第3章差動放大電路及集成運(yùn)算放大器

1、差動放大電路與差動放大電路與集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及其基本組成集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及其基本組成1. 電子技術(shù)發(fā)展歷程電子技術(shù)發(fā)展歷程第第1代：代：1904年年 電真空器件（如真空三極管）電真空器件（如真空三極管）第第2代：代：1948年年 半導(dǎo)體器件（如半導(dǎo)體三極管）半導(dǎo)體器件（如半導(dǎo)體三極管）第第3代：代：1959年年 集成電路集成電路第第4代：代：1974年年 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路2. 集成電路的分類集成電路的分類 按功能分：數(shù)字集成電路和模擬集成電路按功能分：數(shù)字集成電路和模擬集成電路模擬集成電路按類型分：模擬集成電路按類型分：集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算

2、放大器集成功率放大器集成功率放大器集成高頻放大器集成高頻放大器集成中頻放大器集成中頻放大器集成比較器集成比較器集成乘法器集成乘法器集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器集成數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器DIP14SOP143. 模擬集成電路的特點(diǎn)模擬集成電路的特點(diǎn)1) ) 直接耦合：直接耦合： 采用差分電路形式，元件相對誤差?。徊捎貌罘蛛娐沸问?，元件相對誤差??；2) ) 大電阻大電阻用恒流源代替，大電容外接；用恒流源代替，大電容外接；3) ) 二極管用三極管代替二極管用三極管代替( (B、C 極接在一起極接在一起) )；4) ) 高增益、高輸入電阻、低輸出電阻。高增益、高輸入電阻、低輸出電阻。 4. 組成

3、方框圖組成方框圖輸入級：輸入級：差分電路，大大減少溫漂。差分電路，大大減少溫漂。中間級：中間級：采用采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級：輸出級： OCL 電路，電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)帶負(fù)載能力強(qiáng)偏置電路：偏置電路：鏡像電流源，微電流源。鏡像電流源，微電流源。輸入級輸入級偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級+ uo uid集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及其基本組成集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及其基本組成3.1.2 差分放大電路的工作原理差分放大電路的工作原理3.1.3 具有電流源差分放大電路具有電流源差分放大電路3.1.4 差分放大電路的輸入輸出形式差分放大電路的輸入輸出形

4、式3.1.1 零點(diǎn)漂移的概念零點(diǎn)漂移的概念3.1.1 零點(diǎn)漂移的概念零點(diǎn)漂移的概念 當(dāng)放大器的輸入電壓當(dāng)放大器的輸入電壓 ui = 0 時，其輸出電壓時，其輸出電壓uO往往不為往往不為常數(shù)，常數(shù)，稱這種現(xiàn)象為放大器的零點(diǎn)漂移。稱這種現(xiàn)象為放大器的零點(diǎn)漂移。tu0o 多級直接耦合放大器的放大倍數(shù)很高；輸入級由于管子多級直接耦合放大器的放大倍數(shù)很高；輸入級由于管子特性、參數(shù)隨溫度變化等因素引起輸出電壓很大的變化。從特性、參數(shù)隨溫度變化等因素引起輸出電壓很大的變化。從而導(dǎo)致整個放大器無法正常工作。而導(dǎo)致整個放大器無法正常工作。二、出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的原因二、出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的原因一、零點(diǎn)漂移現(xiàn)象一、零點(diǎn)漂移現(xiàn)

5、象（1）各級放大器都會出現(xiàn)漂移電壓。）各級放大器都會出現(xiàn)漂移電壓。（2）減小零漂必須著重解決第一級的零漂電壓。）減小零漂必須著重解決第一級的零漂電壓。（3）放大倍數(shù)越高，輸出零漂越嚴(yán)重。）放大倍數(shù)越高，輸出零漂越嚴(yán)重。（4）在阻容耦合放大電路中，漂移信號都降在耦合電容上，）在阻容耦合放大電路中，漂移信號都降在耦合電容上，不會傳遞到下一級而被進(jìn)一步放大，因此零漂不嚴(yán)重。不會傳遞到下一級而被進(jìn)一步放大，因此零漂不嚴(yán)重。（1）選用穩(wěn)定性較好的硅三極管作放大管。）選用穩(wěn)定性較好的硅三極管作放大管。（2）采用直流負(fù)反饋以穩(wěn)定工作點(diǎn)，減小零漂。）采用直流負(fù)反饋以穩(wěn)定工作點(diǎn)，減小零漂。（3）利用熱敏元件，補(bǔ)

6、償放大管受溫度影響所引起的零漂。）利用熱敏元件，補(bǔ)償放大管受溫度影響所引起的零漂。（4）采用差動放大器（又稱差分放大器）采用差動放大器（又稱差分放大器）四、抑制零漂的措施四、抑制零漂的措施三、多級放大電路中的零點(diǎn)漂移情況三、多級放大電路中的零點(diǎn)漂移情況 直接耦合零漂的嚴(yán)重性：直接耦合零漂的嚴(yán)重性：淹沒信號。淹沒信號。A1 = 20A2 = 20A3 = 20 U = 0. 02 V U = 0.42 V U = 8.42 V( (Differential Amplifier) )3.1.2 差分放大電路的工作原理差分放大電路的工作原理 特點(diǎn)：特點(diǎn)： a. 兩個輸入端，兩個輸入端， 兩個輸出端；

7、兩個輸出端； b. 元件參數(shù)對稱；元件參數(shù)對稱； c. 雙電源供電；雙電源供電； d. ui1 = ui2 時，時，uo = 0能有效地克服零點(diǎn)漂移能有效地克服零點(diǎn)漂移一、電路組成及特點(diǎn)一、電路組成及特點(diǎn)V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo二、電路抑制零點(diǎn)漂移的原理二、電路抑制零點(diǎn)漂移的原理V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo直流通路直流通路V1+VCCV2VEERCRCREEuoVEEICQ1ICQ2IEEIEQ1IEQ2UCQ1UCQ2VEE = UBEQ + IEEREEIEE = (VEE UBEQ) / REEICQ1 = ICQ2 IE1= IE2 =

8、(VEE UBEQ) / 2REEUCQ1 = VCC ICQ1RCUCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0三、電路分析三、電路分析(一一). 靜態(tài)分析靜態(tài)分析差模信號交流通路差模信號交流通路(二二)、動態(tài)分析、動態(tài)分析uc1=Auui1 uc2=Auui2V1+VCCV2RCRCREEuoui1 ui2uc1uc2uo=uc1 uc2 = Auui1 Auui2 =Au(ui1 ui2)差模信號和差模輸入差模信號和差模輸入 若若ui1、ui2大小相同、極性相反大小相同、極性相反，即，即ui1= -ui2，稱為差模，稱為差模信號，記為信號，記為uid。 其中其中u

9、id=ui1ui2 輸入信號是差模信號的輸入方式稱差模輸入。輸入信號是差模信號的輸入方式稱差模輸入。 差模輸出差模輸出uod=Au (ui1ui2)=Au uid 表明表明差分放大電路可放大差模信號差分放大電路可放大差模信號共模信號和共模輸入共模信號和共模輸入 若若ui1、ui2大小和極性都相同大小和極性都相同，即，即ui1=ui2=uic，稱為共模稱為共模信號，記為信號，記為uic。其中。其中uic=（ui1+ui2）/2 輸入信號是共模信號的輸入方式稱共模輸入。輸入信號是共模信號的輸入方式稱共模輸入。 共模輸出共模輸出uoc=Au (ui1ui2)=0 表明表明差分放大電路可抑制共模信號差

10、分放大電路可抑制共模信號四、差模信號與共模信號四、差模信號與共模信號 實(shí)際情況下，輸入信號實(shí)際情況下，輸入信號ui1、ui2是任意的，可利用是任意的，可利用uid、uic表示。表示。 由于由于 uid=ui1ui2 所以所以 ui1=uid/2+uic uic=(ui1+ui2)/2 ui2= uid/2+uic 故故uo=Auduid+Aucuic=uod+uoc四、差模信號與共模信號四、差模信號與共模信號差模信號差模信號ui1 = ui2差模輸入電壓差模輸入電壓uid = ui1 ui2= 2ui1 = ui2差模信號交流通路差模信號交流通路ic1ic2使得：使得：ic1 = ic2uo1

11、 = uo2差模輸出電壓差模輸出電壓uod = uC1 uC2= uo1 ( uo2) = 2uo1idodduuAu beCd1rRAu 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)帶帶 RL 時時RLbeLdrRAu LCL21/RRR Rid = 2rbe差模輸入電阻差模輸入電阻差模輸出電阻差模輸出電阻Rod = 2RC大小相同大小相同 極性相反極性相反ui1V1+VCCV2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2i1o122uu 五、差模特性分析五、差模特性分析例例 1 已知：已知： = 80，r bb = 200 ，UBEQ = 0.6

12、V，試求：，試求：( (1) )靜態(tài)工作點(diǎn)；靜態(tài)工作點(diǎn)； ( (2) )差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù) Aud，差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid，輸出電阻輸出電阻Rod。 解解 ( (1) ) ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE= (12 0.6) / 2 20= 0.285 (mA)UCQ1= UCQ2 = VCC ICQ1RC=12 0.285 10= 9.15 (V)( (2) )( 4897285. 0268120026)1(200EQbe Ir beLd rRAu LCL21/RRR = 10 / 10 = 5 (k )7 .5259. 7580 Rid =

13、 2rbe= 2 7.59 = 15.2 (k )Rod = 2RC= 20 (k )ui1V1+12VV212VRCRCREEuodui210 k 10 k 20 k 20 k 共模輸入共模輸入ui1 = ui2共模輸出電壓共模輸出電壓uic = ui1 = ui2使得：使得：ie1 = ie2IEQ1 + ie1IEQ2 + ie2ue = 2ie1REE2REE2REE共模輸入電壓共模輸入電壓uoc = uC1 uC2= 00icocc uuAu共模抑制比共模抑制比cdCMRuuAAK 用對數(shù)表示：用對數(shù)表示：cdCMRlg20)dB(uuAAK 大小相同大小相同極性相同極性相同共模信號

14、交流通路共模信號交流通路ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuocui2uC1uC2V1V2RCRCuocui2uC1uC2六、共模特性分析六、共模特性分析在在理想理想情況下，情況下，KCMR= ，集成電路，集成電路一般一般為為 120 140 dBuod = Auduid( (2) ) 若若 Aud = 50、 Auc = 0.05求求輸出電壓輸出電壓 uo，及，及 KCMR1.01 V0.99 V 解解 可將任意輸入信號分解為可將任意輸入信號分解為共模信號和差模信號之和共模信號和差模信號之和( (1) )ui1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V)ui2 = 0.99 =

15、 1.00 0.01 (V)( (1) )求求差模輸入電壓差模輸入電壓 uid 、共模輸入電壓、共模輸入電壓 uic例例 2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuoui2uC1uC2uid = u i1 u i2uic = (ui1+ ui2 ) / 2= 1.01 0.99 = 0.02 (V)= 1 (V)id21i1 iuuuc id21ici2uuu ( (2) )= 50 0.02= 1 (V)uoc = Aucuic= 0.05 1= 0.05 (V)uo = Auduid + Aucuic= 1.05 (V)cdCMRlg20)dB(uuAAK 05. 050lg20 =

16、60 (dB)差模信號差模信號共模信號共模信號3.1.3 差分放大電路的輸入、輸出形式差分放大電路的輸入、輸出形式T1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui = ui1ui2= 0uoRLT1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui = ui1ui2= 0uoRL雙端輸入，雙端輸出雙端輸入，雙端輸出雙端輸入，單端輸出雙端輸入，單端輸出單端輸入，雙端輸出單端輸入，雙端輸出單端輸入，單端輸出單端輸入，單端輸出（二）雙端輸入，單端輸出（二）雙端輸入，單端輸出T

17、1+ VCCT2 VEERc1Rc2Reui1ui2uouidRLidod1uuAu becd12 21rRAu 帶帶 RL ：beLd12 rRAu LcL/ RRR （一）雙端輸入，雙端輸出時差模電壓、共模放大倍數(shù)（一）雙端輸入，雙端輸出時差模電壓、共模放大倍數(shù)1、差模電壓放大倍數(shù)、差模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻：差模輸入電阻：Rid = 2rbe差模輸出電阻：差模輸出電阻：Ro = 2Rc（二）雙端輸入，單端輸出（二）雙端輸入，單端輸出差模輸入電阻差模輸入電阻Rid = 2rbe差模輸出電阻差模輸出電阻Ro = RcT1T2Rc1Rc22Reuocuic2ReRLicocc1uuAu Lc

18、L/ RRR c1d1CMRuuAAK beLd12 rRAu bee rR 2、共模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)單端輸出共模交流通路單端輸出共模交流通路共模輸入電阻共模輸入電阻2)1(212ebebicicRriuR 1. 單端輸出單端輸出beLCd/21rRRAu beid2rR cdCMRuuAAK 輸出為雙端輸出的一半輸出為雙端輸出的一半較雙端輸出小較雙端輸出小CoRR 即即 ui1 = ui ， ui2 = 0i21i21i1uuu i21i21i2uuu ii2i1iduuuu i21i2i121ic)(uuuu 參數(shù)計算與雙端輸入相同參數(shù)計算與雙端輸入相同2. 單端輸入單端輸入

19、 為雙端輸入的特例為雙端輸入的特例+VCCuIV1V2RCuoRCVEEI0iC1iC2RL（三）單端輸入，單端輸出（三）單端輸入，單端輸出（四）單端輸入，雙端輸出（略）（四）單端輸入，雙端輸出（略）差動放大在四種不同輸入、輸出形式下的主要性能參數(shù)差動放大在四種不同輸入、輸出形式下的主要性能參數(shù)例例 3 能調(diào)零的差分電路，能調(diào)零的差分電路， = 50 ， UBE1 = UBE2 = 0.7V ，求求“Q”，Aud、 Ri、 Ro，T1單端輸出時求單端輸出時求Aud、KCMR、 Ro。解：解：T1+ VCCT2 VEE( 6V)RcRcReui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 k(+

20、6V)RbRb100 Rp1. 求求“Q”直流通路直流通路IB1+ VCC VEE( 6V)RcRcReRL3 k3 k6 k1 k1 k3 k(+6V)RbRb50 50 IE1IC1)25 . 0)(1(ePbBE1CCB2B1RRRUVII mA)(017. 0)1205. 0)(501(17 . 06 mA)(85. 050017. 0C2C1 IIV)(45. 3385. 06cCCCC2C1 RIVUUrbe = 300 +26 mV / IB2. 求求Aud、 Ri、 Ro= 300 + 26 mV / 0.017mA= 1.86 k 05. 05186. 113/350 5 .

21、 0)1(/0.5 PbebLcd RrRRRAu 4 . 1 k(82.105 . 0)1( 2PbebidRrRR k(62coRR+ VCC VEERcRcReui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 kRbRb50 50 0.5RP0.5RP交流通路交流通路3. 單端輸出單端輸出 Aud、 KCMR、 Ro+ VCC VEERcRc0.5RPui1ui2RL3 k3 k6 k1 k1 k3 kRbRb50 0.5RP05. 05186. 116/35021 5 . 0)1(/ 21PbebLcd RrRRRAu 3 . 9 )605. 0(5186. 116/350 )25 . 0)(1(/ ePbebLcc RRrRRRAu 32. 0 cdCMRuuAAK 2932. 03 . 9 一、電流源電路一、電流源電路減少共模放大倍數(shù)的思路：減少共模放大倍數(shù)的思路： 增大增大 REE用恒流源代替用恒流源代替 REE特點(diǎn)：特點(diǎn)：直流電阻為有限值直流電阻為有限值動態(tài)電阻很大動態(tài)電阻很大