第三、四章差动放大电路、集成运放

1,第3讲,3.2 差动放大器,第3章 基本放大电路,4.1 概述4.2 集成运放的开环和闭环,第4章集成运算放大器,3.2 差动放大电路,3.2.1直接耦合放大电路3.2.2 基本型差动放大器3.2.3 双电源长尾式差动放大器3.2.4 恒流源式差动放大器3.2.5 差动电路的几种接法,第3章 基本放大电路,3.2.1直接耦合电路,因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。,对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。,能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。,建立静态工作点,零漂和温漂概念,零点漂移：输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象温度漂移：由于温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因。,抑制温度漂移的方法,在电路引入直流负反馈电阻RE。采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分放大电路”,2.零点漂移:前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（须增加两级之间的直流负反馈）,直接耦合放大器的级联,差分放大电路的组成,3.3.2基本型差动放大器,uo= uC1 - uC2,uC1,uC2,2.优点：抑制温漂 原理如下:,uo= uC1 - uC2 = 0,uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0,当ui1 = ui2 = 0 时，,当温度变化时：,对称性,uC1 = uC2, uC1 = uC2,3.共模电压放大倍数AC,当ui1 = ui2（大小相等，极性相同），共模输入信号,设ui1 ， ui2 ，使uC1 ， uC2 。因ui1 = ui2， uC1 = uC2 uo= 0 (理想化)。但因两侧不完全对称， uo 0,（很小，1),5.共模抑制比(CMRR)的定义,例: Ad=-200 Ac=0.1 CMRR=20 log (-200)/0.1 =66 db,CMRR Common Mode Rejection Ratio,1.结构:,3.3.3 双电源长尾式差放,特点：加入射极电阻RE加入负电源- UEE ，采用正负双电源供电,静态分析：u11=u12=0,长尾式差分放大电路,2.双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用,双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0,双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用,射极电阻RE的作用：,T C,（1）直流负反馈，稳定静态工作点,射极电阻RE的作用：,（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）（3） RE对差模信号相当于短路,ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不变,结论：IE具有恒流特性,用恒流源代替RE ，可使电路进一步改善,放大倍数,(1)共模信号输入 ui1 = ui2,(2)差模信号输入ui1 =- ui2,uo= uC1 - uC2,对差模信号的放大作用,电压传输特性,放大倍数,(3) 如果ui1 ui2,uC + ud,uC - ud,结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存,放大倍数,uC + ud,uC - ud,只考虑共模输入时: uoC= ACuC,只考虑差模输入时: uod= Ad(2ud),总输出: uo= Ad (ui1 - ui2),反相输入端u-,同相输入端u_+,放大倍数,单端输入: 当 ui2=0时,双端输入,uo= Ad ui1,3.3.4 恒流源式差放电路,电路结构:,电路特点：IC3具有恒流特性,抑制温漂的原理,结论：IC3保持恒流，对共模信号抑制，对差模信号相当于短路,加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）,IE4(UCC+UEE- UBE4)/ (R1+R2) 恒定,结论:T4稳定IE3,图3.3.15 场效应管差分放大电路为获得高输入电阻的差分放大电路，这种电路特别适合于做直接耦合多级放大电路的输入。,例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10 k欧姆,RL= 5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2 k欧姆,(1)为使T1管和T2管的发射级静态电流均为0.5mA,Re的取值应为多少？T1和T2管的压降UCEQ为多少？,例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10 k欧姆,RL= 5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2 k欧姆,（2）计算Au,Ri和Ro的数值,恒流源相当于阻值很大的电阻。,恒流源不影响差模放大倍数。,恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。,恒流源的作用,单端输出 , 至下一级,双端输出双端输入,如单端输出,此RC2可去消,3.2.5 差放电路的几种接法,接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。,双端输入单端输出,例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10 k欧姆,RL= 5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2 k欧姆,（3）若将电路改成单端输出，用直流表测得输出电压uo=3V，试问输入电压ui为多少？设IEQ=0.5mA,且共模输出电压可忽略不计.,双端输入单端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,射极耦合电路,单端输入单端输出,四种差分放大电路比较,输入电阻双端输出单端输出单端输入,3.3.3直接耦合互补输出级使输入电压为零时输出电压为零必须使|ui|Uon,输出电压随着ui的才变化，选用合适的静态工作点使其在静态时处于临界导通。,为消除交越失真，在集成电路采用。UBE倍增电路,直接耦合多级放大电路用差分放大电路做输入级，可以减小整个电路的温漂，增大共模抑制比。对于输出级，一般采用OCL电路，使输出电阻小，带负载能力强。采用共射放大电路做中间级，得到高电压放大倍数。,第4章 集成运算放大器,4.1 概述4.2 集成运放的开环和闭环,4.1 集成运算放大器概述,结构,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,采用专门的制造工艺，将各元件及他们的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。特点：一、硅片上不容易制造大电容，所以采用直接耦合的方式。二、相邻元件具有良好的对称性，采用大量差分放大电路和恒流源电路。三、允许采用复杂的电路形式。四、不宜制做高阻值电阻，常用有源元件取代电阻。五、晶体管和场效应管采用复合方式。,IC=IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,为减小IB, 提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管,= IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,集成运放内部结构（举例）,第1级：差动放大器,第2级：差动放大器,第3级：单管放大器,第4级：互补对称射极跟随器,极性判断,集成运算放大器符号,反相输入端 u,同相输入端 u+,输出端 uo,国际符号：,国内符号：,集成运放电路的组成及其各部分的作用,一、输入级：输入电阻比较高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强。二、中间级：采用共射（共源）放大电路，采用复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。三、输出级：输出电压线性范围广、输出电阻小、非线性失真小，多采用互补对称输出电路。四、偏置电路：用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点，采用电流源电路设置静态工作电流。,集成运放的电压传输特性,同相和反相是指输入和输出电压之间的相位关系，集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好抑制温漂的差动放大电路。,差模开环放大倍数,集成运算放大器的技术指标,(1) 开环差模电压放大倍数(开环增益)大 Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍;(2) 共模抑制比高 CMRR=100db以上;(3) 输入电阻大 ri1M, 有的可达100M以上;(4) 输出电阻小 ro =几-几十,理想运放：,4.1 集成运算放大器的分析方法 理想化,Ao = CMRR= ri = ro = 0,uo =Ao (u+ u) Ao u+ u0u+ u,u+ =u ib-= ib+ =0,ri ib- 0 ib+ 0,集成运算放大器的分析方法,输出电压变化范围:最大+UCC -UEE,集成运算放大器的分析方法:放大倍数与负载无关，,因为ro = 0所以放大倍数与负载无关，放大倍数可以独立计算。,运放线性运用,在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。,集成运放中的电流源电路,一、镜相电流源,作用：为各级提供静态电流，作为有源电阻取代负载，提高放大倍数,比例电流源,改变了IC1和IR的关系,微电流源,将RE0的阻值减小到零，RE很大，可以计算出,改进型号电流源电路,加射极输出器的电流源利用T2管的电流放大作用，减小IB0和IB1对IR的分流,威尔逊电流源,IC2=IR，不受 影响,多路电流源电路,利用基准电流去获得多个不同的输出电流,图4.2.7 多集电极管构成的多路电流源,集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。,W/L=S，沟道的宽长比。,例4.2.1,以电流源为有源负载的放大电路,有源负载共射放大电路,集电极的动态电流几乎全部流向负载，提高Au,有源负载差分放大电路,将T1管的集电极电流变化转换成输出电流，使所有变化电流流向负载,4.3集成运放电路简介,偏置电路：电流源部分（镜相、比例、微电流源电路）输入级：差分放大电路中间级：共射放大电路输出级：互补式电压跟随电路。,集成运放的性能指标及低频等效电路,主要性能指标（1）开环差模增益Aod,(2)共模抑制比KCMR,（3）差模输入电阻rid,越大越好（4）输入失调电压UIO及其温漂DUio/DT,(6)输入偏置电流IIB,是输入级差放管的基极（栅极）偏置电流的平均值。（7）最大共模输入电压Uicmax(8)最大差模输入电压Uidmax(9)-3dB带宽fH:是指使Aod下降3dB(即下降到约0.707倍）时的信号频率（10）单位增益带宽fc:使Aod下降到0分贝 时的信号频率。（11）转换速率SR：SR=|duo/dt|max，表示集成运放对信号变化的适应能力理想化：Aod,KCMR,rid,fH均为无穷大，其余参数为0。,图4.4.1 集成运放低频等效电路,从输入端看进去，等效为一个电压uI控制的电压源AoduI,内阻为ro,理想：ro=0,集成运放的种类,供电方式：正、负电源对称型和不对称型供电。集成度：单运放、双运放和四运放制造工艺：双极性，CMOS型和BiFET型号。,工作原理1电压放大型2电流放大型3跨导型。4互阻型,按可控性分类：1.可变增益运放：一类是电压控制增益的放大电路，另一类是利用数字编码信号来控制开环差模增益。2.选通控制运放3.按性能指标分类通用型和特殊型1.高阻型rid109欧2.高速型几千伏/微秒3.高精度型，低失调、低温漂、低噪声、高增益4.低功耗型：静态功耗低、工作电源电压低。,运放