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1、第三章 集成运放基础及负反馈电路,3.1 差分放大电路,3.2 集成运算放大器,3.3 反馈的基本概念,3.4 反馈的分类和判别方法,3.5 负反馈对放大电路性能的影响,差分放大电路(Differential amplifier)又称差动放大器，简称差放，是集成运算放大器(Intergrated operational amplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂移性能。,3.1 差分放大电路,一、直接耦合放大电路需要解决的问题：,1直接耦合放大电路存在的问题：,(1)各级静态工作点相互影响，相互牵制。 (2)存在零点漂移(Zero drift)。 零漂定义：在输入信号为零时
2、，出现输出端的直流电位缓慢变化的现象。 产生零点漂移的原因：元器件参数的变化；环境的温度的变化(最主要的因素，因温度变化引起零漂称为温漂)。 零漂在RC耦合电路中影响不大；但在直接耦合放大电路中会被后级电路逐级放大，且第一级的零漂影响最为严重。,3.1.1 差动放大器的电路组成和静态分析,典型的差动放大器电路如图3.1.1所示，它具有两个输入端， 两个输出端。该电路采用发射极电阻Re耦合的对称共射电路， 其中V1、V2称为差分对管，两边的元器件采用相同的温度特 性和参数，使之具有很好的对称性，双电源供电，且VCC=VEE， 输出负载可以接到两输出端之间（称为双端输出），也可接到 任一输出端到地
3、之间（称为单端输出）。,2抑制零漂的最有效方法 采用差动放大电路。它常用作集成运放的输入级。,二、差动放大电路组成,（a) （b) 图3.1.1 差动放大电路 （a)电路图 （b) 直流通路,静态时，IC1=IC2IE，UC1=UC2=VCCIC1Rc1 。 故： Uo=UC1UC2=0。 另一思路，忽略IB影响。UB=0，UE=UBE，,即静态时，差动放大器具有零输入零输出的特点。不会产生零点漂移现象，前提：电路完全对称。,三、静态分析,3.1.2 共模信号、差模信号及其放大倍数,一、差模信号（Difference-Mode signal）和差模放大倍数(Difference-Mode ga
4、in) 差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即ui1=-ui2。uid=uid1-uid2 =2uid1 ，uid1=-uid2=uid/2 。 若电路仅有uid作用，则输出电压为uod；则电路的差模电压放大倍数Aud=uod/uid 。,二、共模信号(Common-Mode signal)和共模放大倍数(Common-Mode gain) 共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2=uic 。 差动放大器只有uic作用输出电压为uoc；则共模电压放大倍数Auc=uoc/uic 。,三、任意信号的分解,ui1和ui2输入的两个任意信号。此时，若将ui1和ui2改写成,
5、其中,由此可知，一对任意信号均可以分解为一对共模信号和一对差模信号之和，即,任意信号输入时，分解成uid和 uic ，分别放大再叠加。即,差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。,例题 已知差动放大电路ui1=10.02V，ui2=9.98V，试求共模和差模输入电压。,解：,3.1.3 差模输入信号的动态分析,差动电路有两个输入端、两个输出端，它具有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出四种组态。,一、双端输出电路差模特性,图3.1.2 接上负载时的差模交流通路 （a）双端输出 （b）单端输出,双端输入双端输出电路的差模交流通路如图3.1.2（a）所示。由
6、图可得,式中， 为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之差； 为单管共射电路电压放大倍数； 。上式说明双端输出差动当大电路的电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相同。,电路的输入电阻则是从两个输入端看进去的等效电阻。 Ri=2(Rb+rbe) 电路的输出电阻为 Ro=2Rc,二、单端输出电路差模特性,差动放大器单端输出时，负载电阻RL接在其中一管的集电 极（V1或V2）与地之间。其差模交流通路如图3.1.2（b）所示。 这时电压放大倍数为,式中,差模输入电阻和输出电阻为,Ri=2(Rb+rbe),Ro=Rc,3.1.4 共模输入信号的动态分析,一、双端输出电路共模特性,共模交
7、流通路如图3.1.3a所示。显然，在理想情况下,则,图3.1.3 共模交流通路 （a）双端输出 （b)单端输出,从上式可知，差动放大电路对共模抑制信号具有抑制作用，为反映电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比的概念，定义为,或,KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。在理想情况下，双端输出差动电路的,二、单端输出电路共模特性,单端输出时的共模交流通路如图3.1.3（b）所示。,单端输出的共模电压放大倍数为,单端输出差动电路的共模抑制比为,上式表明，Re越大，对共模信号的抑制能力越强。 单端输入双端输出、单端输入单端输出差动电路分析方法与双端输入相同。,3.1.5 恒流源,为了提高
8、单端输出差动放大电路的共模抑制比，应当提高 Re的数值。但增大Re会增加Re上的直流压降，影响电路的静态 工作点，为使电路正常工作,需提高电源电压，但电源电压又不 能任意提高，所以形成矛盾。采用恒流源代替R e可很好地解决 这一矛盾。,恒流源输出电流恒定，具有交流等效电阻很大而直流电阻 （两端电压降）不大的特点。图3.1.5所示电路就是一个采用恒 流源的差动放大电路。,图3.1.5 具有恒流源的差动放大电路,图中，V3组成分压式工作点稳定电路作为恒流源， 保证温度变化时，IE3基本不变，且,一、镜像电流源（Current mirror）,镜像电流源电路如图3.1.6所示，设V1、V2的参数完全
9、相同， 由于两管具有相同的基-射极间电压（UBE1=UBE2），因此，两 管集电极电流IC1=IC2，由图可知基准电流为,图3.1.6 镜像电流源,当2时，V2管的集电极电流IC2 近似等于基准电流IREF，即,二、微电流源(Small value current source),微电流源是模拟集成电路中常用的一种电流源，电路如图 3.1.7所示。当基准电流IREF一定时，由图3.1.7可得,图3.1.7 微电流源,可见，用很小的Re2即可获得 微小的工作电流，称为微电流源。,三、电流源用作有源负载（Active load）,在模拟集成电路中，恒流源也广泛地作为负载电阻使用以代 替集电极电阻R
10、C，称为有源负载。,图3.1.8 电流源用作有源负载,图中V1是放大管，V2、V3组成电流源作为V1的集电极有源负载。,3.1.6 失调及温漂,1输入失调电压(Input offset voltage),一个完全对称的差动放大器， ，双端输出 。然而实际中存在元器件失配，很难做到完全对称。 ，UO0，这种现象称为零点漂移，也称为差动放大器的失调，相应的输出电压称为失调电压，用UOO表示。一般把UOO折算到输入端，称为输入失调电压，用UIO表示 UIO=UOO/Aud,2输入失调电流(Input offset current),由于12，ICQ1ICQ2,为使ICQ1=ICQ2，就必须在输入端引
11、入电流，使相应的IBQ1IBQ2。通常将这种因两管不相等而在输入端引入的差值电流称为输入失调电流，用IIO表示，定义为ICQ1=ICQ2时两基极电流之差的绝对值，即,3. 温漂(Temperature drift),失调随温度的变化值称为温漂，环境温度是产生温漂的外因，而晶体管参数随温度变化，则是内因。差分放大电路的失调可通过外接调零装置给予补偿，使之达到零输入零输出，但加接调零装置无法消除温漂。减小温漂的有效方法是加接温度补偿电路。,集成运算放大器(Integrated operational amplifier)是一种具有高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。 集成运放的特点：通
12、用性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、性能优越，外部接线很少，调试极为方便。,3.2 集成运算放大器,一、集成电路的特点,集成电路由于制造工艺上的原因，具有以下特点： (1)集成电路的工艺对制造电感器和容量大的电容器有困难，所以大都采用直接耦合电路。 (2)集成电路制造工艺表明，制造半导体二极管或三极管占用硅片面积小，且工艺简单、成本低。制造电阻、电容比较困难，尤其是阻值大（大于300）的电阻和容量大（大于400pF）的电容，更不经济。为此，应尽量避免内接电容，并尽可能用阻值低的电阻或以三极管代替电阻。,3.2.1 集成运算放大器简介,二、集成电路的分类,1、按集成度分类,2、按内部器件分
13、类,三、集成电路的外形及符号,(1)集成电路的外形,图3.2.1 集成电路的外形 （a) 圆壳式 （b) 双列直插式 （c) 扁平式 （d)电路符号,(2)电路符号,“-”反相输入端（Inverting input terminal），“+”同相输入端(Noninverting input terminal)。,(3)集成运放的输出输入关系式,3.2.2 集成运算放大器内部电路框图,图3.2.2 集成运放原理框图,1输入级 为了减少零漂和抑制共模干扰信号，要求温漂小、共模抑制比高、有极高的输入阻抗，一般采用高性能的恒流源差动放大电路。,2中间级 运算放大器的放大倍数主要是由中间级提供的，因此要
14、求中间级有较高的电压放大倍数，一般放大倍数可达几万倍甚至几十万倍以上。,3输出级 输出级应具有较大的电压输出幅度较高的输出功率与较低的输出电阻的特点，大多采用复合管构成的共集电路作为输出级。,4偏置电路 偏置电路一般由恒流源组成，用来为各级放大电路提供合适的偏置电流，使之具有合适的静态工作点。它们一般也作为放大器的有源负载和差动放大器的发射极电阻。,3.2.3 理想运放的概念,理想运放具有以下特性： (1)开环差模电压放大倍数 Aod (2)开环差模输入电阻 Rid (3)开环差模输出电阻 Rod=0 (4)输入失调电压 UIO=0 (5)输入失调电流 IIO=0 (6)共模抑制比 KCMR
15、(7)频带宽度 BW,但实际的集成运算放大器不可能达到上述指标。集成运算放大器的特性是非理想的。它的输入电阻为几千欧到100G，电压增益为80140dB。,3、理想集成运放线性应用时具有两个特性：虚短和虚断。,（1）虚短：Aod， ，,（2）虚断：Rid i+=i-=0,图3.2.3 集成运放的电压、电流及“虚短”、“虚断”示意图 (a)运放的电压和电流 (b)理想运放的“虚短”、“虚断”示意图,3.3.1 反馈的定义,将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部），经过一定的电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与原来的输入信号（电压或电流）共同控制放大器，这样的作用过程称为反馈，具有反馈的放大器称为反馈放大器(Feedback amplifier)。,3.3 反馈的基本概念,一个电路是否存在反馈，就是看输出与输入回路之间有没有起联系作用的元件。若有则存在反馈，若无则不存在反馈。,3.3.2 反馈的电路框图(Block diagram),图3.3.1 负反馈放大器的组成框图,负反馈放大电路的方框图如图3.3.1所示。 表示开环放大器（也叫基本放大器）， 表示反馈网络。 表示输入信号（电压或电流）， 表示输出信号， 表示反馈信号， 表示净输入信号。,反馈放大器闭环增益,
