第4章放大器基础(2)

1、第第 4 章放大器基础章放大器基础 概述概述 4.1放大器的基本概念放大器的基本概念 4.2基本放大器基本放大器 4.3差分放大器差分放大器 4.4电流源电路及其应用电流源电路及其应用 4.6放大器的频率响应放大器的频率响应 4.5多级放大器多级放大器 零点漂移：零点漂移：指指 vi = 0 时，输出端静态电压的波动。时，输出端静态电压的波动。 输入级采用低温漂的差分放大器。输入级采用低温漂的差分放大器。 解决方法：解决方法： 则第一级则第一级 Q 点点变变 (VCEQ1 + V)， 温度漂移：温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称因温度变化引起的漂移，简称温漂。温漂。 温漂危害温漂危害 ： 若

2、温度变若温度变 淹没有用信号。淹没有用信号。 例如：例如：假设假设放大器原输出端静态电压为放大器原输出端静态电压为 VCEQn， V 经后级逐级放大经后级逐级放大 输出静态电压变为输出静态电压变为 (VCEQn + Av总 总 V) 当漂移严重即当漂移严重即 V 较大时，温漂信号有可能淹没有用信号较大时，温漂信号有可能淹没有用信号 ，使电路丧失对有用信号的放大能力。，使电路丧失对有用信号的放大能力。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 q 零点漂移问题零点漂移问题 4.3差分放大器差分放大器 差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集 成电路的输入

3、级，是另一类基本放大器。成电路的输入级，是另一类基本放大器。 4.3.1电路结构电路结构 由两完全对称的共源电路，经源极电阻由两完全对称的共源电路，经源极电阻 RSS 耦合而成。耦合而成。 采用正负双电源供电：采用正负双电源供电：VDD = | |VSS| |。 具有两种输出方式：双端输出具有两种输出方式：双端输出( (图图a)a)、单端输出、单端输出( (图图 b)b)。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 由于电路对称，则由于电路对称，则 估算电路估算电路 Q 点点 令令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。画出电路直流通路。 DQ1DQ2DQ DQ1DQ2DDDQD OQDQ1

4、DQ2 2 -, 0 SS I III VVVIR VVV ， SQSSGSQ SSDQ SSSS DQ GSQGS(th) nox 2=, 2 SS VVVV II RR Il VV C W IDQ通过下式获得：通过下式获得： 第第 4 章放大器基础章放大器基础 （考虑（考虑RL开路的情况）开路的情况） （饱和区）（饱和区） q 差模信号差模信号和共模信号和共模信号 4.3.2电路性能特点电路性能特点 差模信号：指大小相等、极性相反的信号。差模信号：指大小相等、极性相反的信号。 表示为表示为 vid1 = vid2 = vid / 2 差模输入电压差模输入电压vid = vid1 vid2

5、共模信号：指大小相等、极性相同的信号。共模信号：指大小相等、极性相同的信号。 表示为表示为 vic1 = vic2 = vic 共模输入电压共模输入电压 vic = (vic1 + vic2 ) / 2 任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号 之代数和。之代数和。 v i1 = vic+ vid / 2 vi2 = vic vid / 2 即即 第第 4 章放大器基础章放大器基础 差分放大器的性能包括差模和共模性能。差分放大器的性能包括差模和共模性能。 例：例：vi1=vi, vi2=0分解为：分解为： vi1=vi/2+vi/2, vi2

6、=vi/2-vi/2 q 差放半边电路分析法差放半边电路分析法 因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是 如何在差模输入与共模输入时，分别画出如何在差模输入与共模输入时，分别画出半边电路交流半边电路交流 通路通路。在此基础上分析电路各项性能指标。在此基础上分析电路各项性能指标。 分析步骤：分析步骤： 差模分析差模分析 画半边电路差模交流通路画半边电路差模交流通路 计算计算 Avd、Rid、Rod 。 共模分析共模分析 画半边电路共模交流通路画半边电路共模交流通路 计算计算 Avc、KCMR、Ric 、Roc 。 根据需要计算输出电压根据需要计算输

7、出电压 双端输出：双端输出： 计算计算 vo 。 单端输出：单端输出： 计算计算 vo1 、 vo2 。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 q 差模性能分析差模性能分析 双端输出电路双端输出电路 RSS 对差模视为短路。对差模视为短路。 iD2 = IDQ - - id iD1 = IDQ + id 因因 i SS= iD1 + iD2 = 2IDQ( (不变不变) )故故 RL 中点视为交流地电位，中点视为交流地电位， 即每管负载为即每管负载为 RL / 2 。 直流电源短路接地。直流电源短路接地。 1) )半边差模交流通路半边差模交流通路 注意：注意：关键在于对公共器件的处理。关键在于对

8、公共器件的处理。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 半边差模交流通路半边差模交流通路 2) )差模性能指标分析差模性能指标分析 id id id v R i 差模输入电阻差模输入电阻 i1 2R 差模输出电阻差模输出电阻 odo1D 22RRR 差模电压增益差模电压增益 id od d v v Av id2id1 od2od1 vv vv id1 od1 2 2 v v 1v A L D / / 2 m R g R 注意：注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到 提高。提高。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 (Av1为半边电路的电压增益为半边

9、电路的电压增益) （两输入端串联）（两输入端串联） （两输出端串联）（两输出端串联） 单端输出电路单端输出电路 与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。的处理上。 id R i1 2R 不变不变 od1o1D RRR id od1 d1 v v Av id1 od1 2v v 2 1v A mDL 1 / / 2 g RR 减小减小 减小减小d2v A 第第 4 章放大器基础章放大器基础 半边电路差模交流通路半边电路差模交流通路 注：注：Avd2对应对应RL接在接在T2的的D D极，输出为极，输出为vod2的情况。的情况。 q 共模性能分析共模性能分析 双

10、端输出电路双端输出电路 每管源极接每管源极接 2RSS。 iD2 = IDQ + id iD1 = IDQ + id 因因 iSS = iD1 + iD2 = 2IDQ+ 2id则则 RL 对共模视为开路。对共模视为开路。 直流电源短路接地。直流电源短路接地。 1) )半边共模交流通路半边共模交流通路 因此因此 RSS 上的共模电压：上的共模电压：2iD RSS 因此流过因此流过 RL 的共模电流为的共模电流为 0。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 半边共模交流通路半边共模交流通路 2) )共模性能指标分析共模性能指标分析 ic R 共模输入电阻共模输入电阻 1i R 共模输出电阻共模输出

11、电阻 共模电压增益共模电压增益 oc ic vc v A v ic oc2oc1 v vv 0 电路特点电路特点 双出无意义双出无意义 双端输出电路利用对称性抑制共模信号。双端输出电路利用对称性抑制共模信号。 利用对称性抑制共模信号利用对称性抑制共模信号( (温漂温漂) )原理：原理： DQ1DQ2 TII ODQ1DQ2 ()0VVV DQ1DQ2 VV 第第 4 章放大器基础章放大器基础 ici1 1 2 RR 半边共模交流通路半边共模交流通路 （单端输入）（单端输入） （双端并联输入）（双端并联输入） 单端输出电路单端输出电路 与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对

12、 RL 的处理上。的处理上。 ic R 1i R oc1o1D RRR oc1 c1 ic v v A v 1v A mDL mSS / / 12 g RR g R c2v A 第第 4 章放大器基础章放大器基础 半边共模交流通路半边共模交流通路 （单端输入）（单端输入） 单端输出电路特点单端输出电路特点 单端输出电路利用单端输出电路利用 RSS 的负反的负反 馈作用抑制共模信号。馈作用抑制共模信号。 利用利用 RSS 抑制共模信号（温漂）原理：抑制共模信号（温漂）原理： DQ TI SQ V GSQGQSQ ()VVV DQ I 一般射极电阻一般射极电阻 RSS 取值较大取值较大 DL c1

13、 SS / / 2 v RR A R 因此因此很小。很小。 结论结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。差模信号、抑制共模信号的能力。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 差放性能指标归纳总结差放性能指标归纳总结 Rod 仅与电路输出方式有关。仅与电路输出方式有关。 Avd 仅与电路输出方式有关。仅与电路输出方式有关。 Avc仅与电路输出方式有关。仅与电路输出方式有关。 id R 双端输出双端输出2， odD RR单端输出单端输出 od1D RR 双端输出双端输出 2 L dD / / vm R Ag R 单端输出单

14、端输出 1 2 d 1d 2mDL / / vv AAgRR 双端输出双端输出0 ic oc v v Avc 单端输出单端输出 oc1 c1c2 ic vv v AA v 2 DL SS / /RR R 第第 4 章放大器基础章放大器基础 q 共模抑制比共模抑制比 KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力 的一项重要指标，其值越大越好。的一项重要指标，其值越大越好。 定义定义 c d CMR v v A A K c d CMR v v A A K 双端输出电路双端输出电路 单端输出电路单端输出电路 c1 d1 CMR v v A A K mSS g

15、 R 提高提高 ISS( (即增大即增大 gm) )、增大、增大 RSS提高提高 KCMR 第第 4 章放大器基础章放大器基础 增大增大 RSS会引起会引起 I ISS SS的减小 的减小用恒流源取用恒流源取 代代R RSS SS(P196 (P196图图 4-3-6)4-3-6) 双端输出时双端输出时 单端输出时单端输出时 q 任意输入时，输出信号的计算任意输入时，输出信号的计算 idd2o1oo vAvvv v i2i1id vvv 其中其中 idd1icc1od1oc11o vAvAvvv vv idd2icc2od2oc22o vAvAvvv vv 其中其中 i2i1id vvv 2

16、i2i1 ic vv v L dmD / / 2 v R Ag R d1d2mDL 1 / / 2 vv AAg RR c2c1vv AA DL SS / / 2 RR R 第第 4 章放大器基础章放大器基础 P197例例4-3-3： 解：解：( (1) ) Q 点及参数计算点及参数计算 DQ1DQ2SS / 21mAIII ( (3) ) Avd 1、Avc1、A Av vd2 d2、 、A Av vc2 c2 d1d2mDL 11 / /1.25 22 vv AAg RR D c2c2 SS 0.05 2 vv R AA R idi1i2 20sin mVvvvt ici1i2 ()/ 2

17、10sin mVvvvt （4）vo1、vo2 o1c1 icd1 id 1.25 200.05 1025.5sin (mV) vv vA vA vt 第第 4 章放大器基础章放大器基础 nox mm1m2DQ 21mS 2 C W gggI l ( (2) )vid 、vic o2c2 icd2 id 24.5sin (mV) vv vA vA vt 1）电路结构）电路结构 由两完全对称的共发电路，经射极电阻由两完全对称的共发电路，经射极电阻 REE 耦合而成。耦合而成。 T1 + - - + - - VCC REE vi1 vo VEE + - - vi2 RCRC T2 RL T1 +

18、- - + - - VCC REE vi1 vo VEE + - - vi2 RCRC T2 RL 采用正负双电源供电：采用正负双电源供电：VCC = | |VEE| |。 具有两种输出方式：双端输出、单端输出。具有两种输出方式：双端输出、单端输出。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 q 双极型管差分放大器双极型管差分放大器 2 2）差放性能指标归纳总结）差放性能指标归纳总结 Rid 与电路输出方式无关。与电路输出方式无关。 Rod 与电路输出方式有关。与电路输出方式有关。 Avd 与电路输出方式有关。与电路输出方式有关。 Avc与电路输出方式有关。与电路输出方式有关。 1 22 idbei

19、 RRr 双端输出双端输出， 22 C1ood RRR 单端输出单端输出 C1ood1 RRR 双端输出双端输出 CL d be 1 / / 2 v RR A r 单端输出单端输出 CL d1d2 be / / 2 vv RR AA r 双端输出双端输出0 ic oc v v Avc单端输出单端输出 CL c1c2 EE / / 2 vv RR AA R 第第 4 章放大器基础章放大器基础 KCMR与电路输出方式有关。与电路输出方式有关。 双端输出双端输出 CM R K 单端输出单端输出 CMRmEE Kg R 存在的问题：存在的问题： q恒流源偏置（长尾）的差分放大器恒流源偏置（长尾）的差分

20、放大器 REE 单端输出单端输出KCMR 基本不变（因基本不变（因gm=ICQ/VT） IEE Q 点降低点降低 输出动态范围输出动态范围 T1 VCC vi1 vo VEE vi2 RCRC T2 R1 R2R3 T3 3 3BE(on)EE 21 2 EE )( R VV RR R I 2 idbe Rr Cod2 RR 2 C d2 be v R A r 2 22 CC c EEo3 v RR A RR 3 1 3 o3ce3 3be312 () / / R Rr RrRR 其中其中 2/ EE2CQ1CQ III CMRmo3 Kg R很大很大 第第 4 章放大器基础章放大器基础 4.

21、3.3电路两边不对称对性能的影响（定性）电路两边不对称对性能的影响（定性） 实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：实际差分放大器，电路不可能做到完全对称： q 双端输出时的双端输出时的 KCMR 电阻电阻RD或或 RC 不相等不相等 或或 T1、T2 两管特性不对称两管特性不对称 例如例如 产生运算误差产生运算误差 理想情况理想情况 od2od1 vv 实际情况实际情况 2/ d)o(dc)o(dod1 vvv 2/ d)o(dc)o(dod2 vvv oc2oc1 vv cdCMR / vv AAK 2/ d)o(cc)o(coc1 vvv 2/ d)o(cc)o(coc2 vvv 由于由

22、于 od1oc11o vvv od2oc22o vvv icd)c(idd)d(d)c(od)d(o2o1oo vAvAvvvvv vv 则则 d)c(d)d(CMR / vv AAK 因此因此 第第 4 章放大器基础章放大器基础 由两管参数和由两管参数和RD、RC不对称引起失调。不对称引起失调。 q 失调及其温漂失调及其温漂 输入失调电压输入失调电压 VIO T1 T2 实际差放实际差放 + - - VO 0零输入时零输入时 等效为等效为 理想差放理想差放 + - - VO VIO + - - 从等效的观点看：从等效的观点看： VIO 就是使就是使 VO = 0 时，在实际差放输入端所加的补

23、偿电压。时，在实际差放输入端所加的补偿电压。 dOIO / v AVV 失调电压失调电压 VIO 产生原因：产生原因： 第第 4 章放大器基础章放大器基础 两管两管 不等，造成不等，造成 ICQ1 ICQ2 输入失调电流输入失调电流 IIO（对对MOSMOS管差放可忽略管差放可忽略） 从等效的观点看：从等效的观点看： IIO 就是使就是使 ICQ1 = ICQ2 时，在实际差放输入端所加的时，在实际差放输入端所加的 补偿电流。补偿电流。 BQ2BQ1IO III 失调电流失调电流 双极型管差放双极型管差放IIO 产生原因：产生原因： T1 VCC REE VEE RCRC T2 RSRS IB

24、Q1IBQ2 若取若取 2 )( BQ2BQ1 B II I 则则 2 IO BBQ1 I II 2 IO BBQ2 I II 第第 4 章放大器基础章放大器基础 失调模型失调模型 总输入失调电压总输入失调电压 SIOIOIO RIVV 当当 RS 较大时：较大时： 当当 RS 较小时：较小时： 失调以失调以 IIO为主，为减小为主，为减小 V IO ，应选，应选 IIO 小的差放。小的差放。 失调以失调以 VIO 为主，为减小为主，为减小 V IO ，应选，应选 VIO 小的差放；小的差放； 第第 4 章放大器基础章放大器基础 T1 T2 - - + IB IB IIO 2 IIO 2 VI

25、O RS RS MOS 差放的失调差放的失调 因因IG 0 IOSIOIOIO VRIVV 则则 ( (mV 量级量级) ) 调零电路调零电路 T1 VCC REE VEE RCRC T2 RSRS VEE + - - VO RW ( (发射极调零电路发射极调零电路) ) T1 VCC REE RCRC T2 RSRS VEE + - - VO RW ( (集电极调零电路集电极调零电路) ) 调节电位器调节电位器 RW ，改变两端发射极电位或集电极电，改变两端发射极电位或集电极电 阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。 第第 4 章放大器基础章放大器基础

26、VIO 和和 IIO 的温漂的温漂 若环境温度、电源电压等外界因素变化：若环境温度、电源电压等外界因素变化： 晶体管参数变化晶体管参数变化VIO 和和 IIO 变化。变化。 其中温度变化引起的温漂最大。其中温度变化引起的温漂最大。 可以证明：可以证明： IO IO V T V IO IO I T I 注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 4.3.4差模传输特性差模传输特性 差模输出电流随任意输入差模电压（差模输出电流随任意输入差模电压（vID）变化的特）变化的特 性。性。 q 双极型差放的差模传输特性双极型

27、差放的差模传输特性 T1 VCC IEE VEE RCRC T2 iC1iC2 + - - vID 当两管均工作在放大区：当两管均工作在放大区： T BE1 e SC1 V v Ii T BE2 e SC2 V v Ii C2C1EE iiI IDBE1BE2 vvv 则则 TID/ EE C2 e1 Vv I i TID/ EE C1 e1 Vv I i 得得) 2 (th T ID EEC2C1 V v Iii 第第 4 章放大器基础章放大器基础 差模传输特性曲线差模传输特性曲线 1 O iC/IEE vID/VT 0.5Q iC1/IEEiC2/IEE O iC1- - iC2 vID/

28、VT IEE - -IEE 可以证明：可以证明： 当当| vID | 26 mV 时，差放工作在时，差放工作在线性区线性区 ( (对比对比单管电路单管电路 vi VBE(on)+V(BR)BEO时，截止管击穿。时，截止管击穿。 解释：当解释：当viC正向增大，使正向增大，使T1、T2进入饱和区；而当进入饱和区；而当viC 负向增大，使恒流源偏置管负向增大，使恒流源偏置管T3进入饱和区，等效交流进入饱和区，等效交流 电阻电阻REE大大下降。这两种情况均使差放失去对共模大大下降。这两种情况均使差放失去对共模 信号的抑制作用。信号的抑制作用。 q MOS 差放差放- -差模传输特性差模传输特性 假设

29、两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则： 2 GS(th)GSQ ID GS(th)GSQ IDSSSS D1 4 1 1 22 VV v VV vII i 得得 T1 VDD ISS VSS RDRD T2 iD1iD2 vI1vI2 2 GS(th)GS1 OXn D1 )( 2 VV l WC i D2D1SS iiI IDGS1GS2 vvv 2 GS(th)GS2 OXn D2 )( 2 VV l WC i 2 GS(th)GSQ ID GS(th)GSQ IDSSSS D2 4 1 1 22 VV v VV vII i 第第 4 章放大器基础

30、章放大器基础 可以证明：可以证明： 当当| vID | 2) ) 当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、 VBE(on) 的影响，的影响，I0 热稳定性降低。热稳定性降低。 IO 精度及热稳定性精度及热稳定性 由由当当 较小时，较小时，I0 与与 IR 之间不之间不 满足严格的镜像关系，满足严格的镜像关系，I0 精度降低。精度降低。 恒流特性恒流特性 由由 R VV I BE(on)CC R 得知，得知， 当考虑基宽调制效应时，根据当考虑基宽调制效应时，根据)/1 (e ACESC T BE VvIi V v VA 除了降低除了降低 I0 精度外，还造成精度外，还造成 Ro 较小，较小，I0

31、 恒流特性变差。恒流特性变差。 RO = rce2 第第 4 章放大器基础章放大器基础 得知，得知， /21 R 0 I I 则则 BE(on)A CEQ2A R 0 /21VV VVI I 得得 BE(on)A CEQ2A C1C2 VV VV ii q 减小减小 影响的影响的镜像电流源镜像电流源 T1 VCC iC1 R T2 IR IOi RE T3 结构特点结构特点 T1 管管 c、b 之间插入之间插入T3。 电路优点电路优点 减小分流减小分流 i ，提高，提高 I0 作为作为 IR 镜镜 像的精度。像的精度。 由图由图 3 2 1 B1 RC1C1 i Iiii 31 2 1 1 0

32、 () I R2 2 0 2 II 若各管若各管 相同相同得得 式中式中 R VV I BE(on)CC R 2 输出电阻输出电阻Ro = rce2 第第 4 章放大器基础章放大器基础 实际电路：加入实际电路：加入RE q 比例式镜像电流源比例式镜像电流源 T1 VCC iE1 R T2 IR IO R1R2 iE2 结构特点结构特点 两管射极串接不同阻值的电阻。两管射极串接不同阻值的电阻。 电路优点电路优点 R 增大， 增大，I 恒流特性得到改善。 恒流特性得到改善。 22 21 1 oce2 be2 () / / R Rr RrRR 由由 ( 较大较大) 2E2BE21E1BE1 RivR

33、iv )/ln( C2C1TBE2BE1 iiVvv RC1E1 Iii 0C2E2 Iii ( 较大较大) 得得)/ln()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII 当当)/ln( 0RT1R IIVRI 时，时， 得得 21R0 /RRII 式中式中 1 BE(on)CC R RR VV I 第第 4 章放大器基础章放大器基础 如何求得？如何求得？ q 微电流源微电流源 T1 VCC R T2 IR IO R2 iE2 令比例镜像电流源中的令比例镜像电流源中的 R1 = 0 。 由由)/ln()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII 式中式中 R VV I BE(on)CC R 根据

34、集成工艺的要求，电阻根据集成工艺的要求，电阻 R 不易做太大，故前述不易做太大，故前述 电流源的电流源的 I0 只能做到只能做到 mA 量级。量级。 )/ln()/( 0R2T0 IIRVI 得得 输出电阻输出电阻 电路优点：电路优点：可提供可提供 A 量级的电流，且量级的电流，且 Ro 大，精度高。大，精度高。 第第 4 章放大器基础章放大器基础 22 2 1 oce2 be2 () R Rr Rr q MOS 镜像电流源镜像电流源 MOS 镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似， 只是原参考支路中的电阻只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻被有源电阻 T3 取代。取代。 T1 VDD T2 IR IO T3 VSS 若若 T1 T2 性能匹配，工作在饱和区性能匹配，工作在饱和区 宽长比分别为宽长比分别为( (W/l ) )1 、( (W