第3章差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)放

1、新世紀(jì)高職高專教材編審委員會(huì)組編主編王成安孟曉明（基礎(chǔ)篇）（第三版）第第3 3章章 差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)放差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)放3.13.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.23.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器第第3 3章章 差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)放差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)放直接耦合放大器存在著嚴(yán)重的溫漂問題，差動(dòng)放大電路是解決放大器溫漂問題的最有效方法，本章首先要討論的就是差動(dòng)放大電路解決溫漂的工作原理及進(jìn)一步抑制溫漂的措施。由于差動(dòng)放大電路對(duì)器件要求有著嚴(yán)格的對(duì)稱性，所以真正實(shí)現(xiàn)抑制溫漂必須使用集成電路來制作差動(dòng)放大電路。集成運(yùn)算放大器是一個(gè)典型的應(yīng)用廣泛的集成電路，它具有很高的增益，是一個(gè)采用直接耦

2、合方式的多級(jí)放大器，其輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，可以有效的減小溫漂。通過對(duì)通用型集成運(yùn)放F007的介紹，可以了解集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)及其含義。理想運(yùn)算放大器是分析集成運(yùn)放工作情況的模型，具有重要的實(shí)際意義，分析得到的結(jié)論可直接應(yīng)用到實(shí)際電路中去。章首導(dǎo)言3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路直接耦合多級(jí)放大器的頻率特性好，但隨之帶來的最突出問題是溫度漂移，又叫做零點(diǎn)漂移，簡稱溫漂。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是放大器件的參數(shù)受溫度的影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化。解決溫漂的最有效措施就是采用差動(dòng)放大電路。3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電

3、路1. 最簡單的差動(dòng)放大電路圖是最簡單的差動(dòng)放大電路。信號(hào)電壓由兩個(gè)三極管的基極輸入，輸出電壓則取自兩個(gè)三極管的集電極之間。這個(gè)電路的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，這種理想的情況下，每個(gè)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)是相同的。差動(dòng)放大電路的原理圖3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路2. 差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制(1) 在靜態(tài)時(shí)對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制在靜態(tài)時(shí)，ui1=ui2=0，即：IC1=IC2， VC1=VC2，故輸出端電壓：u0=VC1VC2=0當(dāng)溫度升高時(shí)，即：IC1=IC2，VC1=VC2工作點(diǎn)都發(fā)生了零點(diǎn)漂移，但由于兩個(gè)三極管的集電極電位的變化是相同的，所以放大器的輸

4、出電壓依然不變，即：u0=VC1VC2=0可見，在這種情況下，放大器輸出端的零點(diǎn)漂移完全被抑制。3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路(2)在動(dòng)態(tài)時(shí)對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制共模信號(hào)輸入及共模電壓放大倍數(shù)Auc若有兩個(gè)信號(hào)，其幅度相等、極性相同，則稱此兩信號(hào)為共模信號(hào)。如圖所示。由于差動(dòng)放大器兩管集電極之間輸出的電壓為零，所以電路的共模電壓放大倍數(shù)：差動(dòng)放大器的兩種輸入信號(hào)0icocucUUA3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路 差模信號(hào)輸入及差模電壓放大倍數(shù)Aud若有兩個(gè)信號(hào)，其幅度相等、極性相反，則稱此兩信號(hào)為

5、差模信號(hào)。如圖所示。結(jié)論：完全對(duì)稱的差動(dòng)放大器只能放大差模信號(hào)，不能放大共模信號(hào)。這也正是結(jié)論：完全對(duì)稱的差動(dòng)放大器只能放大差模信號(hào)，不能放大共模信號(hào)。這也正是差動(dòng)放大器名稱的由來。差動(dòng)放大器名稱的由來。差動(dòng)放大器的兩種輸入信號(hào)3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路放大器的差模電壓放大倍數(shù)是電路在差模輸入信號(hào)的作用下產(chǎn)生的，是電路的輸出電壓與輸入電壓之比，記作Aud?？梢缘贸觯杭床顒?dòng)放大器的差模電壓放大倍數(shù)等于一個(gè)單管放大器的電壓放大倍數(shù)。besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA單單2121)(3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13

6、.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路 不對(duì)稱信號(hào)輸入和共模抑制比如果差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)，既不是共模信號(hào)也不是差模信號(hào)，又應(yīng)如何處理呢？此時(shí)可將輸入信號(hào)分解成一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，它們共同作用在差動(dòng)放大電路的輸入端。設(shè)差模放大電路的輸入為 和 ，則差動(dòng)放大器的差模輸入電壓Uid是二者之差，即：每一個(gè)三極管的差動(dòng)信號(hào)輸入為：21iiidUUU)(21212121iiidididUUUUU3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路而差動(dòng)放大器的共模輸入電壓Uic應(yīng)為二者的平均值，即：221iiicUUU所以兩個(gè)單管放大器上所得到的輸入信號(hào)電壓分別

7、為：11idiciUUU12idiciUUU3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.13.1.1典型差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路按照電路分析的電壓疊加原理對(duì)電路進(jìn)行計(jì)算，可得到差動(dòng)放大器的輸出電壓為：Uo=AudUid+AucUic 人們制定了一個(gè)指標(biāo)來衡量放大器對(duì)溫漂的抑制能力，這就是共模抑制比，其定義為：ucudCMRAAK3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.2 3.1.2 差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 差模電壓放大倍數(shù)Aud差模電壓放大倍數(shù)Aud是在差模輸入信號(hào)的作用下，輸出電壓Uod與差模輸入電壓Uid之比，即：idodudUUA3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3

8、.1.2 3.1.2 差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)2. 共模電壓放大倍數(shù)Auc共模電壓放大倍數(shù)Auc是在共模輸入信號(hào)的作用下，輸出電壓Uoc與共模輸入電壓Uic之比，即icocucUUA 3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.2 3.1.2 差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)差動(dòng)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)3.共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR是差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模電壓放大倍數(shù)Auc的絕對(duì)值之比，即：若用分貝為單位表示，則為：共模抑制比KCMR越大，表明差動(dòng)電路對(duì)溫漂的抑制能力越強(qiáng)。共模抑制能力越強(qiáng)，電路的零點(diǎn)漂移就越小。ucudCMRAAKucudCMRAAgK2013.1差動(dòng)放

9、大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式1.雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出電路的共模電壓放大倍數(shù)為：其共模抑制比為：KCMRR0icocucUUA雙端輸入 、雙端輸出3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式 2.雙端輸入、單端輸出這種工作方式的差模電壓放大倍數(shù)為：電路的共模抑制比為：besLudrRRA21單雙端輸入 、單端輸出besebesebesudCMRRrRRrRRrRAucAK)(22)1 (3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式

10、差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式理論分析和計(jì)算都證明：差動(dòng)放大器只要是雙端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)就與單管基本放大器的電壓放大器倍數(shù)相同；若為單端輸出，它的差模電壓放大倍數(shù)就是單管基本放大器電壓放大倍數(shù)的一半。所以對(duì)于后兩種工作方式，將不再分析它的差模電壓放大倍數(shù)，而只是定性給出它們的特點(diǎn)。3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式3.單端輸入、雙端輸出這種接法的特點(diǎn)是：可把單端輸入的有極性的信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端無極性的信號(hào)輸出，作為下一級(jí)的差動(dòng)輸入，適用于負(fù)載兩端任何一端不接地、而且輸出信號(hào)要求正負(fù)對(duì)稱性好的情況（如加在示波管的偏轉(zhuǎn)板上的電壓

11、）。單端輸入 、雙端輸出3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式4.單端輸入、單端輸出這種接法的特點(diǎn)是：它與單管基本放大電路相比，具有較強(qiáng)的抑制溫漂能力，而且可從兩個(gè)三極管的集電極輸出端，得到所需要的同相或反相的輸出信號(hào)。綜上所述，差動(dòng)放大電路的電壓放大倍數(shù)僅與電路的輸出形式有關(guān)。單端輸入 、單端輸出3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.33.1.3差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式差動(dòng)放大器的輸入、輸出方式表3-1 差動(dòng)放大器在四種不同接法時(shí)的主要性能和特點(diǎn)比較接法性能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AdK

12、CMR很高較高很高較高beLcrRRR)2/(beLcrRRR)/(21beLcrRRR)2/(beLcrRRR)/(213.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.43.1.4差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路1. 基本差動(dòng)放大器存在著的問題(1)由于電路的非對(duì)稱性，所以在輸出端仍然有溫漂信號(hào)輸出。(2)由于基本差動(dòng)放大器在電路設(shè)計(jì)上沒有采取穩(wěn)定Q點(diǎn)的措施，所以當(dāng)溫度變化范圍比較大時(shí)，Q點(diǎn)本身的移動(dòng)有可能使差動(dòng)放大管進(jìn)入截止區(qū)或者飽和區(qū)。(3)在實(shí)際工程中，常常需要電路輸出有極性的信號(hào)，即從一個(gè)三極管的集電極c1或者c2對(duì)地輸出信號(hào)，從前面的分析可見，這時(shí)電路的溫漂現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重，只不過是

13、比基本放大器增加了一些抑制溫漂的能力而已，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到能實(shí)際應(yīng)用的程度。3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.43.1.4差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路2. 基本差動(dòng)放大器存在問題的解決方法(1)采用恒流源式差動(dòng)放大電路恒流源式差動(dòng)放大器電路圖恒流源式差動(dòng)放大器的簡化電路圖3.1差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路3.1.43.1.4差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路差動(dòng)放大器的改進(jìn)電路(2)恒流源式差動(dòng)放大器如何抑制溫漂 輸入信號(hào)是共模信號(hào)的情況假設(shè)在電路的輸入端加上一個(gè)正的共模信號(hào)，則兩個(gè)三極管的集電極電流ic1、ic2同時(shí)增加，使流過發(fā)射極電阻的電流iE增加，于是三極管的發(fā)射極電位uE升高，這將導(dǎo)致三極管

14、的發(fā)射結(jié)電壓uBE1、uBE2降低，從而限制了ic1、ic2的增加，起到了降低共模信號(hào)放大倍數(shù)的作用。 輸入信號(hào)是差模信號(hào)的情況假如在電路的輸入端加上一個(gè)差模信號(hào)，由于兩個(gè)三極管的輸入信號(hào)幅度相等而極性相反，所以V1的集電極電流ic1增加多少，V2的集電極電流ic2就減少同樣的數(shù)量（由于電路的不完全對(duì)稱性，兩個(gè)電流會(huì)有稍微的差別），因而流過發(fā)射極電阻的電流總量基本保持不變，則發(fā)射極的電位基本上保持不變，可以認(rèn)為電路增加了恒流源后，差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù)基本不變。3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.1 3.2.1 集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)

15、指標(biāo)1.集成運(yùn)算放大器電路的組成運(yùn)算放大器是一種高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合式多級(jí)放大電路，由于它最初主要用于在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得其名。集成運(yùn)算放大器則是利用集成電路的制造工藝，將運(yùn)算放大器的所有元件都做在同一塊硅片上，然后再封裝起來。3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.1 3.2.1 集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)2. 典型集成運(yùn)放F007的分析集成運(yùn)放 F007的電路原理圖3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.1 3.2.1 集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)3.集成運(yùn)

16、放的主要技術(shù)指標(biāo)(1) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AodAod是指集成運(yùn)放在無外加反饋回路情況下的差模電壓放大倍數(shù)，即：idoodUUA3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.1 3.2.1 集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)3.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)(2) 最大輸出電壓Uop-p最大輸出電壓是指在額定的電源電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。集成運(yùn)放F007的電壓傳輸特性3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.1 3.2.1 集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器電路的組成及其技術(shù)指標(biāo)3.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)(3)差模輸入電阻rid

17、rid的大小反映了集成運(yùn)放的輸入端向信號(hào)源索取電流的大小。(4)輸出電阻ro輸出電阻ro的大小反映了集成運(yùn)放在輸出信號(hào)時(shí)的帶負(fù)載能力。(5)共模抑制比KCMRR共模抑制比反映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力。3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.23.2.2理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)1. 理想運(yùn)算放大器所謂理想運(yùn)放，就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即：(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=；(2)輸入電阻rid=；ric=；(3)共模抑制比KCMRR=；(4)輸出電阻rod=03.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.23.2.2理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)

18、2. 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)域時(shí)的特點(diǎn)集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)域：線性區(qū)和非線性區(qū)。集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，其輸出電壓與兩個(gè)輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即：)(uuAuodo3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.23.2.2理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)(1)兩個(gè)輸入端電位相等。由于運(yùn)放工作在線性區(qū)，有：理想運(yùn)放的Aod=,所以必然有： 上式表示理想運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端的電位相等，好象這兩個(gè)輸入端是短路一樣，這種現(xiàn)象稱為“虛短”。)(uuAuodouu3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.23.2.2理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)(2)理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻rid=，因此在其兩個(gè)輸入端均可以認(rèn)為沒有電流輸入，即：i+=i=0此時(shí)，集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的輸入電流都等于零，如同這兩個(gè)輸入端內(nèi)部被斷開一樣，所以將這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。3.2集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2.23.2.2理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)理想集成運(yùn)放及工作特點(diǎn)3. 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)如果集成運(yùn)放的