差分放大器與多級放大器

1、第五章 差分放大器與多級放大器概述：本章首先介紹幾種常用的電流源電路及其工作原理，然后對差分放大器和多級放大器電路進(jìn)行重點分析，最后給出了模擬集成電路的讀圖、主要指標(biāo)及使用方法。在給出差分放大器電路的組成及其工作原理并對其進(jìn)行靜態(tài)分析和動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了電路的差模增益、共模增益、輸入電阻、輸出電阻以及共模抑制比等技術(shù)指標(biāo)，并指出了差分放大器抑制零點漂移、轉(zhuǎn)移特性等特點；對多級放大器的組成框圖、分析方法、級間耦合方式進(jìn)行介紹，并對多級放大器指標(biāo)計算進(jìn)行重點分析；最后通過模擬集成電路讀圖練習(xí)印證和回顧電流源、差分放大器和多級放大器的應(yīng)用。5.1 電流源利用三極管BJT(或場效應(yīng)管FET)及輔

2、助元器件可以構(gòu)成電流源，電路輸出電流穩(wěn)定，在電子電路中尤其是在集成電路中，常用來為放大電路提供穩(wěn)定的直流偏置，或作為放大器的有源負(fù)載，本節(jié)介紹幾種常用的電流源。5.1.1鏡像電流源如圖5-1-1所示，設(shè)T1、T2 的參數(shù)完全相同，1=2 、ICEO1=ICEO2，三極管T1和T2基極和發(fā)射極分別相連，由于兩管具有相同的發(fā)射結(jié)電壓：VBE1=VBE2，所以IB1=IB2、IE1=IE2、IC1=IC2。RF為參考電阻，流過參考電阻RF的電流為： （5-1-1）IoVCCIREFIC1T2T1IC2圖5-1-1 BJT構(gòu)成的鏡像電流源RREFRL2IB當(dāng)三極管的值較大時，基極電流IB可以忽略，由于

3、兩管T1、T2的對稱性，所以T2的集電極電流近似等于參考電阻上的電流： （5-1-2）外接負(fù)載電阻RL時，有恒定的電流IO=IC2流過，輸出電流IO不隨RL變化而變化，當(dāng)RREF確定后，IREF就確定了，隨之IC2確定，IC2就像IREF的鏡像，因此得名鏡像電流源。例5-1-1 如圖5-1-1所示的電路中，=100，管子完全對稱，VCC=5V，如要求IO=1mA，（1）試比較參考電流IREF與輸出電流IO；（2）確定電阻RREF的大小。解：（1）IREF與IO僅差0.02mA，近似相等。（2）由：得：上圖電路是在三極管值足夠大，IC>>IB的情況下得到的結(jié)果，輸出電流IO近似等于參

4、考電阻的電流IREF，考慮到兩個管子基極電流2IB對參考電流IREF的分流作用，為減小分流的影響，提出改進(jìn)型鏡像電流源電路如圖5-1-2所示，增加一個三極管T3，該管子又稱為擴流管，流過T3管的基極電流：流過參考電阻的電流為： （5-1-3）此時輸出電流為： （5-1-4）與圖-所示的鏡像電流源相比對稱精度大大提高。實際應(yīng)用中，為避免T3工作電流太小，引起其的減小，使IB3增大，一般在T3的發(fā)射極上接一個電阻RE，為T3提供泄放電流IE3，以提高T3管實際的放大倍數(shù)。 IoRLREIBRREFT3VCCIREFIC1T2T1IC2圖5.1.2 改進(jìn)型鏡像電流源2IB由FET組成的鏡像電流源如圖

5、5-1-3所示，兩個FET完全相同，即µn、COX、VGS (th)完全相同，兩個管子的源極、柵極分別相連， VGS1 = VGS2 。由于VD=VG，VS=0，所以VDS>VGS-VGS(th)，N-EMOSFET工作在飽和區(qū)。 考慮場效應(yīng)管的漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)系，則有： （5-1-5）所以有：ID1=ID2 RLT2T1ID1ID2IREFRREFVDD圖5-1-3 FET構(gòu)成的鏡像電流源又因為FET的柵極電流近似為零，所以有： （5-1-6）調(diào)整RREF的大小，即可改變輸出電流的大小。輸出電流的大小與負(fù)載電阻無關(guān)，改變負(fù)載電阻的大小，輸出電流IO保持恒定。因IO=

6、IREF，IO就像IREF的鏡像，所以又稱為鏡像電流源。5.1.2微電流源在集成電路中電阻不能做得太大，大電阻精度很難控制，且有些場合需要小電流作為直流偏置，因此需要微電流源的場合很多。與鏡像電流源相比，微電流源在T2管的發(fā)射極串接一個電阻RE，微電流源電路如圖5-1-4所示。當(dāng)基準(zhǔn)電流IREF一定時，忽略基極電流IB，由于兩個管子的基極相連，則： 求解BE之間的電壓得： 由上二式求得：由圖5-1-4可得： （5-1-7）根據(jù)上二式求得： （5-1-8） 式（5-1-8）表明了基準(zhǔn)電流IREF與輸出電流I0之間的關(guān)系。由于一般硅材料三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為VBE=0.7V左右，兩個管子發(fā)射結(jié)電壓

7、之差VBE很小，用不大的RE就可以獲得很小的電流，IREF=（VCC-VBE1）/RREF。當(dāng)VCC、RREF選定時，電流IREF隨之確定，VBE1、VBE2 為一定值時，IC2可以確定。當(dāng)外接負(fù)載電阻RL時，就會有微小的輸出電流IO通過，該電流不隨負(fù)載RL而改變，僅與兩個管子發(fā)射結(jié)電壓之差VBE 和電阻RE有關(guān)。另外源電壓的波動對該微電流源影響較小，同時由于T1對T2 的溫度補償作用，溫度穩(wěn)定性也比較好，因此微電流源在集成電路中有廣泛應(yīng)用。IORLVCCIREFIC1T2T1IC2圖5-1-4 微電流源RREFRE由于電流源具有直流電阻小而交流電阻很大的特點，在模擬集成電路中廣泛用作負(fù)載使用

8、，稱為有源負(fù)載，如圖5-1-5 所示，T3為放大管，Rb3為T3提供基極直流偏置，T1、T2組成鏡像電流源，作為T3放大器的有源負(fù)載，T3管的集電極電流IC3=IC2 =IREF電流。T3及外圍電路一起管組成共發(fā)射極放大器。VCCRb3Re3T3ViVOT1T2Rref圖5-1-5電流源做有源負(fù)載 比例電流源在實際應(yīng)用中經(jīng)常需要輸出電流IO與參考電流IREF成特定比例的比例電流源，可以通過在兩個管子的發(fā)射極串接不同阻值的電阻得到。比例電流源如圖5-1-6所示。 IORLR1VCCIREFIC1T2T1IC2圖5-1-6 比例電流源RREFR2 （5-1-8）由三極管伏安特性公式： (5-1-9

9、) 得: 將上式代入到公式5-1-8可得： （5-1-10）當(dāng)三極管值足夠大，IC>>IB的情況下，IE1IC1，IE2IC2，三極管T2的集電極電流即是電流源的輸出電流IC2=IO。式5-1-10可改寫如下： （5-1-11）若比值不是太大，且滿足時，公式5-1-11可簡化為： （5-1-12）其中： （5-1-13）可見改變兩個電阻R1、R2的比值，就可以得到IO與IREF的不同比值關(guān)系，但為保證IO的精度，應(yīng)控制IREF 與IO 的比值大小。例5-1-2 如圖5-1-7所示，已知電路中各三極管、相同，求電流源輸出和 與基準(zhǔn)電流之間的關(guān)系式。RE1IC2IC1T1REVCCIR

10、EFICT2T圖5-1-7 例5-1-2題圖RREFRE2解： ，當(dāng)較大時，可得到： 各三極管、相同，所以有： 因此：， 輸出電流與基準(zhǔn)電流成比例關(guān)系。5.2 差分放大器差分放大器具有抑制共模干擾、抑制溫度漂移等作用，因其性能優(yōu)良，在集成電路或分立元件放大電路中有廣泛應(yīng)用，本節(jié)介紹差分放大器的結(jié)構(gòu)、原理、主要參數(shù)計算以及主要應(yīng)用。5.2.1差分放大器模型差分放大器對兩個輸入信號的差模信號有較強放大作用，同時對兩個信號的共模信號具有較強的抑制作用。如圖5.2.1所示為一線性差分放大器，有兩個輸入端，分別輸入信號和；一個輸出端，其輸出信號由差模輸出信號和共模輸出信號兩部分組成。差模信號： （5-2

11、-1）即兩個輸入信號的之差。共模信號： （5-2-2）即兩個輸入信號的算術(shù)平均值。兩個任意輸入信號可以用差模信號和共模信號表示如下： （5-2-3） （5-2-4）差模電壓增益： （5-2-5） 共模電壓增益： （5-2-6） 差分放大器總的電壓輸出為： （5-2-7）理想的差分放大器對差模信號放大能力很大，對共模信號的放大倍數(shù)為0（完全抑制）。所以理想差分放大器的輸出 （5-2-8）Vi2Vi1線性差分放大器Vo圖5-2-1 差分放大器模型框圖例5-2-1 如圖5-2-1所示，已知AVD=100，AVC=0.1，試計算（1）vi1=5mV ，vi2= -5mV；(2) vi1=1005mV

12、，vi2= 995mV兩種情況下的輸出電壓vo 。解：（1）差模輸入信號： 共模輸入信號：所以輸出信號：（2）差模輸入信號： 共模輸入信號：所以輸出信號：5.2.2差分放大器電路一、差分放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖5.2.2所示，三級管T1、T2性能完全相同，電路參數(shù)也對稱，Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，電路由Vcc、-VEE電源供電，T1、T2發(fā)射極相連通過電流源I0到VEE，電流源交流電阻rd很大，理想情況下為無窮大。有些差分放大器在T1、T2發(fā)射極通過電阻接負(fù)電源VEE，這種結(jié)構(gòu)的差分放大器稱為長尾式差分放大器，如圖5-2-3所示。、分別經(jīng)T1、T2的基極輸入，輸出電壓、分別從 T1、T2的集

13、電極輸出。如、分別經(jīng)T1、T2的基極輸入，則稱為雙端輸入；如T1、T2的基極一個接地，另一個作為信號輸入端，則稱為單端輸入；如輸出信號從 T1、T2的集電極間輸出，則稱為雙端輸出，如輸出信號從T1或T2 集電極輸出，則稱為單端輸出，差分放大器共有4種輸入/輸出的組合應(yīng)用方式：雙端輸入/雙端輸出、雙端輸入/單端輸出、單端輸入/雙端輸出以及單端輸入/單端輸出。-VEE層EVcc層Vo2Vo1rdI0-+-iC1Rb1Rb2Rc2Rc1+Vi1T2T1iC2圖5-2-2 差分放大器RLVi2+-+ERERc2Rc1T2T1VCC vo1vo2 vi1vi2-VEE圖5-2-3長尾式差分放大器二、差分

14、放大器工作原理（1）靜態(tài)分析假設(shè)圖5-2-2所示的差分放大器工作在雙端輸入/雙端輸出工作方式，其工作原理分析如下： 當(dāng)Vi1=Vi2=0時，由于電路完全對稱，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb， VBE1=VBE2=0.7V，iC1=iC2=IC=I0/2，VCE1=VCE2=VCC-ICRC+0.7V，因此當(dāng)輸入電壓時，輸出電壓。（2）動態(tài)分析當(dāng)輸入信號不為0，設(shè)在電路的兩個輸入端分別輸入一大小相等、極性相反的輸入電壓信號時，T1管集電極電流增加，T2 管集電極電流減小，所以減小，增加，。差分放大器的主要指標(biāo)一、差分放大器的差模輸入情況(1) 雙端輸入/雙端輸出工作方式-RLRLib

15、2ib1ib2rbe12Rb2-rbe11Rb1-+vo+ib1Rc2Rc1vi1vi2-+vo+Rb1Rb1Rc2Rc1Vi1Vi2圖5-2-4交流等效電路圖5-2-5小信號模型等效電路如圖5-2-2所示，為分析方便假設(shè)放大器的共模輸入信號為0，輸入差模信號，T1管基極電流ib1和集電極電流iC1增加，T2管基極電流ib2和管集電極電流iC2減小，增加量等于減小量，不變，兩個管子的發(fā)射極電壓vE恒定，E點為交流地電位， 因T1管集電極電流iC1增加而減小， 因T2 管集電極電流iC2減小而增加，所以，差分放大器的交流等效電路如圖5-2-4所示，交流小信號等效電路如圖5-2-5 所示。由圖5-

16、2-5可知：差模輸入信號: (5-2-1) 雙端輸出信號: (5-2-2)所以： 差模增益: (5-2-3) 當(dāng)T1、T2集電極間接負(fù)載電阻RL時，對T1管由于增加，減??；對T2管由于減小， 增加，增加量等于減小量，大小相等，方向相反，負(fù)載電阻RL的中點為交流地電位，差分放大器交流等效電路中每個單邊的等效負(fù)載為RL/2，上式的Rc修正為RL，=RcRL/2。差模輸入電阻： (5-2-4)當(dāng)Rb>> rbe時，差模輸入電阻： (5-2-5)差模輸出電阻： (5-2-6)在差分放大器雙端輸入/雙端輸出工作方式下，如電路完全對稱，差模增益與單管共射極放大器電壓增益相同，可見差分放大器用雙

17、倍的元器件換取對共模信號的抑制。(2) 雙端輸入/單端輸出工作方式的主要指標(biāo)若以或作為輸出信號，則稱為單端輸出。若以作為輸出信號此時為反相放大器，且為雙端輸出的一半，差模電壓增益為： (5-2-7)若以作為輸出信號，此時為同相放大器，且其大小為雙端輸出的一半，差模電壓增益為： (5-2-8)雙端輸入/單端輸出工作方式的差模電壓增益為雙端輸出時的一半。單端輸出差分放大器的差模輸出電阻為： 差模輸入電阻為： (5-2-9)當(dāng)Rb>> rbe時，差模輸入電阻為： (5-2-10)(3)單端輸入工作方式的主要指標(biāo)vbe1=vid/2-+vbe2=-vid/2-+erd-Rb1Rb2Rc2R

18、c1+vi1=vidT2T1圖5-2-6 單端輸入差分放大器交流等效電路RL 差分放大器的一個輸入端接地，另一個接輸入信號，令，稱為單端輸入。電流源電阻rd很大，理想情況下為無窮大，e點近似懸空，由于T1、T2 處于導(dǎo)通狀態(tài)，rbe1=rbe2，均分在兩個三極管的基極和發(fā)射極之間，即，相當(dāng)于一端加正輸入信號，另一端加負(fù)輸入信號，因此當(dāng)rd=時，單端輸入時電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時相同。單端輸入情況下，差分放大電路在雙端輸出和單端輸出時的差模增益，輸入電阻，輸出電阻與雙端輸入情況下相同。例5-2-2某差分放大器電路如圖5-2-7所示，。假設(shè)晶體管的，試回答下列問題：a) 試求電流的值。b) 試求

19、輸入阻抗的值。c) 試求電壓增益解：，輸入阻抗為：電壓增益為：二、差分放大器的共模輸入情況(1)雙端輸出工作方式的共模增益如圖5-2-8所示：當(dāng)兩個輸入端接入共模輸入信號電壓時，為研究方便設(shè)兩個輸入信號的差模為0，即，因T1、T2管電流同時增加或加少，有： （5-2-11）對每個管子而言相當(dāng)于在射極接入一個電阻。其交流等效電路圖如圖5-2-9所示，如雙端輸出，因電路完全對稱，輸出電壓同時增加或同時減少，所以雙端輸出時共模電壓增益： （5-2-12） 即對共模信號的抑制能力無窮大。實際上，電路很難完全對稱，即便這樣差分放大器對共模信號的抑制能力也還是很強的。在共模輸入情況下，、相當(dāng)于并聯(lián)，因此共

20、模輸入電阻： (5-2-13)當(dāng)不考慮Rb時，差模輸入電阻為： （5-2-14）-+2rd2rdie2ie1i0=ie1+ie2-+verd-Rb1Rb2Rc2Rc1+vi1T2T1圖5-2-8 差分放大器共模輸入時射極電流RLvi2-+v0Rb1Rb2Rc2Rc1T2T1RLvi2vi1+-圖5-2-9 差分放大器共模輸入等效電路(2)單端輸出工作方式由圖5-2-8可知輸入共模信號： （5-2-15）單端輸出共模信號： （5-2-16） 所以單端輸出時共模增益為： （5-2-17） 當(dāng)(1+) 2rd>> rbe ， >> 1時 ，因此有： （5-2-18）由上式可以

21、看出，電流源恒流特性越好，rd越大，則AVC越小，共模抑制能力越強。共模輸入電阻：在共模輸入情況下，、相當(dāng)于并聯(lián)，因此有： （5-2-19）三、共模抑制比KCMR差分放大器的差模增益與共模增益的比值的絕對值稱為共模抑制比，即。反應(yīng)了差分放大器對共模信號的抑制能力，差模增益AVD越大，共模增益AVC越小，共模抑制能力越強，差分放大器的性能越好。如差分放大器電路完全對稱，在雙端輸出時其共模增益AVC =0，則共模抑制比KCMR=。如單端輸出，則： （5-2-20） 電流源的交流電阻rd越大，共模抑制能力就越強，差分放大器的性能越好，因此很多差分放大器采用電流源作為放大器發(fā)射極電阻，利用其交流電阻很

22、大的特性，以增加共模抑制能力。單端輸出工作模式下，如差模信號遠(yuǎn)小于共模時應(yīng)考慮共模抑制能力問題，此時： （5-2-21）因此在設(shè)計差分放大電路時，應(yīng)使共模抑制比KCMR大于共模信號與差模信號的比值vic/vid。綜上分析可知，差分放大器對差模信號具有放大作用，在雙端輸出的情況下放大倍數(shù)等于單管共射放大器的放大倍數(shù)，對共模信號具有抑制作用。因此：差分放大器用雙倍器件換取對共模信號的抑制能力。差分放大器輸入信號有兩種輸入方式，輸出信號也有兩種輸出方式，各表現(xiàn)為不同的性能特點?，F(xiàn)將其技術(shù)指標(biāo)和主要用途歸納為表5-1所示，以便于比較和應(yīng)用。 例5-2-3：干擾常以共模信號形式出現(xiàn)，設(shè)共模干擾信號幅度v

23、ic=1mV，有用差模信號vid=1µV，KCMR=1000，AVD1=100，求：單端輸出電壓vo1。解：差模輸出電壓：共模輸出電壓：總輸出電壓： 從例題可以看出當(dāng)共模抑制比KCMR與共模信號與差模信號的比值vic/vid相等，總輸出電壓中差模輸出電壓與共模輸出電壓相等，干擾信號幅度等于有用信號幅度，因此應(yīng)加大共模抑制比，以減小輸出共模信號。表5-1 差分放大器幾種工作方式下的性能指標(biāo)比較工作方式指標(biāo)雙端輸入/雙端輸出雙端輸入/單端輸出單端輸入/雙端輸出單端輸入/單端輸出差模電壓增益 共模電壓增益共模抑制比差模輸入電阻差模輸出電阻共模輸入電阻共模輸出電阻主要用途 1、 輸入、輸出信

24、號不需要一端接地2、 常用于多級直接耦合放大器的輸入級、中間級1、 將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出2、 常用于多級直接耦合放大器的輸入級、中間級1、 將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出2常用于多級直接耦合放大器的輸入級、中間級輸入、輸出信號需要一端接地例5-2-4：如圖5-2-10所示，Rc1 =Rc2 =5k，Rb1=Rb2 =120k，=100，I0=2mA，Vcc=12V，VEE=-12V，rd=1M。試求：（1）靜態(tài)工作點（Q點）； （2）AVD、AVD1、AVD2，差模輸入電阻Rid以及在雙端輸出工作方式下的輸出電阻Ro；（3）單端輸出工作方式下的共模增益AVC，輸入電阻Ric以及輸出電阻Roc；（

25、4）單端輸出工作方式下的共模抑制比KCMR。EVcc層Vo2Vo1rdI0-+-Rb1Rb2Rc2Rc1+Vi1T2T1圖5-2-10 例5-2-4題圖Vi2-VEE 層解：（1）當(dāng)Vi1=Vi2=0時，電路工作于Q點VBE1=VBE2=0.7V，所以VE=-0.7VIC1=IC2=ICIE1=IE2= IE= I0/2=1mA，VCE1=VCE2=VCC-ICRC+0.7V=12V-1mA×5k+0.7V=7.7V，v0=VC1-VC2=0， rbe1= rbe1=200+(1+)（VT/IE）=200+(1+100)26mV/1mA2.8 K(2) 雙端輸出時：差模增益： 單端輸

26、出時的差模增益： 差模輸入電阻： 差模輸出電阻：（3）單端輸出時共模增益：共模輸入電阻： 共模輸出電阻為： (4) 共模抑制比為： 5.2.4 差分放大器的傳輸特性差分放大器輸出差模信號隨輸入差模信號變化規(guī)律稱為傳輸特性。ic1 、ic1=f(vid)，在三極管放大器中ic1ie1，而ie =IESexp(vBE/VT) ，可以得到差分放大器中集電極電流與輸入差分信號之間的關(guān)系曲線如圖5-2-11所示，當(dāng)vi1 -vi2=vid=0時，ic1+ ic2=I0，ic1= ic2=I0/2，電路處于Q點，即歸一化電流的0.5處；vid在-VT，VT范圍內(nèi)時，vid增加，ic1增加，ic2減少，ic

27、1、ic2與vid呈線性關(guān)系，兩個管子工作在放大區(qū)，對應(yīng)虛線的區(qū)域；當(dāng)vid >4VT=100mV，曲線處于平坦區(qū)，一管電流接近飽和,另一管電流接近0，電路工作在非線性區(qū)，差分放大器具有較好的限幅特性。在三極管的發(fā)射極串接電阻RE可以增加放大器的線性范圍，另外差模輸入信號俄幅度受三極管B、E結(jié)反向電壓的限制。QiC2iC1線性區(qū)0.80.50.10-6VT -4VT -2VT 6VT 4VT 2VT 圖5-2-11 差分放大器的傳輸特性iC/I05.2.5 FET差分放大器一、 FET差分放大器電路由三極管組成的差分放大器電路對共模信號具有較強的抑制能力，但其差模輸入電阻很低。在高輸入阻

28、抗的模擬集成電路中常采用輸入阻抗高、輸入偏置電流很小的FET差分放大器作為輸入級電路。電路與三極管差分放大器一樣也有雙端輸入和單端輸入兩種信號輸入方式，以及雙端輸出和單端輸出兩種信號輸出方式，組合起來共有4種工作方式： 雙端輸入/雙端輸出、雙端輸入/單端輸出、單端輸入/雙端輸出和單端輸入/單端輸出工作方式。 圖5-2-12所示，JFET場效應(yīng)管組成差分放大器電路，T1、T2為差分對管，源極電阻RS用于抑制共模信號，為增加對共模信號的抑制能力，常利用電流源有源交流電阻很大的特性，作為差分放大器的源極電阻，Rd為漏極電阻。T1T2vo2vo1RLvi1vi2Rd5kRd5kRS500K-VEE-2

29、0V+VDD20V圖5-2-12 FET差分放大器二、 FET放大器電路主要指標(biāo)圖5-2-12所示FET場效應(yīng)管差分放大器在差模信號輸入情況下的交流小信號電路如圖圖5-2-13所示，增加，減小，增加量等于減小量，T1、T2管的源極為交流地電位，。d2gmvgs2RLg1-+vo+gmvgs1Rd2Rd1vgs1vi2圖5-2-13差模信號下小信號等效電路sd1vi1g2vgs2（1）雙端輸入/雙端輸出時的差模指標(biāo)：差模增益: （5-2-22) 當(dāng)T1、T2漏極間接負(fù)載電阻RL時，對T1管由于增加，減?。粚2管由于減小， 增加，增加量等于減小量，大小相等，方向相反，負(fù)載電阻RL的中點為交流地電

30、位，差分放大器交流等效電路中每個單邊的等效負(fù)載為RL/2，上式的Rd修正為RL，=Rc(RL/2)。差模輸入電阻： (5-2-23)差模輸出電阻： (5-2-24)在差分放大器雙端輸入/雙端輸出工作方式下，如電路完全對稱，差模增益與單管共源（或共射）放大器電壓增益相同，可見差分放大器用雙倍的元器件換取對共模信號的抑制。(2) 雙端輸入/單端輸出工作方式的主要指標(biāo)若以或作為輸出信號，則稱為單端輸出。若以作為輸出信號，此時為反相放大器，且為雙端輸出的一半，差模電壓增益為： (5-2-25)若以作為輸出信號，此時為同相放大器，且其大小為雙端輸出的一半，差模電壓增益為： (5-2-26)雙端輸入/單端

31、輸出工作方式的差模電壓增益為雙端輸出時的一半。單端輸出差分放大器的差模輸入電阻為： (5-2-27)差模輸出電阻為： (5-2-28)(3)單端輸入工作方式的主要指標(biāo) 差分放大器的一個輸入端接地，另一個接輸入信號，令，稱為單端輸入。均分在兩個FET的柵極和源極之間，即，相當(dāng)于一端加正輸入信號，另一端加負(fù)輸入信號，因此當(dāng)RS時，單端輸入時電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時相同。單端輸入情況下差分放大電路在雙端輸出和單端輸出時的差模增益、輸入電阻、輸出電阻同雙端輸入情況下相應(yīng)的參數(shù)。（4）共模信號輸入的主要指標(biāo)圖5-2-12所示FET場效應(yīng)管差分放大器電路在共模信號輸入情況下的交流小信號模型電路如圖圖5-

32、2-14所示，和 同時增加或減小， T1、T2管的源極電阻RS折算到各自的源極回路，大小為2RS。雙端輸出時，如電路完全對稱，輸出電壓同時增加或同時減少，所以雙端輸出時共模電壓增益： （5-2-29） 即對共模信號的抑制能力無窮大。實際上，電路很難完全對稱，即便這樣差分放大器對共模信號的抑制能力也還是很強的。s22Rsgmvgs2RLg1-+vo+gmvgs1Rd2Rd1vgs1vi2圖5-2-14共模信號下小信號模型等效電路s1d1d2vi1g2vgs22Rs單端輸出時共模增益： (5-2-30)當(dāng)>>1時，共模增益： (5-2-31)輸出電阻分別與差模信號下的輸出電阻相同，輸入

33、電阻理論上為無窮大。實際上JFET場效應(yīng)管差分放大器輸入電阻在1012左右，輸入偏置電流約100pA，而MOSFET場效應(yīng)管差分放大器輸入電阻可達(dá)1015，輸入偏置電流約10pA以下。例5-2-5：電路如圖5-2-12所示，JFET的gm=2mS，rds=，試求（1），（2）AVD1、AVC1、KCMR的值。vi1vi2Rd5kRd5kRS50k-VEE-20V+VDD20V圖5-2-12 例5-2-5圖解：（1）差模電壓增益： （2） 單端輸出時差模電壓增益 共模電壓增益 共模抑制比 差分放大器的零點漂移零點漂移（零漂）：當(dāng)放大器的輸入對地短路時，輸出端還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生，輸出電壓偏離原

34、來的起始點而上下波動的現(xiàn)象。零點漂移與溫度相關(guān)性比較強，為表示由于溫度變化引起的漂移，常把溫度升高1時，輸出漂移電壓VO按放大電路的總增益AV折算到輸入端，等效為輸入漂移電壓Vi =VO/AV ，作為溫漂指標(biāo)。集成電路常采用直接耦合的多級放大器結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝患壏糯笃鞯腝點由于溫度變化稍有偏移時，第一級放大器的輸出電壓將會發(fā)生微小的變化，這種微小的電壓變化將會逐級被放大，使放大電路輸出端產(chǎn)生較大的漂移電壓，當(dāng)有用輸出信號的幅度遠(yuǎn)大于漂移電壓時，電路尚能工作，而當(dāng)漂移電壓可與有用輸出信號電壓幅度相比較時，就無法分辨漂移電壓和有用信號電壓；嚴(yán)重時，有用信號淹沒在漂移電壓中，使放大電路無法正常工作。在集

35、成電路中輸入級常采用差分放大器，就是用以抑制零點漂移。在差分放大器電路中，無論溫度變化還是電源電壓的波動都會引起兩個管子集電極電流以及集電極電壓的相同變化，相當(dāng)于在兩個輸入端加入共模信號，如果電路完全對稱（兩個管子以及電路兩邊電阻完全對稱），如采用雙端輸出，可使輸出電壓保持不變，從而完全抑制零點漂移；如采用單端輸出方式，由于管子發(fā)射極恒流源偏置特性，也能極大抑制放大器的零點漂移。實際上電路完全對稱和理想恒流源很難做到，但差分放大器的零點漂移仍能抑制在104量級以上，所以差分放大器特別適合作為直接耦合多級放大器的輸入級使用。5.3 多級放大器5.3.1 多級放大器的一般結(jié)構(gòu)一、多級放大器的結(jié)構(gòu)在

36、放大器的應(yīng)用中，很多情況下單級放大器很難滿足實際要求，常采用多級放大器對信號進(jìn)行放大，多級放大器框圖如圖5-3-1所示。vonvovo2vo1vinvi2AV1+voo1_Ro1Ri1AV2AVnRL+voo2_Ro2Ri2+voon_RonRinvi圖5-3-1多級放大器框圖圖5-3-1所示多級放大器由單級放大器組成，設(shè)各級的增益分別為：AV1、AV2、AVn；輸入電阻：Ri1、Ri2、Rin；輸出電阻：Ro1、Ro2、Ron；開路輸出電壓：voo1 、voo2 、voon。單級放大器等效模型如方框內(nèi)所示，輸出端等效為一個電壓源，第i級放大器的輸出電阻即是電壓源的內(nèi)阻Roi，vooi為i級放

37、大器輸出端開路時的輸出電壓值，單級放大器的輸入端等效為一個輸入電阻Rii（放大器的輸入電阻）。前后級放大器之間可以采用直接耦合方式、電容耦合方式、變壓器耦合方式或光電耦合方式，將前級輸出信號耦合至后級輸入端。二、多級放大器的主要指標(biāo)多級放大器中前級的輸出開路電壓是下一級的信號源電壓，前級的輸出電阻是后級的信號源內(nèi)阻，下一級放大器的輸入電阻作為前級放大器的負(fù)載。多級放大器的增益：AV總= vo/ vi=( von/ vin)( vo(n-1) / vi(n-1)···(vo2/ vi2)( vo1/ vi)=AV1·AV2···

38、;AVn其中：von= vo、vin = vo(n-1)、vi(n-1)= vo(n-2)、vi2= vo1、vi = vi1。多級放大器的總增益等于各級放大器實際增益之積。各單級放大器在接入負(fù)載（后級放大器）之后實際增益小于輸出端開路時的開路增益。多級放大器的輸入電阻：多級放大器的輸入電阻等于第一級放大器的輸入電阻Ri =Ri1。多級放大器的輸出電阻：多級放大器的輸出電阻等于最后一級放大器的輸出電阻Ro =Ron。5.3.2 多級放大器級間耦合方式 多級放大器前后級之間、信號源到放大器輸入級之間以及放大器輸出級至負(fù)載之間的信號傳輸方式叫做耦合，其作用是保證信號的有效傳輸，有時也有阻抗匹配的作

39、用。常用的耦合方式有：直接耦合方式、阻容耦合方式、變壓器耦合方式以及光電耦合方式。一、 直接耦合方式直接耦合方式就是多級放大器的前后級之間直接連接，如圖5-3-2所示。三極管T1、Rb1、Rb2和Rc1組成第一級放大器，為共發(fā)射極組態(tài)；三極管T2、Rb3和Rc2組成第二級放大器；兩級放大器之間采用直接耦合方式。Rc2圖5-3-2 直接耦合多級放大器T11T2+vs_Rb3VCC12VRe1500Rc1Rb2Rb1+vo_直接耦合方式多級放大器的特點：放大器中沒有電抗元件，頻率響應(yīng)好，電路不僅能對交流信號進(jìn)行放大，而且對直流或緩慢變化的信號也具有放大作用；電路結(jié)構(gòu)簡單，便于集成。在集成電路中，多

40、級放大器之間多采用直接耦合方式，但存在級間靜態(tài)工作點相互牽制，且由于電平漂移使放大器零點產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致調(diào)整比較麻煩等缺點。二、 阻容耦合方式多級放大器前后級之間通過電容傳輸信號的方式稱為阻容耦合,如圖5-3-3所示，三極管T1、Rb1、Rb2 、Rc1和Re1組成第一級放大器，三極管T2、Rb3和Rc2組成第二級放大器，兩級放大器同為共發(fā)射極組態(tài)， C2為兩級放大器之間的耦合電容，將第一級放大器的輸出信號耦合至第二級放大器的輸入端；C1和C3為分別為輸入端和輸出端耦合電容。特點：前后級之間通過電容連接，各級靜態(tài)工作點相互獨立、互不影響；電路設(shè)計調(diào)整簡單，適合在分立元件放大器中采用。但是阻容耦合

41、方式多級放大器耦合電容不能傳送直流信號，對緩慢變化的信號也呈現(xiàn)較大的阻抗，因此不適用于信號為直流信號和緩慢變化的信號。0=Rc22K圖5-3-3 電容耦合多級放大器T11T2+vs_RS1KRL2KRb3570KVCC12VC3C1Re1500Rc15KRb240KRb1360KC2三、 變壓器耦合方式通過變壓器磁路耦合將前級放大器的信號傳輸至后級的信號傳輸方式稱為變壓器耦合方式，如圖5-3-4所示，三極管T1、Rb1、Rb2 和Rc1組成第一級放大器，三極管T2 、Rb3、Rb4、Rc2和Re1組成第二級放大器，兩級放大器同為共發(fā)射極組態(tài)， Tr為兩級放大器之間的耦合變壓器，將第一級放大器的

42、輸出信號耦合至第二級放大器的輸入端。圖5-3-4 變壓器耦合多級放大器+vs_VCC12VRc1TrRb4Rc2T11T2Rb3Re1500Rb2Rb1+vo_變壓器耦合方式的特點：直流信號無法通過變壓器耦合，各級靜態(tài)工作點相互獨立、互不影響；電路設(shè)計調(diào)整簡單，適合在分立元件放大器中采用；變壓器可以起到阻抗變換的作用，使前后級之間阻抗匹配，實現(xiàn)最佳功率傳輸。但是由于變壓器存在激磁電感和漏磁電感，頻帶寬度比較窄，另外體積較大，比較笨重。另外，多級放大器之間也有采用光電耦合方式，由于以光為媒介實現(xiàn)前后級之間信號傳輸，前后級之間影響很小，隔離度很高， 但線性度不好解決。5.3.3 多級放大器的分析計

43、算多級放大器分析方法：首先確定各級的直流工作點，然后計算各級放大器的實際增益，將前級的輸出開路電壓作為下一級的信號源電壓，前級的輸出電阻作為下一級信號源內(nèi)阻，后級的輸入電阻作為前級的負(fù)載，將各級放大器的實際增益相乘得到多級放大器的總增益。最后對放大器的輸入電阻、輸出電阻進(jìn)行分析計算。這里以圖5-3-3所示的阻容耦合方式多級放大器為例，對其進(jìn)行分析計算。一、直流分析圖5-3-3的直流通路如圖5-3-5所示，兩級放大器之間由于是電容耦合，直流工作點相互獨立，互不干擾，工作點比較穩(wěn)定。第一級放大器為共發(fā)射極組態(tài)，Rb1、Rb2和Re1為T1提供直流偏置， Re1同時起到穩(wěn)定工作點的作用， Rc1將集

44、電極變化電流轉(zhuǎn)換成變化的電壓；第二級放大器也為共發(fā)射極組態(tài)，Rb3為T2提基極偏置， Rc2將集電極變化電流轉(zhuǎn)換成變化的電壓。兩級放大器的靜態(tài)工作點（Q點）分析如下：VCC12VRc22KT11T2Rb3570KRe1500Rc15KRb240KRb1360K圖5-3-5 電容耦合多級放大器直流等效電路第一級放大器Q點分析計算如下：（1=2=100） 第二級放大器Q點分析計算如下： 二、 交流分析圖5-3-3的交流等效電路如圖5-3-6所示，虛線的左側(cè)為第一級放大器交流等效電路，虛線的右側(cè)為第二級放大器交流等效電路，第二級放大器的輸入電阻Ri2作為第一級放大器的負(fù)載，總的增益分析計算如下： 第

45、一級放大器增益： 第二級放大器增益： 放大器總增益： 放大器輸入電阻等于第一級放大器輸入電阻： 放大器輸出電阻等于多級放大器最后級輸出電阻： 如考慮信號源內(nèi)阻，則放大器源電壓總增益為：-+vo1Ri2+vs_-+ib2Rb2Rb1Re11Rb32RLib1ib22rbe12-rbe21+viib1Rc2Rc1RS1Kvo圖5-3-6 電容耦合多級放大器交流等效電路5.4 模擬集成電路讀圖練習(xí)5.4.1模擬集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖模擬集成電路種類很多，最常用的為集成運算放大器，所以本節(jié)主要介紹集成運放。集成運放的種類也很多，電路形式多樣，功能繁多，以其電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻較小、結(jié)構(gòu)相似為

46、共性特點。圖5-4-1所示為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。主要由四部分組成：輸入級、中間級、輸出級、偏置電路及輔助電路。輸入級一般采用差分放大器，以提高整個電路的共模抑制比，放大有用的差模信號，衰減共模干擾信號，抑制溫度漂移以及提高電路的其他性能，差分放大器可由三極管或場效應(yīng)管構(gòu)成。中間級主要完成整個電路的電壓增益，一般由單級或多級放大器組成。輸出級主要完成電路的帶負(fù)載能力，輸出電阻較低，一般由電壓跟隨器或互補對稱放大器組成。偏置電路為各級放大器提供直流工作點，主要由電流源組成，輔助電路主要完成電平移動、過載保護(hù)以及頻率補償?shù)裙δ?。vidVO-+中間級電壓放大器輸出級電壓放大器輸入級差分放大器偏置及輔助電路

47、圖5-4-1集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5.4.2 簡單集成運放電路原理簡單集成運放電路原理圖如圖5.4.2所示，輸入級由T1、T2組成差分放大器，電路采用雙端輸入/單端輸出工作方式，T3、T4和R3組成鏡像電流源，為輸入級差分放大器提供直流偏置。中間級由T5、T6組成復(fù)合管，工作在共發(fā)射極放大狀態(tài)，使信號的幅度得到較大放大。輸出級由T7、T8構(gòu)成兩級電壓跟隨器，電流源交流內(nèi)阻作為T7電壓跟隨器的發(fā)射極電阻，以使放大器的直流電位下降，增加負(fù)載驅(qū)動能力，提高輸出級的工作電流，當(dāng)輸入差模信號時，輸出電壓。VEE=-10VVCC=10V-+2mAT8R62.5KR52.2KR41.3KT7T6T5T4T3R

48、25KRC215KR325KVORC115KT2T1Vi2Vi1圖5-4-2 模擬集成電路內(nèi)部電路示意圖例4：如圖5-4-2所示電路，已知各三極管=100，試對上述運算放大器進(jìn)行直流分析和交流分析。解：直流分析當(dāng)時， 所以有： 電流源電流：所以：交流分析 在計算電路總增益時按多級放大器增益計算方式進(jìn)行，計算各級放大器的實際增益，將前級的輸出開路電壓作為下一級的信號源電壓，前級的輸出電阻作為下一級信號源內(nèi)阻，后級的輸入內(nèi)阻作為前級的負(fù)載，將各級放大器的實際增益相乘得到多級放大器的總增益。設(shè)AVD、AV2、AV3為各級放大器的實際增益，AVDo、AV2o、AV3o為各級放大器的空載增益，和為輸入級

49、和中間級放大器的實際輸出電壓，則電路總增益為：輸入級的空載增益：考慮后級放大器的輸入內(nèi)阻的影響，則實際增益為： 中間級空載時的電壓增益：由于T7使用電流源的內(nèi)阻作為發(fā)射極電阻，理論上理想電流源交流電阻無窮大，因此：，其中rd為電流源的內(nèi)阻。所以：輸出級由兩級電壓跟隨器組成，電壓增益約為1，即：所以電路總增益為：輸入電阻：輸出電阻： 通用型模擬集成電路讀圖練習(xí)本節(jié)介紹一種通用型集成運算放大器LM741，通過分析其電路組成，掌握簡單模擬集成電路的讀圖方法。該集成運算放大器由24個三極管、10個電阻和1個電容組成，為降低功耗以限制溫度升高，各級放大器的靜態(tài)電流應(yīng)較小，故采用微電流源電路作為直流偏置。如圖5-4-3所示。偏置電路：由構(gòu)成主偏置電路，決定偏置電路的基準(zhǔn)電流。主偏置電路、組成微電流源，其中，提供給輸入級中、