态工作时，要求IO精度高、热稳定性好。,交流状态工作时，要求RO大（理想情况 RO）。,利用iB恒定时，iC接近恒流特性而构成。,电流源电路原理：,4.5.1 镜像电流源电路,假设T1、T2两管严格配对,基本镜像电流源,根据,得知,因此，称iC2是iC1的镜像。,参考电流,由于,因此,（2）,RO= rce2,输出电阻RO,由于T2的电流放大作用，使得镜像电流源中，原

10、来IB0和IB1对IR的分流，变成只有原分流的1/2，使IC1 与IR 可以保持很好的镜像关系。,结构特点,T1管c、b之间插入一射随器T3。,电路优点,减小分流 i ，提高IO作为IR镜像的精度。,减小 影响的镜像电流源,比例式镜像电流源,结构特点,两管射极串接不同阻值的电阻。,电路优点,RO增大，IO恒流特性得到改善。,得,式中,微电流源,根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前述电流源的IO只能做到mA量级。,此式是关于IC1的超越方程，但实际设计时， IC1和IR是已知的，只需求解R和Re1的值。,输出电阻,微电流源,多路电流源,当IR确定后，选择Rei 的数值，就可以获得不同的偏置

11、电流。,MOS镜像电流源,MOS镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻R被有源电阻T3取代。,4.5.3 有源负载差分放大器,T1、T2构成的镜像电流源代替RC4 。,电路组成：,T3、T4构成双端输入单端输出差放。,电路特点：,由镜像电流源知,当差模输入时,则差模输出电流,当共模输入时,则共模输出电流,性能分析：,结论：,该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。,由于,则,差模增益,差模输入电阻,差模输出电阻,4.6 集成运算放大器,集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。,集成运放性能特点,Av很大：（104 107 或 8

12、0 140dB）,Ri 很大：（几k 105 M 或 ）,Ro很小：（几十 ）,静态输入、输出电位均为零。,集成运放电路符号,集成运放电路组成,由于实际电路较复杂 ，因此读图时，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。,（二）、识图步骤：,读图的方法：,读图就是看懂电子电路的原理，弄清它的组成及功能，进而进行必要的定量估算。,由于电子电路是对信号进行处理的电路。因而读图时应以信号流向为主线，以基本单元电路为依据，沿主要通路，将整个电路划分成具有独立功能的若干部分进行分析。,前面我们学习了二极管、三极管、场效应管等器件，以及由它们构成的电压电流放大器、功率放大器、差分放大器等单元电

13、路。今天我们通过对F007电路的了解来复习、巩固、深化所学知识，并把认识从孤立的单元上升到实际电路的目的。,具体步骤如下：,1、了解用途、找出通路：,为有助于弄清电路的工作原理，避免走弯路，读图前，应先了解电路用于何处，起什么作用。在此基础上，找出信号的传输通路，由于信号的流通枢纽是有源器件，因此应以它为中心连线查找。,2、对照单元、化整为零：,通路找出后，电路的主要部分就显露出来了，为此对照所学的基本单元电路，将原理图分成若干个具有单一功能的部分，画出单元框图，并定性分析每个部分的工作原理及功能。,3、统观整体， 估算性能：,沿信号流向，用带箭头的线段把单元框图连接成整体框图，由此可看出各单

14、元怎样配合起来实现电路功能的。最后对各单元电路的性能进行定量的估算。以得到整个电路的性能指标。进而加深对电路的认识，找到影响性能的主要环节，为调试、维修，甚至改进打下基础。,了解用途、找出通路：,找出信号的传输通路，由于信号的流通枢纽是有源器件，因此应以它为中心连线查找。,返回,简化电路图,简化电路图：,返回,对照单元、化整为零：,通路找出后，电路的主要部分就显露出来了，为此对照所学的基本单元电路，将原理图分成若干个具有单一功能的部分，画出单元框图，并定性分析每个部分的工作原理及功能。,中间电压放大级和输出功放级,返回,统观整体， 估算性能：,沿信号流向，用带箭头的线段把单元框图连接成整体框图

15、，由此可看出各单元怎样配合起来实现电路功能的。最后对各单元电路的性能进行定量的估算。以得到整个电路的性能指标。进而加深对电路的认识，找到影响性能的主要环节，为调试、维修，甚至改进打下基础。,多级放大器的分析方法,F007集成运放内部电路,输入级组成： 由T1、T3和T2、T4组成的共集共基组合电路构成双入单出差放。 T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作T4管的有源负载。 T8、T9组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻REE。 输入级特点： 改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。,中间级组成： T17构成共发放大器。 T13B、T12组成

16、的镜像电流源作有源负载，代替集电极电阻RC。 电路特点： 中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，电压增益很高。 隔离级 ： T16管构成的射随器作为隔离级 ，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。,输出级组成： T14与T20组成甲乙类互补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合而成。 电路特点： 输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。过载保护电路 ： T15、R6保护T14管，T21、T22、T24、R7保护T20管。 正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护电路才启动。,隔离级 ： T23A管构成的有源负载射随器作为隔离级，可提高中间级电压增益。 T13A与T12组成的镜像电流源作有源负载，代替T23A的发射极电阻RE。,偏置电路： 偏置电路一般包含在各级电路中，采用多路偏置的形式。 T10、T11构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。,电平位移电路 ： 输入级共集共基组合电路