差分式放大电路PPT学习教案

1、会计学1 差分式放大电路差分式放大电路 集成电路集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个在半导体制造工艺的基础上，把整个 电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功 能的电子电路。能的电子电路。 绪论绪论 模拟集成电路，数字集成电路。模拟集成电路，数字集成电路。 模拟集成电路模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、运算放大器、宽频带放大器、 功率放大器、模拟乘法器、功率放大器、模拟乘法器、 模拟锁相环、模数和数模转换器、模拟锁相环、模数和数模转换器、 稳压电压集成电路等。稳压电压集成电路等。 集成电路的基片集成电路的基片一般是由一块约一般是由一块

2、约0.2-0.25mm的的P型硅片制型硅片制 成。成。 第1页/共64页 二.集成电路的特点（同分立器件电路相比）： 1.电路结构与元件参数具有对称性； 同一硅片，相同工艺元件特性相同。 2.大电阻不易集成； 硅半导体的体电阻阻值范围不大（几十欧到几十K欧）, 误差大（10%到20%)；尽量少用电阻,常用有源器件代替无源器件。 3.采用复合结构的电路采用复合结构的电路 电路中多采用复合管、共射-共基、共集-共基等组合电路。 4.级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容直接） 大电容不易集成。PN结电容几十皮法以下。 5.电路中常使用二极管电路中常使用二极管 二极管多用作温度补偿元件，常用BJT的发

3、射结构成。 第2页/共64页 6.1 集成电路运算放集成电路运算放 大器中的恒流源大器中的恒流源 镜像电流源镜像电流源 多路电流源多路电流源 电流源作有源负载电流源作有源负载 微电流源微电流源 概述概述 第3页/共64页 1. 概述概述 实现恒流源的基本思想实现恒流源的基本思想 IC恒定恒定 IB恒定恒定 VBE恒恒 定定 第4页/共64页 1. 概述概述 负载为负载为RC， ， CC b2b1 b2 B V RR R V e BEB EC R VV II 缺点：缺点：1. 受电源波动影响大；受电源波动影响大； 2. 电阻过多电阻过多 第5页/共64页 + D i D V D D 2. 镜像电

4、流源镜像电流源 恒流特性恒流特性 BE1BE2 =VV REFREF12 1 11 2 2 2 IIII I IIII CC C CBCREF E1E2 = II C1C2 = II R VV = BECC R VCC 无论无论Rc的值如何，的值如何， IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。 温度补偿特性：温度补偿特性： VBE T IC IB IC IREF IB 第6页/共64页 2. 镜像电流源镜像电流源 交流电阻交流电阻 T T o = I V R 由于由于T2的集电极电流的集电极电流 基本不变。所以交流量基本不变。所以交流量 0 T I T T o = I V R 一般一般R

5、o在几百千欧以上在几百千欧以上 电流源具有直流电阻小而交流电流源具有直流电阻小而交流 电阻很大的特点。电阻很大的特点。 第7页/共64页 精度更高的镜像电流源精度更高的镜像电流源（不够大时不够大时 ） 由于增加了由于增加了T3，使使IC2更更 加接近加接近IREF（ （如何证明）如何证明） 缺点：缺点： 1. 受电源波动影响大受电源波动影响大 ； 2.电流最低至电流最低至mA级级 。 IC2=IC1=IREF-IB =IREF-IE3/(+1) REF REF C C REF B I I I I I I I ) 1( 1 1 ) 1( 2 1 2 2 22 REF 如10 IC2=0.982

6、IREF 增加电阻Re3 目的是使IE3增大 。 R IC2 VCC T3 T 2 T 1 R e 3 IC1 IREF IB 第8页/共64页 3. 微电流源微电流源 e2 BE2BE1 R VV E2C2 II e2 BE R V 由于由于很小很小 ， BE V 所以所以IC2也很小也很小 第9页/共64页 3. 微电流源微电流源 2C 2C 1C e T I I I Ln R V iC1=ICSexp(vBE1VT)； iC2=ICSexp(vBE2VT) VT=26mV；IC1 mA级；IC2 uA级；Re千欧级 优点：受电源波动影响小；优点：受电源波动影响小； e2C1BE2BE 2

7、C 1C T RIVV I I LnV 公式推导公式推导 1 1 1 ln cS C TBE I I VV 2 2 2 ln cS C TBE I I VV 第10页/共64页 3. 微电流源微电流源-稳定性讨论稳定性讨论 e2C1BE2BE 2C 1C T RIVV I I LnV )VRIexp(II Te2c2C1C 对上式微分，可得对上式微分，可得 2cTe2C T 2ce 2CTe2C1C dI)VRIexp( V IR dI)VRIexp(dI ) I I Ln1 ( I dI ) V RI 1 ( I dI I dI 2C 1C 2C 2C T e2c 2C 2C 1C 1C 1

8、. 输出电流稳定性比参考电流稳定性要好的多； 2. IC1越大，IC2越小，则其稳定性越好。 第11页/共64页 4.多路电流源多路电流源 I C T IB R IREF VCC T0 Re T1 IC1IC2IC3 Re 1 Re 2 Re 3 T2T3 组成组成 公式推导公式推导 IC=IREF - IB/ 当当较大时较大时IC=IREF 由于各管的， VBE相同，则相同，则 IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3 IC2IE2=IREFRE/RE2 IC3IE3=IREFRE/RE3 所以所以IC1IE1=IREFRE/RE1 第12页/共64页 5. 电流源作有

9、源负载电流源作有源负载 i o V = V V A 共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为： be Lc )/( r RR 对于此电路对于此电路Rc就是就是 镜像电流源的交流电阻镜像电流源的交流电阻 ， 因此增益为因此增益为 be L V = r R A 比用电阻比用电阻Rc作负载时提高了。作负载时提高了。 放大管放大管 镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源 第13页/共64页 6.2 差分式放大电路差分式放大电路 电路组态电路组态 6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 6.2.2 FET差分式放大电路差分式放大电路 6.2.3 差分式放大电路的传输特性

10、差分式放大电路的传输特性 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较 改进电路改进电路 第14页/共64页 电容耦合：隔离各级的静态工作点。 直接耦合：各级的静态工作点相互影响。 一一 电路的耦合方式电路的耦合方式 基础概念基础概念 第15页/共64页 1.定义：输入为零时，输出还有缓慢变化的电压产生 ， 即输出电压偏离原来起始点而上下波动。 2.原因：温度变化，电源电压波动等内部原因。 3.影响：静态工作点，与被放大信号混淆，被后级传 播恶化。 4.等效表示：vi=vo/ /AV 折合到输入端，便于输入信号比较。 二、零点漂移零点漂移 第16页/共64页 图图1.b 三三.

11、零漂的克零漂的克 服服 由稳定静态工作点电路，考虑到直接耦合的情况得到图1（a）。 图图1.a 如果存在一个产生零点漂移的信号源，从输出信 号中扣除掉，就可以克服零点漂移,图1（b）。 。 第17页/共64页 图图1.c 差分式放大电路差分式放大电路 第18页/共64页 四四. 定性分定性分 析析 1.当vi 1=vi 2时，输出vo=vo1-vo2=0; 2.当vi 1=-v i 2时，输出vo=vo 1- vo2=2vo1; i2i1id =vvv 差模信号差模信号 )( 2 1 = i2i1ic vvv 共模信号共模信号 id o VD = v v A 差模电压增益差模电压增益 ic o

12、 VC = v v A 共模电压增益共模电压增益 总输出电压总输出电压 icVCidVDooo =vAvAvvv 差动特性差动特性 3. vi 1vi 2, vo=?。 第19页/共64页 共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标 概念概念 根据根据1、2两式又有两式又有 i2i1id =vvv 差模信号差模信号 )( 2 1 = i2i1ic vvv 共模信号共模信号 id o VD = v v A 差模电压增益差模电压增益 ic o VC = v v A 共模电压增益共模电压增益 2 = id ici1 v vv 2 = id ici2 v vv 总输出电压总输出电

13、压 icVCidVDooo =vAvAvvv 差模信号输出差模信号输出 共模信号输出共模信号输出 VC VD CMR = A A K 第20页/共64页 考虑到要减轻射极电阻 对放大倍数的影响 当vi 1=-vi 2时，ie1=-ie2 让两管共用一个射极电阻， 可以保证两管射极交流接地; 图图1.d差分放大差分放大 器器 差分式放大电路的改进差分式放大电路的改进 第21页/共64页 理想电流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点 。 恒流源的作用：1.提供放大电路的偏置电流； 2.替代交流大电阻；（提高共模抑制比 ） 带恒流源的差分放大器带恒流源的差分放大器 第22页/共64页 6.2.

14、1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 1. 差分式放大电路的组差分式放大电路的组 态态 A 双入、双出双入、双出 B 双入、单出双入、单出 C 单入、双出单入、双出 D 单入、单出单入、单出 基于不同的应用场合，有基于不同的应用场合，有双、双、单端输入和单端输入和双、双、单端输出的情况单端输出的情况 。 所谓所谓“单端单端”指一端接地。指一端接地。 “单端单端”的情况，还具有共模抑制能力吗？的情况，还具有共模抑制能力吗？ 如何进一步改进呢？如何进一步改进呢？ 第23页/共64页 动态动态输入差模信号；输入共模信号；输入差模信号；输入共模信号； 2. 各组态电路的性能参数各组态电路的性能参数

15、 静态静态 动态性能指标动态性能指标 ： 共模抑制比共模抑制比 差模电压增益差模电压增益 共模电压增益共模电压增益 差模输入电阻差模输入电阻 共模输入电阻共模输入电阻 差模输出电阻差模输出电阻 共模输出电阻共模输出电阻 第24页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 A 双入、双出双入、双出 静态静态 IE1=IE2=(VEEVBE)2RE ； VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IE Vo=0； 第25页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 差模电压增益差模电压增益 be Lc 1 1 2i1 21 id 0 VD ) 2 1 /( 2 2 vv v = r RR

16、v v v vv A i o i oo 以双倍的元器件换以双倍的元器件换 取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 动态动态 仅输入差模信号；仅输入差模信号； R Rid=2rbe; R Rod=2RC 第26页/共64页 共模电压增益共模电压增益 共模信号的输入使两管集电共模信号的输入使两管集电 极电压有相同的变化。极电压有相同的变化。 所以所以0 oc2oc1oc vvv 0 ic oc VC v v A 共模增益共模增益 仅输入共模信号：仅输入共模信号： R Roc=2RC Re2)1 ( 2 1 R beic r （3）共模抑制比）共模抑制比 VC VD CMR A A K dB lg20 V

17、C VD CMR A A K 双端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMR K 共模电压增益越小，放大电路的性能越好。共模电压增益越小，放大电路的性能越好。 第27页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 静态静态 IE=(VEEVBE)2RE ； VCE=Vo+VEEREIE B 双入、单出双入、单出 - 第28页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 差模电压增益差模电压增益 be Lc VD r2 )R/R( =A 双端输出的一半双端输出的一半 动态动态 仅输入差模信号；仅输入差模信号； R Rid=2rbe; R Rod=RC 第29页/共64页 共模电压增益共模电压增益

18、共模增益共模增益 仅输入共模信号：仅输入共模信号： R Roc oc=R =RC C Re2)1 ( 2 1 R beic r Voc=ICRL; Vic=IBrbe+(1+)2Re; VC A o Lc 2 / r RR 第30页/共64页 （3）共模抑制比）共模抑制比 VC VD CMR A A K be o )1( r r r R be E 第31页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 静态静态 C 单入、双出单入、双出 与双入双出的一样与双入双出的一样 IE1=IE2=(VEEVBE)2RE ； VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IE Vo=0； 第32页/共64

19、页 3. 主要指标计主要指标计 算算 动态动态 运用叠加定理： 共模输入信号共模输入信号 增加了增加了Re差模输入信号差模输入信号 与双入双出的一样 第33页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 静态静态 与双入单出的一样与双入单出的一样 D 单入、单出单入、单出 IE=(VEEVBE)2RE ； VCE=Vo+VEEREIE Vo=VCCRL(RC+RL)ICRLRC(RC+RL)； 第34页/共64页 3. 主要指标计主要指标计 算算 动态动态 可转化为双入单出的情况； 第35页/共64页 VD A 4. 几种方式指标比较几种方式指标比较 VC A CMR K be Lc ) 2

20、1 /( r RR be Lc 2 )/( r RR be Lc ) 2 1 /( r RR be Lc 2 )/( r RR 0 o Lc 2 / r RR 0 o Lc 2 / r RR be o r r be o r r 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出 双端输入双端输入 单端输入单端输入 第36页/共64页 id R ic R o R 4. 几种方式指标比较几种方式指标比较 输出方式输出方式 双出双出单出单出双出双出单出单出 be 2r be 2r 2)1( 2 1 obe rr 2)1( 2 1 obe rr c 2R c R c 2R c R 第37页/共64页 重

21、要结论重要结论 在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上， 可以知道：要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比， 两个关键因素是： 电路对称性； 共射极电阻。 第38页/共64页 6.2.2 FET差分式放大电路 1.电路图电路图 （单入单出（单入单出 ） 分析方法相同 但输入电阻很大，JEFT 1012欧姆欧姆 MOS 1015欧姆欧姆 T2 Rg1 vid T1 Rd1Rd2 VDD -VEE Rg2 Vo2 I0 iD1iD2 第39页/共64页 2.电路图分析电路图分析 T2 +vDD -vss vi1 vi2 vGS 3 vGS 4 voD 1 voD 2 vGS 1 vGS 2 T3

22、 T1 T4 iD3iD4 iD1iD2 IRE F TREF T5 T6 T7 ID5 ID6 I0 vGS 7 vGS 6 vGS 5 vGS R (1)电路结构电路结构 双入双出差分式放大电路双入双出差分式放大电路 耗尽型耗尽型NMOSFET对管对管T1、 、 T2 有源负载有源负载 增强型增强型NMOSFET对管对管T3 T4 偏置电路偏置电路 TREF、T5、T6 T7组成。组成。 （2）工作原理）工作原理 电路的基准电流电路的基准电流IREF ID5 ID6 I0 静态分析静态分析 ID1 ID2 I0/2 输出电压输出电压 vo voD1- voD2 0 动态分析动态分析 vo

23、voD1- voD2 差模电压增益差模电压增益 AVD vo / vid -2 gm (rds1/ rds3). 第40页/共64页 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 vO=RL(iC2iC1),其中RL=RC0.5RL ； iC1=ICSexp(vBE1VT)； iC2=ICSexp(vBE2VT) I0=iC2+ +iC1 ) V v exp(1 I i ) V v exp(1 I i T id 0 2C T id 0 1C ) V2 v (thIR ) V v exp(1 ) V v exp(1 IRv T id 0 L T id T id 0 LO 第41页

24、/共64页 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 )( idC1 vfi )( idC2 vfi 图中纵坐标为图中纵坐标为 0C1 / Ii 第42页/共64页 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 ) V2 v (thIRv T id 0 LO 第43页/共64页 en d 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 传输特性曲线区域的划分： Tid V2v T id 0 LO V2 v IRv be L VD r R A Tid Vv 被视为线性区； TidT V4vV被视为非线性区； idT vV4被视为饱和区； 由于输出

25、有两个稳定状态，可用于数字逻辑，称为ECL电路 . 第44页/共64页 6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器 6.3.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器 第45页/共64页 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器 组成组成 第46页/共64页 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器 分析：图分析：图6.3.2.6.3.2.a a 1. 1.该运放的输入级、中间级和输出级分别由哪几个管子 组成，各级分别为什么组态，为什么？ 2. 2.T7、T8和和D、T T9 9

26、各组成什么电路，起什么作用？各组成什么电路，起什么作用？ 3.3.T5、T6和和R5 5 在此有什么作用？在此有什么作用？ 4.4.各级的各级的Q Q点如何确定？点如何确定？ 第47页/共64页 1. T1 T2 双入单出差分式放大电路为输入级。双入单出差分式放大电路为输入级。 2. T3和和T4组成复合管组成复合管 共射极放大电路。共射极放大电路。 3. T5和T6组成电压组成电压 跟随器作为输出级。跟随器作为输出级。 4. T7和和T8和和R2为为 偏置电路偏置电路 5. R7 、D、T T9 9 组成电流源电路以提高组成电流源电路以提高T5 的电压跟随能力。 的电压跟随能力。 第48页/

27、共64页 集成运放的特点：集成运放的特点： 电压增益高电压增益高 输入电阻大输入电阻大 输出电阻小输出电阻小 N为反相输入端为反相输入端 P为同相输入端为同相输入端 O为输出端。为输出端。 第49页/共64页 T5T6 RC3 RE 2 R L RC4 RE 3 T7 T9 T8 T4 R2 R1 T3 R3 RC1 T1 RC2 T2 - + RE 4 RE 5 T11 T10 +UC C -UEE 集成运放内部结构（举例集成运放内部结构（举例 ） 第第1级：差动放大器级：差动放大器 第第2级：差动放大器级：差动放大器 第第3级：单管放大器级：单管放大器 第第4级：互补对称射极跟随器级：互补

28、对称射极跟随器 极性判极性判 断断 第50页/共64页 6.3.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器 第51页/共64页 en d 简化电路简化电路 第52页/共64页 6.4 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数 参数的分类：参数的分类： 1. 输入误差信号输入误差信号 1）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到 输入端的数值。输入端的数值。反映了输入级不对称的程度。反映了输入级不对称的程度。 2)两个概念：两个概念： 失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时 ， 输出不为零的现象。输出不为零的现象。一般用调零装置来补偿。一般用调零装置来补偿。 第53页/共64页 6.4 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数 3）参数：）参数：输入失调电压输入失调电压VIO