1、第第5章章 集成运算放大电路集成运算放大电路 51 52 53 54 56 58 5.1 5.1 集成运算放大电路的特点集成运算放大电路的特点 1.级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式2.尽可能用有源器件代替无源元件尽可能用有源器件代替无源元件3.利用对称结构改善电路性能。利用对称结构改善电路性能。v性能特点：性能特点：1.电压增益高电压增益高2.输入电阻大输入电阻大3.输出电阻小输出电阻小4.工作点漂移小。工作点漂移小。v电路设计特点：电路设计特点：1.输入级：采用对称结构的差动放大电路输入级：采用对称结构的差动放大电路2.中间级：采用有源负载的共射放大电路中间级：采用有源负载的共射放大
2、电路3.输出级：常用射随器或互补射随电路输出级：常用射随器或互补射随电路4.4.偏置电路：为各级提供静态工作点偏置电路：为各级提供静态工作点。v集成运放的组成结构：（如图集成运放的组成结构：（如图5.1.15.1.1所示）所示）输入级中间级输出级电流源电路UiUo 图图5.1.1 集成运算放大电路方框图集成运算放大电路方框图 偏置电路5.2 5.2 电流源电路电流源电路 电流源的作用：电流源的作用：1.为各级电路提供稳定的直流偏置电流；为各级电路提供稳定的直流偏置电流；2.可作为有源负载，提高单级放大电路的增益。可作为有源负载，提高单级放大电路的增益。一、镜像电流源一、镜像电流源镜像电流源电路
3、如镜像电流源电路如图图5.2.1(a)所示。由图可知，参考电流所示。由图可知，参考电流Ir为为rCCrBECCrRURUUI(5.2.1)由于两管的由于两管的e结连在一结连在一起，所以起，所以IB相同，相同，IC也相同。也相同。由图可知由图可知 221122CCCrBrIIIIII22rCIIUCCRrIrIC1V1V2IC2 图图5.2.1 镜像电流源镜像电流源 电路电路 若若 2，则，则IC2Ir。可见，可见，只要只要Ir一定，一定，I2就恒就恒定；定；Ir改变改变IC2也跟着改变也跟着改变，故称为镜像电流源。故称为镜像电流源。推广，可得多路镜像电流源，如推广，可得多路镜像电流源，如图图5
4、.2.2所示。所示。V5管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有V5管时，管时，IC1=Ir-4IB1,加了加了V5管后，管后，IC1=Ir-4IB1/(1+5)，故，故此可得此可得 52341515V(1)(1)4CCCrIIII有时UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5 图图5.2.2 多路镜像电流源多路镜像电流源 523411V4CCCrIIII无时 在集成电路中，多路电流源是由多集电极晶体管实在集成电路中，多路电流源是由多集电极晶体管实现的如图现的如图5.2.3(a)所示，其等价电路如图所示，其等价电路如图5.2.3(b
5、)所示。所示。IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC(a)(b)图图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向三集电极横向PNP管电路；管电路；(b)等价电路等价电路 二、比例电流源二、比例电流源电流源的电流与参考电流成比例关系，电流源的电流与参考电流成比例关系，电路如电路如图图5.2.4所示。由图可知所示。由图可知因为因为 21222111lnlnSSSETBESETBEIIIIUUIIUURrIrIC2V2V1R2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 图图5.2.4比例电流源比例电流源 222111RIURIU
6、EBEEBE （5.2.4）所以所以 122121EETEETBEBEIIlnUIIlnUUU （5.2.5）即室温下，两管的即室温下，两管的UBE相差不到相差不到60mV，为此时两，为此时两管管UBE电压电压(600mV)的的10%。因此，可近似认为。因此，可近似认为UBE1UBE2。这样，式。这样，式(5.2.4)简化为简化为 当两管的射极电流相差当两管的射极电流相差10倍以内时：倍以内时：mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121若若1，则，则IE1Ir,IE2IC2,由此得出由此得出rCIRRI212(5.2.7)2211RIRIEE 可见，可见，IC2与与Ir成比例关系
7、，其比值由成比例关系，其比值由R1和和R2确定。确定。参考电流参考电流Ir为：为：111RRURRUUIrCCrBECCr(5.2.9)三、微电流源三、微电流源 令令图图5.2.4电路中的电路中的R1=0,便得到便得到图图5.2.5所示的微电流源所示的微电流源电路。电路。由式由式(5.2.4)、(5.2.5)可知，在可知，在R1=0时：时：2122122ln)(1EETBEBEEIIRUUURI当当11时，时，IE1Ir,IE2IC2，则，则222CrCTIIlnIUR RrIrIC2V2V1UCCR2图图5.2.5 微电流电流源微电流电流源 1R 此式表明，当此式表明，当Ir和所需要的小电流
8、一定时，可计算和所需要的小电流一定时，可计算出所需的电阻出所需的电阻R2。例如，已知例如，已知Ir=1mA,要求要求IC2=10A时，则时，则R2为为 kR12101000ln10101026632如果如果UCC=15V，要使，要使Ir=1mA,则则Rr15k。由此可见，要得到由此可见，要得到10A的电流，在的电流，在UCC=15V时，时，采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27k。如果采用镜像电流源，则电阻如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到要大到1.5M。四、威尔逊电流源四、威尔逊电流源（负反馈型电流源）（负反馈型电流源）以上介绍的电流源有两个共
9、同的缺点：动态电阻不以上介绍的电流源有两个共同的缺点：动态电阻不够大；受够大；受变化的影响比较大。变化的影响比较大。RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图5.2.6 威尔逊电流源威尔逊电流源 解决办法解决办法：在电路中引入电：在电路中引入电流负反馈。如图流负反馈。如图5.2.6所示是所示是一种常用的负反馈型电流源一种常用的负反馈型电流源（威尔逊电流源）。在（威尔逊电流源）。在V3管管的的b极和极和e间接入一个镜像电间接入一个镜像电流源而起负反馈作用的。流源而起负反馈作用的。电流稳定原理：电流稳定原理：IC3 IC3IE3IC1(Ir固定固定)IB3由图可知由图可知 rBE
10、CCrBEBECCrRUURUUUI22322112333332131311,CCCEECCCCCBCrIIIIIIIIIIIII又又 RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图5.2.6 威尔逊电流源威尔逊电流源 若三管特性相同，则若三管特性相同，则1=2=3=,求解以上各求解以上各式可得式可得322(1)22CrrIII(5.2.14)利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为为ceorR2 可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且输出电流受输出电流受的影响也大大减小。的影
11、响也大大减小。图图5.2.7为另一种反馈型电流源电路。它由两个镜为另一种反馈型电流源电路。它由两个镜像电流源串接在一起组成，故称像电流源串接在一起组成，故称串接电流源串接电流源。RrIrV3V4UCCIC2V2V1 图图5.2.7 串接电流源串接电流源 5.3 5.3 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路图图5.3.1(a)中，中，V2、V3管构成镜像电流源作管构成镜像电流源作V1管的集管的集电极负载。若该电流源的动态内阻为电极负载。若该电流源的动态内阻为rce3，且当实际负载，且当实际负载RL通过射随器隔离后接入时，该级放大器可获得极高的通过射随器隔离后接入时，该级放大器
12、可获得极高的电压增益。电压增益。CLouibeRRUAUr共射放大电路共射放大电路AuRCUCEQQ点左移点左移若要若要UCEQ不变，则必须提高不变，则必须提高UCC，电路设计不合理。，电路设计不合理。采用电流源作有源负载采用电流源作有源负载1131ceceLouiberrRUAUr图图5.3.1有源负载放大器有源负载放大器(a)共射电路；共射电路；(b)电流源等效电路；电流源等效电路；(c)交流小信号等效电路交流小信号等效电路5.4 5.4 差动放大电路差动放大电路 5.4.1 零点漂移现象零点漂移现象输入电压为零而输出电压产生缓慢变化的现象，称为输入电压为零而输出电压产生缓慢变化的现象，称
13、为零零点漂移现象，简称零漂。点漂移现象，简称零漂。阻容耦合电路中，零点漂移很难传到下一级，可忽略。阻容耦合电路中，零点漂移很难传到下一级，可忽略。直接耦合时，零点漂移能被传到下一级，而且被放大。直接耦合时，零点漂移能被传到下一级，而且被放大。级数越多，放大倍数越多，则输出漂移越大。级数越多，放大倍数越多，则输出漂移越大。抑制零点漂移的方法：抑制零点漂移的方法：（1）电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小零漂。）电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小零漂。（2）利用热敏元件对放大管进行温度补偿。）利用热敏元件对放大管进行温度补偿。（3）采用特性相同的管子，在相同的环境下，两者的零点漂）采
14、用特性相同的管子，在相同的环境下，两者的零点漂移情况相同，可以互相抵消，这就构成了移情况相同，可以互相抵消，这就构成了“差动放大电路差动放大电路”。5.4.2 差动放大电路的工作原理及性能分析差动放大电路的工作原理及性能分析 一、差动放大电路结构一、差动放大电路结构 基本差动放大电路如图基本差动放大电路如图5.4.3所示。它由两个性能参所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路数完全相同的共射放大电路组成，并通过组成，并通过RE耦合在一起，耦合在一起，所以也称为所以也称为射极耦合差动放射极耦合差动放大电路大电路。两个输入端和两个输出两个输入端和两个输出端。信号可双端输出，也可端。信号可双端输
15、出，也可单端输出。单端输出。UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE UEEV1V2Uo图图5.4.3 长尾差动放大电路长尾差动放大电路 UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE UEEV1V2Uo 图图5.4.3 长尾差动放大电路长尾差动放大电路 二、差动放大电路静态分析二、差动放大电路静态分析 q 采用正、负电源供电，使采用正、负电源供电，使差动放大器输入端的直流电差动放大器输入端的直流电位为零位为零。q V1,V2管参数相同，电路结构对称管参数相同，电路结构对称两管工作点相同两管工作点相同q 当当Ui1=Ui2=0时，时，UE=-UBE-0.7V 则流过则流过RE的电流的电流
16、I为为EEEEEEERURUUI7.0)(5.4.1)1212121121120.7CQCQEQEQCQCQCCCQCCEQCEQCCCQCIIIIIUUUIRUUUIR(5.4.2)(5.4.3)(5.4.4)则则 UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE UEEV1V2UoIICQ1静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。1.1.差模放大特性差模放大特性在差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反在差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反的的差模信号差模信号，即，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而而Uid1=-Uid
17、2。此时电路的此时电路的特点特点：v对差模信号而言，对差模信号而言，RE相当于对地短路。相当于对地短路。v双端输出时，双端输出时，负载负载RL的中点可视为差模地端的中点可视为差模地端。所以，可得所以，可得图图5.4.6的等效电路。运用此等效电路来计算的等效电路。运用此等效电路来计算差动放大电路的各项差模性能指标。差动放大电路的各项差模性能指标。三、差动放大电路的动态分析三、差动放大电路的动态分析图图5.4.6 长尾差动放大电路的差模等效电路长尾差动放大电路的差模等效电路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUod(1)差模电压放大倍数 定义：输出电压与输入差模电压之
18、比。定义：输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时：在双端输出时：beLidodidodidodudidididididodododododrRUUUUUUAUUUUUUUUUU2211212121212222 双端输出双端输出时的差模电压放大倍数等时的差模电压放大倍数等于单边共射放大电路的电压放大倍数。于单边共射放大电路的电压放大倍数。式中式中LCLRRR21 单端输出时：单端输出时：udidodidodudAUUUUA212111)(单或或 udidodidodudAUUUUA212112)(单 若单端输出时的负载若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间，接在一个输出端到地之间，则计算
19、则计算Aud时，总负载应改为时，总负载应改为RL=RCRL。(2)差模输入电阻 定义：差模输入电压与差定义：差模输入电压与差模输入电流之比。模输入电流之比。beidididididrIUIUR221(5.4.16)(3)差模输出电阻单端输出时为单端输出时为 CodRR2(5.4.17)(5.4.18)CodRR单）(双端输出时为双端输出时为Iid 2.2.共模抑制特性共模抑制特性 在在图图5.4.3差动放大电路的两个输入端加上一对大差动放大电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相同的小相等、相位相同的共模信号共模信号，即，即Ui1=Ui2=Uic。此时电路的此时电路的特点特点：对共模信号而言，
20、相当于每个管子的射极各接有对共模信号而言，相当于每个管子的射极各接有2RE的的电阻。电阻。双端输出时，负载双端输出时，负载RL上的电流为零，相当于上的电流为零，相当于RL开路。开路。所以可得所以可得图图5.4.4的等效通路。运用此等效通路来的等效通路。运用此等效通路来计算差动放大器的各项共模性能指标。计算差动放大器的各项共模性能指标。RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2RE图图5.4.4 基本差动放大器的共模等效通路基本差动放大器的共模等效通路 (1)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 定义：输出电压与输入共模电压之比。定义：输出电压与输入共模电压之比。icicocicocucU
21、UUUUA21 双端输出时：双端输出时：Auc=0。单端输出时：单端输出时：EbeCicocicocucRrRUUUUA2)1(21(单）ECucRRA2(单）由于射极电阻由于射极电阻RE的自动调节（负反馈）作用，使单端输的自动调节（负反馈）作用，使单端输出时的共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共模出时的共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制，且信号不是放大而是抑制，且RE抑制作用越强抑制作用越强。(2)共模输入电阻共模输入电阻 由由图图5.4.4可得可得2)1(2121EbeicicicicicRrIUIUR(5.4.9)(3)共模输出电阻共模输出电阻 单
22、端输出时为单端输出时为 CocRR单 3 3、共模抑制比、共模抑制比K KCMRCMR 衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力。抑制能力。定义：定义：差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即 双端输出时为双端输出时为 0ocR双(5.4.10)ucudCMRAAK)(lg20dBAAKucudCMR或或 KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。在双实质上是反映实际差动电路的对称性。在双端输出理想对称的情况下，因端输出理想对称的情况下，因Auc=0,所以所以KCMR趋于无趋于无穷大。但实际
23、的差动电路不可能完全对称，因此穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况下，为一有限值。在单端输出不对称的情况下，KCMR必然必然减小，减小，CbeELucudCMRRrRRAAK单单单例例 5.4.1 5.4.1电路如电路如图图5.4.35.4.3，已知，已知U UCCCC=U=UEEEE=15V15V，V V1 1、V V2 2管的管的 （1 1）估算）估算V V1 1、V V2 2管的静态工作点管的静态工作点I ICQCQ、U UCEQCEQ。（2 2）试求差模电压增益）试求差模电压增益odidudRRA、及（3 3）从）从V V1 1管单端输出
24、的差模电压放大倍数管单端输出的差模电压放大倍数A Audud（单）（单）、共模电压、共模电压放大倍数放大倍数A Aucuc（单）（单）和共模抑制比和共模抑制比K KCMRCMR。mARUUIEBEEECQ12.77.0152121VRIUUCCQCCCEQ7.9617.0157.0解：（解：（1）根据式）根据式5.4.15.4.4得到得到K.IrrCQbbbe8212610020026471823610082221./.)R/R(UUUALCiiodudkrRbeid6.58.222kRRCod12622（2）双端输出时，根据式双端输出时，根据式5.4.13、式、式5.4.16和式和式5.4.
25、17得到得到653141072182661002121.rRRAbeLCud单202726621./RR/RUUAELCicocuc单2682.06.53单单单单单单ucudCMRAAK（3）单端输出时）单端输出时根据式根据式5.4.11得到得到所以所以 4、对任意输入信号的动态特性、对任意输入信号的动态特性 在在图图5.4.2差动放大器的两个输入端分别加上任意差动放大器的两个输入端分别加上任意信号信号Ui1和和Ui2，它们既不是差模信号，也不是共模信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号，则：则：222121211212112222icidiiiiiicidiiiiiUUUUUUUUUUUU
26、UU(430)(431)相当于在差动放大器的输入端加了一对共模信号和一对相当于在差动放大器的输入端加了一对共模信号和一对差模信号，如差模信号，如图图5.4.7所示，即所示，即 2221212121iiididiciiicicUUUUUUUUU(432)(433)而而(434)2121iiidididUUUUU 双端输出时：双端输出时：Uo=AudUid+AucUic=AudUid=Aud(Ui1-Ui2)单端输出时：单端输出时：Uo1=AudUid+Auc(单单)Uic AudUid =Aud(Ui1-Ui2)Uo2=-AudUid+Auc(单单)Uic-AudUid =-Aud(Ui1-Ui
27、2)212121212121 可见，无论是双端还是单端输出，差动放大器只放大可见，无论是双端还是单端输出，差动放大器只放大两输入端的差信号。两输入端的差信号。当当KCMR足够高时，差动电路通过足够高时，差动电路通过RE的负反馈作用能自的负反馈作用能自动将射极电位动将射极电位UE调整到：调整到：UE (Ui1+Ui2)=Uic 从而把两输入端的差信号变为差模信号，和信号变为共模从而把两输入端的差信号变为差模信号，和信号变为共模信号。信号。21根据输入、输出端的接法不同，共有四种差放形式：（根据输入、输出端的接法不同，共有四种差放形式：（1）单端入，单端出；（单端入，单端出；（2）双端入，双端出；
28、（）双端入，双端出；（3）单端入，双）单端入，双端出；（端出；（4）双端入，单端出。）双端入，单端出。差放特性可以总结如下几点结论：差放特性可以总结如下几点结论：差动放大电路的性能只与输出端的接法有关，与输入端的差动放大电路的性能只与输出端的接法有关，与输入端的接法无关；接法无关；双端输出的差模电压放大倍数等于半边差模等效电路的电双端输出的差模电压放大倍数等于半边差模等效电路的电压放大倍数，即与单管共射放大电路相同。单端输出差模电压放大倍数，即与单管共射放大电路相同。单端输出差模电压放大倍数仅是半边差模等效电路电压放大倍数的一半；压放大倍数仅是半边差模等效电路电压放大倍数的一半；双端输出的输出
29、电阻为双端输出的输出电阻为2RC，单端的输出电阻仅是双端输，单端的输出电阻仅是双端输出的一半；出的一半；无论是双端输入还是单端输入，差模输入电阻均等于半边无论是双端输入还是单端输入，差模输入电阻均等于半边差模等效电路输入电阻的两倍。共模输入电阻远大于差模输差模等效电路输入电阻的两倍。共模输入电阻远大于差模输入电阻。入电阻。5.4.3 具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路 通过前面的分析可知，通过前面的分析可知，RE越大，越大，KCMR越高。越高。用电流源代替用电流源代替图图5.4.3电路中的电路中的RE，可得如，可得如图图5.4.9(a)所所示的含电流源的差动放大电路。示的含电流源
30、的差动放大电路。图图5.4.9(a)电路的静态工作点为：电路的静态工作点为：2223312312312112RBEREECECQCQCCEQCEQCCBECQCUURUUIIR RRIIIUUUUIRRCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2(a)(b)UCCRCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCC 图图5.4.9具有恒流源的差动放大器电路具有恒流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替用单管电流源代替RE的差动电路；的差动电路；(b)电路的简化表示电路的简化表示 由于电流源的动态内阻非常大，所以无论是双端输出由于电流源的动态内阻非常大，所以无论是双端
31、输出还是单端输出，还是单端输出，Auc都可近似为零。都可近似为零。引入电流源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围。引入电流源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围。对图对图5.4.9(a)电路为：电路为：UC1UicUB3，当超过这个范围时，当超过这个范围时，差放管差放管V1、V2或恒流管或恒流管V3将进入饱和，使电路不能正常将进入饱和，使电路不能正常工作。工作。定义：定义：差动放大电路输出电流或输出电压与差模输入电差动放大电路输出电流或输出电压与差模输入电压之间的函数关系。以图压之间的函数关系。以图5.4.9(b)为例进行讨论。为例进行讨论。设设IUCC/RC，则，则 TBETBETBETBE
32、UuSUuSEUuSUuSEeIeIieIeIi/2/12211)1()1(由图可知由图可知 TBEBEUuuCEEEEEeiiiiiiI1211112121所以所以 1222idCTuIIithU同理可得同理可得 TidCUuthIIi22225.4.4 差动放大电路的大信号分析差动放大电路的大信号分析一、差动放大电路的传输特性一、差动放大电路的传输特性iC1,iC2IiC1iC2iC1iC26 UT/4 UT2 UT02UT4UT6UTuid(a)QI2 图图5.4.12 差动放大器的传输特性曲线差动放大器的传输特性曲线(a)电流传输特性曲线；电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线电压传
33、输特性曲线 则有则有 TidCCCCoUuIthRRiiu221传输特性曲线如图传输特性曲线如图5.4.12所示。由图可得如下结所示。由图可得如下结论：论：图图5.4.12差动放大器的传输特性曲线差动放大器的传输特性曲线(a)电流传输特性曲线；电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线电压传输特性曲线 uoIRC6 UT/4 UT2 UT02UT4UT6UTuid IRC(b)1）两管集电极电流之和恒等于）两管集电极电流之和恒等于I 2）传输特性具有非线性特性）传输特性具有非线性特性当当|uid|UT时，传输特性近似为一段直线。时，传输特性近似为一段直线。当当|uid|4 UT，传输特性明显弯曲
34、，而后趋于水平。，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。表明差动电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性或电表明差动电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性或电流开关特性。流开关特性。传输特性线性区的扩展：传输特性线性区的扩展：射极串接负反馈电阻射极串接负反馈电阻R 基极串接电阻基极串接电阻RB 电路如电路如图图5.4.13(a)，扩展后的传输特性曲线如图，扩展后的传输特性曲线如图5.4.13(b)线性区范围线性区范围曲线斜率曲线斜率差动放大器增益差动放大器增益(RB)(RB)V1V2RR UEEI(a)图图5.4.13扩展差动电路的线性区范围扩展差动电路的线性区范围(a)串接串接R(RB)的线性区扩展
35、电路；的线性区扩展电路；(b)线性区扩展后的电流传输特性曲线线性区扩展后的电流传输特性曲线 iC1,iC2II/2R(RB)0uid(b)二、差动放大电路正常工作的前提条件二、差动放大电路正常工作的前提条件 差动放大电路的上述结论差动放大电路的上述结论都是建立在下面两个前提条都是建立在下面两个前提条件下的：件下的：1.差放电路输入电压的幅值差放电路输入电压的幅值是有限制的是有限制的差模输入电压范围不能超差模输入电压范围不能超过发射结的反向击穿电压。过发射结的反向击穿电压。共模输入电压应满足共模输入电压应满足UB3uic UC12.电流源电流电流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流小于差放管的
36、集电极临界饱和电流ICS(临界临界)两差放管的静态工作点应该设置在交流负载线（由于差两差放管的静态工作点应该设置在交流负载线（由于差放电路是直接耦合，交、直流负载线重合）中点偏低的位置，放电路是直接耦合，交、直流负载线重合）中点偏低的位置，即即ICQIEQ ICS(临界临界)/2，即：电流源电流即：电流源电流I（=2IEQ）应该小于）应该小于差放管的差放管的ICS(临界临界)。随着差模信号的增大，一个管子的随着差模信号的增大，一个管子的Q点顺着负载线向截点顺着负载线向截止区方向移动，另一管以同样的速度向饱和区方向移动，工止区方向移动，另一管以同样的速度向饱和区方向移动，工作点偏向截止区，就会使
37、一个管子首先进入截止区，其集电作点偏向截止区，就会使一个管子首先进入截止区，其集电极电流为零，另一管的集电极电流则固定为极电流为零，另一管的集电极电流则固定为I。如果工作点。如果工作点偏高，就会有一个管子先进入饱和区，在饱和区，关系式不偏高，就会有一个管子先进入饱和区，在饱和区，关系式不成立，此时两集电极电流之和就不等于成立，此时两集电极电流之和就不等于I，上述结论也就不，上述结论也就不成立了。成立了。三、差动放大电路作模拟乘法器三、差动放大电路作模拟乘法器实现乘法的原理：由式实现乘法的原理：由式5.4.35可知可知 TidCoUuIthRu2若差模输入电压若差模输入电压uiduBE，则，则
38、则则 oxyuku u式中增益系数式中增益系数 rTCRURk2 5.4.5 差动放大电路的失调及温漂差动放大电路的失调及温漂 一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调 定义：定义：差动放大器零输入时输出电压不为零的现象。差动放大器零输入时输出电压不为零的现象。补偿方法：补偿方法：在输入端加补偿电压或电流，分别称为在输入端加补偿电压或电流，分别称为输入失调输入失调电压电压UIO和输入失调电流和输入失调电流IIO。加了补偿后的实际不对称差。加了补偿后的实际不对称差动放大器如动放大器如图图5.4.16所示。所示。1影响影响UIO和和IIO的因素的因素 当当Ui=0（输入短路（输入短路)时时，UIO
39、=UBE1-UBE2，而，而ICIEIS TBEUUe)ln(122121SSCCTBEBEIIIIUUU此时此时Uo=0，若，若IC1=IC2 SSSSSIIIII12又因为又因为 时当XXXXXXXln所以所以 SIOTSIUUI上式说明，在不考虑上式说明，在不考虑RC差值的情况下，差值的情况下，IC1=IC2，此时，此时失调失调电压取决于两管反向饱和电流电压取决于两管反向饱和电流Is的差值。的差值。当输入端开路时，若当输入端开路时，若IC1=IC2=IC()IOBII所以所以 1212121211CCIOBBCIIIIII所以，所以，失调电流失调电流IIO主要由主要由的失配大小决定，约为
40、的失配大小决定，约为0.1IB如果差动放大电路的输入信号源是低阻抗源，则如果差动放大电路的输入信号源是低阻抗源，则UIO的影响的影响是主要的；如果是高阻抗源，则是主要的；如果是高阻抗源，则IIO的影响是主要的。的影响是主要的。2实际电路补偿实际电路补偿 实际电路补偿有两类：一类是在集成电路制造过程中，实际电路补偿有两类：一类是在集成电路制造过程中，采用调集电极电阻的方法；一类是外加调零电位器的方法，采用调集电极电阻的方法；一类是外加调零电位器的方法，如图如图5.4.17所示。所示。(b)RCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRS(a)RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC图图5
41、.4.17 差动放大电路的调零电路差动放大电路的调零电路 (a)射极调零射极调零;(b)集电极调零集电极调零 二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移 差动放大器虽然可以通过调零措施，但失调会随差动放大器虽然可以通过调零措施，但失调会随温度的改变而发生变化。所以仍存在零点的温度漂移温度的改变而发生变化。所以仍存在零点的温度漂移现象。现象。UIO的温漂，可由的温漂，可由UIO对对T求导得出，并考虑到求导得出，并考虑到RC/RC、IS/IS在很宽的温度范围内基本恒定，则在很宽的温度范围内基本恒定，则 无论无论RW的动臂在何处，其差模电压放大倍数和差模输入的动臂在何处，其差模电压放大倍数和差模输入电阻分
42、别为：电阻分别为：WbeCidodudRrRUUA211WbeiRrR2112说明：说明：UIO的温漂与该温度下的的温漂与该温度下的UIO的大小成正比。的大小成正比。IOIOBIOCIIdTddTdIdTdU11同样可得同样可得说明说明IIO的温漂主要取决于的温漂主要取决于的温度系数和的温度系数和IIO本身。本身。121BEBEIOSSSSIOSSd UUdUdTdTIkTdqIIIUkkTdTqIT qIT5.6 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路 图图5.6.2示出了互补示出了互补型射随器的原理图。型射随器的原理图。V1,V2是两个特性相同的是两个特性相同的异型异型输出管
43、，其中输出管，其中V1为为NPN管，管，V2为为PNP管，管，它们分别与负载它们分别与负载RL构成构成射极输出器。射极输出器。UCCUoV1V2RL UCCUi 图图5.6.2 互补对称型射极互补对称型射极 由图由图5.6.2可知，当忽略管子饱和压降时，最大输可知，当忽略管子饱和压降时，最大输出电压幅度近似为出电压幅度近似为UCC，而最大输出电流幅度近似为，而最大输出电流幅度近似为U/RL。由于晶体管实际存在导通电压，硅管约为由于晶体管实际存在导通电压，硅管约为0.7V,因而在正负半周内，只有当信号的绝对值大于因而在正负半周内，只有当信号的绝对值大于0.7V时，管子才导通。而在时，管子才导通。
44、而在0.7-0.7V之间，两管的输之间，两管的输出电流近似为零。因此，输出波形在两管轮流工作的出电流近似为零。因此，输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真，衔接处呈现出失真，如图如图5.6.4所示。这种失真通常称所示。这种失真通常称为为交越失真交越失真。图。图5.6.4是利用两管的合成转移特性曲线是利用两管的合成转移特性曲线(即即iC与与uBE的关系曲线的关系曲线)，形象地来说明交越失真产生，形象地来说明交越失真产生的原因。的原因。交越失真iC10uBE0io,uoiC2ui0 t t 图图5.6.4 交越失真产生的原因及波形交越失真产生的原因及波形 为了克服交越失真，可以分别给两管发射结加
45、一为了克服交越失真，可以分别给两管发射结加一正向偏压，其值等于或稍大于导通电压。因而只要有正向偏压，其值等于或稍大于导通电压。因而只要有信号输入，信号输入，V1,V2即可轮流导通，从而消除交越失真。即可轮流导通，从而消除交越失真。在集成运放中，常用的偏置方式如图在集成运放中，常用的偏置方式如图5.6.3所示。所示。(a)(b)RCVD1VD2V1V2V3UCCUiRCV1V2V3UCCUiAI1I2R1R2BRLRL UEE UEEV4 图图5.6.3克服交越失真的互补电路克服交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式；二极管偏置方式；(b)模拟电压源偏置方式模拟电压源偏置方式)1(214RRUU
46、BEAB(5.6.1)可见，可见，UAB是某一倍数的是某一倍数的UBE4,所以该电路也称为所以该电路也称为UBE的倍增电路。调整的倍增电路。调整R1,R2的比值，可以得到所需的偏压值。的比值，可以得到所需的偏压值。由于由于R1从集电极反接到基极，具有负反馈作用，因而使从集电极反接到基极，具有负反馈作用，因而使A、B间的动态电阻很小，近似为一个恒压源间的动态电阻很小，近似为一个恒压源 5.8 集成运放电路的外部特性及其理想化集成运放电路的外部特性及其理想化 5.8.1 集成运放的模型集成运放的模型 集成运放有两个输入端，分别称为集成运放有两个输入端，分别称为反相反相和和同相同相输入端。输入端。图
47、图5.8.1是集成运放的电路符号。从外部看，集成运放是集成运放的电路符号。从外部看，集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高差模增益、高输入是一个双端输入、单端输出、具有高差模增益、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差动放大电路。电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差动放大电路。图图5.8.2所示为集成运放的传输特性曲线。可见，集成运放所示为集成运放的传输特性曲线。可见，集成运放有两个区间：有两个区间：线性区和非线性区线性区和非线性区。在非线性区，输出被限幅，输出电压不是在非线性区，输出被限幅，输出电压不是UOH就是就是UOL。在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数，即在线性区，曲线的斜率
48、为电压放大倍数，即 uo=Aud(uu+)5.8.3 理想集成运算放大电路理想集成运算放大电路一、理想化条件：一、理想化条件：1)开环差模电压增益开环差模电压增益Aod；2)差模输入电阻差模输入电阻Rid；3)输出电阻输出电阻Ro0；4)KCMR(Common-mode Rejection Ratio)；5)输入失调电流输入失调电流(Offset Currents)IIO、失调电压、失调电压(Offset Voltages)UIO和它们的温漂均为零；和它们的温漂均为零；6)输入偏置电流输入偏置电流(Bias Current)IIB=0；3dB带宽带宽fH=,等等。等等。二、线性状态下理想运放的特性二、线性状态下理想运放的特性：理想运放的差模输入电压等于零。即理想运放的差模输入电压等于零。即U+=U-“虚虚短短”(Virtual Short Circuit)理想运放的输入电流等于零。即理想运放的输入电流等于零。即I+=I-=0“虚断虚断”(Virtual Open Circuit)作作 业业 （P143P143）5.25.45.65.85.9
