模拟电子技术教学课件作者王连英电子教案习题解答第4章

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1、第4章 集成运算放大器 4.1 差分放大电路,4.1.1 基本差分放大电路 1、静态分析及抑制零漂的工作原理 （1）电路的组成 基本差分放大电路如图4.1.1所示。 电路由典型的工作点稳定的共射放大电路 演变而来，是由两个电路参数和三极管特 性完全对称的单管共射放大电路组合而成 ，具有两个输入端和两个输出端，在理想 情况下，电路完全对称，即电路左、右两 边元件特性和参数完全一致，且在外界条 件变化时仍能保持一致。,电路采用VCC、VEE双电源供电。RC为集电极电阻，用以将两个三极管的电流变化量转变为相应的电压变化量。Re为两个三极管的发射极公共电阻，用以抑制零点漂移，并决定两个三极管的静态工作

2、点电流。RL是电路的负载。 电路中，输入信号vI1、vI2从两个三极管的基极加入、输出信号vO从两个三极管的集电极之间取出，称为双端输入、双端输出方式。或者说，双端输入、双端输出方式的输入端与输出端均没有接“地”点。 （2）差模信号 当两个输入端上所加的信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号，用vId表示，这种输入方式称为差模输入方式，即vI1vI2，vIdvI1vI2。,（3）共模信号 当两个输入端上所加的信号大小相等、极性相同时，称为共模输入信号，用vIc表示，这种输入方式称为共模输入方式，即 （4）零点漂移（简称零漂）是指：放大电路输入信号为零时，输出信号不为零的现象。由于温度变化所

3、引起的三极管参数的变化（三极管是温度参数的敏感元件）是产生零点漂移现象的主要原因，由此而产生的零点漂移也称之为温度漂移（简称温漂）。 （5）静态分析及抑制零点漂移的工作原理 当输入信号vI1vI20，即输入信号为零、静态时，由于两管的特性相同、元件参数对称，流经Re的电 流为两个三极管发射极电流的和，所以 可见，静态时，电路的输出电压为零。,当环境温度发生变化或电源电压出现波动时，将引起三极管参数的变化。但，由于两管特性相同，电路对称，由温度变化或电源电压波动变化引起的两个三极管参数的变化量是相同的，iC1iC2，vC1vC2，所以输出电压变化量为vOvC1vC20。 上述分析说明，差分放大电

4、路利用电路的对称特性对两管产生的同向漂移具有很强的抑制作用，即差分放大电路对温漂等零点漂移现象具有很强的抑制作用。这是差分放大电路的突出优点。 2、双端输入时的动态分析 （1）对差模信号的放大作用 双端输入、双端输出 若在图4.1.1所示电路中加上差模信号，由于电路对称，集电极电流ic1的增加量和ic2的减小量相同，即iC1iC2，iE1iE2，iEiE1iE20，故Re上不存在差模信号，Re对于差模信号来说相当于短路，即对差模信号而言，E点相当于接,“地”端。所以，电路加上差模信号时，有 表明，差分放大电路双端输出时的差模电压放大倍数Avd等于单管放大电路的差模电压放大倍数。,【案例分析4.

5、1.1】在图4.1.1所示电路中，已知三极管1250，rbe2k，Re2k，Rc10k，RL20k。求：差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数。 分析、求解：由于整个差分放大电路双端输出时的差模放大倍数Avd等于单管放大电路的电压放大倍数，故可通过单管，对称的一半电路（简称半边电路）的微变等效电路求出Avd。在差模输入时，两管集电极电流变化量大小相等、方向相反，负载RL的中点电位是不 随信号变化的零电位，即中点可等效看作交流地，于是有差模信号的交流通路，如图4.1.2（a）所示。因为半边电路的负载为RL /2，于是有半边电路的差模交流小信号微变等效电路如图4.1.2（b）所示。,（a）,

6、（b）,图4.1.2 图4.1.1电路的差模等效电路 （a）差模信号交流通路 （b）差模半边电路微变等效电路,从图4.1.2（a）中可以看出，从电路的两个输入端看进去的等效电阻，即电路的差模输入电阻Rid为 Rid2rbe （4.1.5） 此处，Rid22k4k 从电路的两个输出端看进去的等效电阻，即电路的差模输出电阻Rod为 Rod2Rc （4.1.6） 此处，Rod210k20k 从图4.1.1（b）中可以看出双端输出时的差模电压放大倍数Avd为 （4.1.7）, 双端输入、单端输出 此时，在图4.1.1所示电路中，T1或T2的集电极接负载RL对地输出，差模电压放大倍数是指单端输出电压vO

7、d1（或vOd2）与差模输入电压vId之比，即 相对于输出端vc1而言，vI1称为反相输入端，vI2称为同相输入端。 电路的差模输入电阻Rid与双端输出电路一样，没有变，仍为Rid2rbe 。 电路的差模输出电阻Rod为RodRc ，是双端输出电路差模输出电阻的一半。,（4.1.8a）,（4.1.8b）,（2）对共模信号的抑制作用 在实际情况下，加到差分放大电路两输入端的信号电压往往是合成信号，它们既不是完全的差模信号，也不是完全的共模信号，而是可以分解为一对数值相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和，即 vI1vIcvId/2，vI2vIcvId/2 其中vIc（vI

8、1vI2）/2，vIdvI1vI2 （4.1.9） 实际上，共模输入时，差分放大电路对共模信号的抑制，不但利用了电路中两半电路参数对称性所起的补偿作用，而且还利用了发射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只三极管集电极电流的变化，从而抑制了集电极电位的变化。,从图4.1.1所示电路中可以看出，当共模信号作用于电路，且vIc为正时，电路中三极管各极电流、电压的变化方向如下： 因为vEiE2Re，所以对于每边三极管而言，发射极等效电阻为2Re。显然，Re阻值愈大，负反馈作用愈强，电路对共模信号的抑制作用愈强。但Re的取值不宜过大，因为由式（4.1.1）可知，它受电源电压VEE的限制。,【案例

9、分析4.1.2】在图4.1.1所示电路中，若电路参数同案例分析4.1.1，且输入信号vI15.25V，vI25V，试求：该电路的差模输入信号，共模输入信号；双端输出和单端输出时的共模电压增益，共模输入电阻和共模输出电阻。 分析、求解：由vI1vI2，可知，电路输入信号中既有差模信号的成分，又有共模信号的成分，由式（4.1.9），有 vIdvI1vI2（5.255）V0.25V vIc（vI1vI2）/2（5.255）1/2 V5.125V 上述分析同时表明，实际中用仪表可检测vI1、vI2和vId，但用仪表不能直接检测vIc。 在图4.4.1所示电路中加入共模信号，此时在共模信号的作用下，由于

10、电路对称，差分放大电路两管集电极电位总是相等的，因此，双端输出时，负载电阻RL中的共模信号电流为零，RL可视为开路；而两管集电极电流的变化总是大小相等、方向相同的，因此，Re上的共模信号压降ve2ic1Reic12Re，从电压等效的观点，可以认为每个三极管的发射极回路中串接了一个2Re的电阻。, 双端输入、双端输出 此时有双端输入、双端输出的共模信号交流通路，如图4.1.3（a）所示；半边电路的共模微变等效电路，如图4.1.3（b）所示。 共模电压放大倍数是指共模输出电压vOc与共模输入电压vIc之比。由图4.1.3（a）中可以看出，双端输出时共模电压放大倍数Avc为,(a),(b),图4.1

11、.3 图4.1.1电路的共模等效电路 （a）共模信号交流通路 （b）共模半边电路微变等效电路,（4.1.10）,由于电路完全对称，vOc1vOc2，故Avc0。 温度变化或电压波动引起两管集电极电流的变化，可以等效地视为在输入端加入共模信号的结果。差分放大电路对共模信号的抑制作用，其实质就是用一管集电极电流的变化去补偿另一管集电极电流的变化。 从图4.1.3（a）所示电路的两输入端看进去的共模输入电阻为两个半边等效电路输入电阻的并联值，即 Ricrbe（1）2Re/2 （4.1.11） 此处，Ric2（150）22/2 k103k 通常，Re在几千欧以上，故共模输入电阻比差模输入电阻大得多。

12、从两个输出端看进去的共模输出电阻为从任一输出端看进去电阻的两倍，即 Roc2Rc （4.1.12） 此处 Roc210k20k, 双端输入、单端输出 此时，在图4.1.1所示电路中，RL不能视为开路，RL是接在一管的集电极与“地”之间。其共模电压放大倍数为 由于（1）2Re rbe，上式可简化为,（4.1.13）,（4.1.14）,在实际电路中，一般2ReRL，故Avc11。即差分放大电路对共模信号没有放大作用，且Re越大，Avc1越小，电路对共模信号的抑制能力越强。 显然，共模单端输出方式对共模信号的抑制能力要比双端输出方式的小。,电路的共模输入电阻Ric与双端输出电路一样，仍为Ricrbe

13、（1）2Re/2 。 电路的共模输出电阻Roc为RocRc ，是双端输出电路共模输出电阻的一半。 （3）共模抑制比KCMR 共模抑制比是用来衡量差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的一个指标参数，它定义为差模电压放大倍数Avd与共模电压放大倍数Avc之比的绝对值，用KCMR表示，即,（4.1.15）,此值越大，说明差分放大电路放大差模信号的能力和抑制零点漂移的能力越强，放大电路的性能越好，一般差分放大电路的KCMR103106。,在电路完全对称时，若采用双端输出方式，由于Avc0，其KCMR趋于无限大；若采用单端输出方式，依式（4.1.8）和式（4.1.14）可得 由上式可见

14、，为了提高电路对共模信号的抑制能力，须选用阻值较大的Re，因此，常用直流电阻小，交流电阻大的电流源电路来替代Re。,（4.1.16）,4.1.2 差分放大电路的单端输入方式 1、单端输入方式 差分放大电路按输入、输出方式不同可组成4种典型电路。除了上节分析的双端输入、双端输出方式和双端输入、单端输出方式外，实际应用中，有时要求放大电路的输入端有一端接地（如 vIdvI1，vI20），如图4.1.4所示，称为单端输入方式。 2、单端输入方式的差模特性 在图4.1.4所示电路中，Re通常满足Re re（发射结电阻）的条件，这样就可以近似地认为，输入信号电压vId均分在两管的输入回路上（将Re支路看

15、成开路），如图4.1.5所示。此时，vbe1vId/2，vbe2vId/2，即单端输入时，电路的工作状态与双端输入时近似一致。如Re足够大，则电路由单端输入、双端输出时，其差模电压放大倍数与式（4.1.7）一致，即,电路由单端输出时，其差模电压放大倍数与式（4.1.8）近似一致，即,其他指标也与双端输入电路近似一致。,图4.1.4 单端输入差分放大电路,图4.1.5 单端输入差分放大电路差模的交流通路,4.1.3 带恒流源的改进型差分放大电路 如前所述，增大差分放大电路发射极电阻Re的阻值，能够有效地抑制每一边电路的温漂，提高共模抑制比，这一点对于单端输出方式尤为重要。可以设想，若Re为无限大

16、，根据式（4.1.14）和式（4.1.15），有Avc0，KCMR。但由于VEE和差分管耐压特性的限制，Re不能取值过大。若采用直流电阻小、交流电阻大，具备恒流源特性的工作点稳定的共射放大电路来等效代替发射极电阻Re ，则既能适用于较低的电源电压，又可提高电路的共模抑制比。,如图4.1.6所示，当三极管工作在放大区时，对于确定的基极电流（亦即确定的发射结电压）而言，集电极电流具有近似的恒流特性，即当集电极电压有一个较大的变化量vce时，集电极电流ic,图4.1.6 放大电路的恒流特性,集电极电流ic基本不变，iC很小。此时，三极管c、e之间的交流等效电阻 数值很大，而直流电阻很小( ）。因此，在集成运放电路中广泛地采用