第12章-6差分放大电路

1、第第1212章章 放大放大电路电路的建模与分析的建模与分析2 21. 1. 集成运放概述集成运放概述2. 2. 集成运放中的电流源集成运放中的电流源3. 3. 差分放大电路分析差分放大电路分析4. 4. 集成运放电路形式集成运放电路形式5. 5. 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标12.6-1 12.6-1 集成运放概述 集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。它用在模拟信号的运算、放大、检测、变换、处理、信号产生等等。 集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。uA741通用高增益运算通用放大器通用高增益运算通用放大器 一、集成运

2、放的典型结构运放的典型电路通常有三级放大电路组成运放输入级：差分放大（差动放大器）电路 该级要求有低温漂，高共模抑制比 和高输入电阻特性。中间放大级：通常采用CE(CS)放大电路 运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压增益。输出级采用互补对称式射极跟随器结构 输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求具有低输出电阻。二、集成运放的主要特点1高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合线性放大器;2采用微电流源作为偏置电路以降低功耗，放大电路负载采用有源负载以提高电压增益。3在理想条件下，集成运算放大器可以看成一个电压控制电压源（一般工程分析）。

3、（a a）理想运放）理想运放 （b b）实际运放）实际运放反相输入反相输入: : 输出信号与该端输入信号反相位；输出信号与该端输入信号反相位；同相输入同相输入: : 输出信号与该端输入信号同相位；输出信号与该端输入信号同相位；三、集成运放的电路符号在低频小信号的条件下运算放大器可用下面电路等效低频小信号模型RidRod0Aod在理想条件下有：12.6-2 12.6-2 集成运放中的电流源一、基本镜像电流源T1、T2两管的参数和特性完全一致，两管的参数和特性完全一致，电流放大倍数均为电流放大倍数均为。电阻电阻RREF用来确定参考电流的用来确定参考电流的IREF大小大小 CCBEREFREFVVI

4、RT1管工作在临界饱和状态。而管工作在临界饱和状态。而T2管工管工作在放大状态。作在放大状态。ILIC2IC1IREF -2IBIREF。输出电流输出电流IL与负载与负载RL无关，与无关，与IREF存存在近似的在近似的“镜像镜像”关系，电路称为关系，电路称为镜镜像电流源像电流源（恒流源电路）。（恒流源电路）。 EBBBIIII1121ECCCIIII121EBCREFIIII1221111212/CRLEREFEFIIIII 当三极管的当三极管的50时，基本镜像电流源输出电流时，基本镜像电流源输出电流IL与参考与参考电流电流IREF的误差的误差5%。电流电流IL与参考电流与参考电流IREF的关

5、系计算的关系计算当当50时，输出电流时，输出电流IL与参考电流与参考电流IREF的相对的相对误差小于误差小于0.1%二、跟随型镜像电流源电路减少输出电流减少输出电流I IL L与参考电流与参考电流I IREFREF的相对误差的相对误差23222BLCBIIII13322(1)REFCBLBLIIIIII镜像电流源用作负载（电阻）镜像电流源用作负载（电阻）2CceRr等效电阻大等效电阻大集成电路易实现！集成电路易实现！三、多路电流源电路当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射不同的射极电阻极电阻，可得到不同的输出电流。333222111eEBEeEBEeEBEeEBERIVRIVRIVRI

6、V332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI差分放大器为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出。是集成运算放大器十分重要的一级。12.6-3 12.6-3 差分（动）放大电路差分（动）放大电路一、 差分放大电路的基本形式和工作原理电路由二个参数和特性完全对称的晶体三极管组成，电路的其它元件也对称。T1、T2都是共射放大器，发射极连接在一起后经电阻接到负电源。电路由二组对称电源供电。 1. 1. 差分放大电路一般有两个输入端：差分放大电路一般有两个输入端： 双端输入双端输入从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。 单端输入单端输入仅从一个输入端仅

7、从一个输入端对地对地加信号。加信号。 2. 2. 差差分分放大电路可放大电路可以有两个输出端。以有两个输出端。 双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。 单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。几个基本概念几个基本概念-+-_-o2Ru+RT+RbTCC1R+EEueb2oVRccV+i2uui1uo13.3.差模信号与共模信号差模信号与共模信号idi1i2=uuu差模信号：差模信号：)(21=i2i1icuuu 共模信号：共模信号：idodud=uuA差模电压增益：差模电压增益：icocuc=uuA共模电压增益：共模电压增益：ucudCMR=AAK共模抑制比共模抑制比-+-

8、_-o2Ru+RT+RbTCC1R+EEueb2oVRccV+i2uui1uo1总输出电压：总输出电压：icucidudocodo=uAuAuuu i1=5.01uVi2=4.99Vu差模电压增益：差模电压增益：odudid=100uAu共模电压增益：共模电压增益：ocucic=0.01uAuidi1i20.02=Vuuu差模电压差模电压:共模电压：共模电压：ici1i21=()52uuuV输入信号可分解为一对共模信号和一对差模信号后分别计算输入信号可分解为一对共模信号和一对差模信号后分别计算总输出电压：总输出电压：oodocudiducic=2.05uuuA uA uV差分放大器对反映变化部

9、分的差模信号能实现再放大，而对反映环境条件或外界干扰的公共信号（即共模信号）加以限止或抑制。1. 克服零点漂移；克服零点漂移；2. 零输入零输出；零输入零输出；3. 抑制共模信号；抑制共模信号；4. 放大差模信号。放大差模信号。差分放大器特点：差分放大器特点：1 1、直流分析、直流分析输入信号为零，二个基极接地。因电路参数是对称的，所以：120OQO QO QVVV0.7EBEVVV ()0.7V22EEEEECEeeVVVIIRR CCCIII21EEEIII21EEEIIII221ReCCQCCQoQoRIVVV21 由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始

10、终相等，使VOQ0，从而有效地抑制了温漂和零点漂移抑制了温漂和零点漂移。若Rc1Rc2，则ICQ和VCQ是否相等？（1）对差模信号的放大能力端和端的信号为大小相等，而极性相反。122IdIIvvv 0ICv差模差模信号分别加在信号分别加在端和端和端的方端的方式称式称双端输入方式。双端输入方式。2 2、动态分析、动态分析单端差模信号：单端差模信号：共模共模信号信号：差模信号时的交流通路差模信号时的交流通路差模信号时的交流通路差模信号时的交流通路EI不变不变差模信号低频小信号等效电路与放大系数计算差模信号低频小信号等效电路与放大系数计算221IdIIvvvbeIdbeIBBrvrvII2121低频

11、小信号等效电路低频小信号等效电路1112OCcBccbI dcvi Ri RRvr 2222OCcBccbI dcvi Ri RRvr 12O dO dOI dcbcvvRrvv 放大系数放大系数（双端输入双端输出方式）（双端输入双端输出方式）I dOcbcvvRr 共模信号时的交流通路共模信号时的交流通路由于共模信号相位相同，有：由于共模信号相位相同，有：12CCii1212ECCCiiii（2）对共模信号的放大能力IcIIvvv21共模信号放大系数计算共模信号放大系数计算共模信号共模信号由于电路左右完全对称，取单边计算由于电路左右完全对称，取单边计算单边电路为共射带单边电路为共射带 电路。

12、电路。eRebeIcBBRrvII)1 (221ebeIcccCOcORrvRRivv)1 (211021OOOCOvvvv0OcvcIcvAv放大系数：放大系数：Avc在一定程度上反映差分放大在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能电路抑制共模干扰和温漂的能力，力， Avc越小，则抑制温漂能力越强。定义为差模电压放大倍数与共模定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。电压放大倍数之比的绝对值。vdCMRvcAKA用分贝表示：用分贝表示：(dB) lg20vcvdCMRAAK共模抑制比共模抑制比KCMR差分放大电路的动态参数差分放大电路的动态参数： 差分放大系数：差分放大

13、系数：Ad 输入电阻：输入电阻：Ri 输出电阻：输出电阻： Ro 共模放大系数共模放大系数 ：Ac 共模抑制比：共模抑制比：KCMR 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：接法：双端输入双端输出双端输入双端输出、双端输入单端输出双端输入单端输出、单端输单端输入双端输出入双端输出、单端输入单端输出单端输入单端输出。1. 1. 双端输入双端输出双端输入双端输出：I dOddcbcRrAvv 差模放大系数：差模放大系数：差模输入电阻：差模输入电阻：2beiRr差模输出电阻：差模输出电阻：2CoRR共模放大系数共模放大系数 ：0OcvcIcv

14、Av12(1)IccObeeRvrRv2. 2. 双端输入单端输出：双端输入单端输出：差模信号作用下的分析差模信号作用下的分析cLdbbe ()12oiuuRRARribbe2()RRrocRRbebLcd)( 21rRRRAebebLcc)1 (2)( RrRRRAbebebebCMR)1 (2rRRrRK2. 2. 双端输入单端输出：双端输入单端输出：共模信号作用下的分析共模信号作用下的分析有共模信号输出！有共模信号输出！3.3.单端输入双端输出单端输入双端输出 输入信号分解为差模信号和共模信号输入信号分解为差模信号和共模信号beLcd)2/(rRRRAbu 0uc A beid2rRRb

15、 co2 RR 单端输入时的电压放大倍数与差模输入单端输入时的电压放大倍数与差模输入（双端输入）时的电压放大倍数近似相同。（双端输入）时的电压放大倍数近似相同。cLdbe/2ubRRARr beid2rRRb coRR cLce()2RRAR 4. 4. 单端输入单端输出单端输入单端输出 为提高共模抑制比，增大为提高共模抑制比，增大ebecIcOcvcRrRvvA)1 (211引入恒流源概念！eR实际电流源偏置电路实际电流源偏置电路33331oecebeRRrrR【例【例1】 已知某差分放大电路的两个输入端端和端分别加入vI1=5.01V、vI2=4.99V，的信号电压，其电路的差模电压增益A

16、vd -80，共模电压增益为Avc -0.01，试求vO？电路的差模信号为：两端输入信号之差V02. 0V99. 4V01. 521IIdIvvv电路的共模信号为：两端输入信号之平均值V0 . 52V99. 4V01. 5221IIcIvvvV65. 1V05. 0V6 . 1V0 . 5)01. 0(V02. 080IcvcIdvdOvAvAv差分放大器的输出电压有：【例2】差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。注意：电阻注意：电阻 串入射极回路，串入射极回路，放大倍数计算相当于有放大倍数计算相当于有 电阻电阻的共射

17、放大电路。的共射放大电路。eReR22(1)80 566.128(11 0.2205)OdvdIdBcB becbeeCcB beeCeBvAvi Ri riRrRRi Ri ri R kRrivRebeIdIdid1 .12)05. 0812(2)1 (20210LIdOoROvcvRiRk【例3】 电路如图所示，已知电路如图所示，已知=80=80，rbb=100=100，Rw在中间位在中间位置，置，RL=50k, 求：1.,;2.,;3.CQOQvdidoCMRIVARRK4.若vI1=16mV，vI2=10mV，求vO1。双入单出双入单出解：解：(1)静态分析：220wBQbBEEQEQ

18、eEERIRVIIRV 120.750.1257810.1mA212EEBECQEQbweVVIIRRRV5 . 3251 . 0V12505050)/(LcCQCCLcLOQRRIVRRRV(2) 求Avd、Ri和Ro；(1)26100810.121.2kTbebbEQVrrI80(50/50)29.22(521.281 0.1)(/)12(1)/2OdcLvdIdbbewvRRAvRrR 双入单出双入单出(1)/22 (521.281 0.1)68. 26 kidbbewRRrRk 50coRR双入单出双入单出(3) 求共模抑制比KCMR；216. 00.1)572(812 .215258

19、0)22/)(1 ()/(ewbebLcIcOcvcRRrRRRvvA42.6dB)( 135216. 02 .29即vcvdCMRAAK双入单出双入单出(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，则mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvv29.2 6mV( 0.216) 13mV-178mVOvdIdvcIcvAvAv注意相位！注意相位！若把若把 接在接在 端端,输出电压输出电压?LR2T（1）T1、T2差分放大电路，差分放大电路，T3为为CC放大电路，放大电路，T4电流源。电流源。 （2）4123502015050/150.71.57 mA37.5251BEEVVIRRR79.

20、 01CImA 【例4】在图示电路中，三极管的在图示电路中，三极管的 均为均为50，VBE=0.7 V, rbe=2 k 。（1）分析电路中各三极管电路的作用和功能。）分析电路中各三极管电路的作用和功能。（2）当）当VI=0时，输出静态电压时，输出静态电压VO=0，求出求出IC1、IB3和和Rc的值。的值。（3）求差模增益、和的表达式。）求差模增益、和的表达式。（4）求差模输入电阻）求差模输入电阻Ri的表达式。的表达式。52/103VIE1 . 03BI4 .101 . 079. 07 . 010cR mAmAk7 .78)21(2)5 .102/10(50)/211211bebicIOvrR

21、RRvvA(（3）5 .102)1(32ebeiRrRk (CC)995. 0)1()1(73722RrRvvAbeIOv3 .7821vvvAAA6)(21bebirRR（4）k 通用型集成运放的具体电路多种多样，但通用型集成运放的具体电路多种多样，但其输入级电路的组成原理基本相似，均以差分其输入级电路的组成原理基本相似，均以差分放大电路为基础，通常采用放大电路为基础，通常采用双端输入、单端输双端输入、单端输出方式出方式，并由电流源提供偏置电流及作为有源，并由电流源提供偏置电流及作为有源负载，从而可以达到有效地抑制共模信号、放负载，从而可以达到有效地抑制共模信号、放大差模信号的目的。大差模信

22、号的目的。12.6-4 集成运放集成运放输入级输入级、中间级中间级、输出级输出级电路形式电路形式1. 输入级输入级1 1）. . 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路 FET FET差分放大电路差分放大电路差模输入电阻很高差模输入电阻很高，减小了输入，减小了输入偏置电流的不对称性。偏置电流的不对称性。1122mgsLOdvdmLIdgsgv RvAg RvvIdidIdvRi Ro=2Rd 2 2）、）、FETFETBJTBJT混合型差分放大电路混合型差分放大电路 定性分析定性分析:56CCii 镜像电流镜像电流12DDii 差分放大差分放大026252122DCDCDDDiiiiiiii

23、 输出电流倍增输出电流倍增输出电流倍增输出电流倍增,单端输出达到双端输出的效果单端输出达到双端输出的效果. 运放中间级是运放电压增益的主要承担者运放中间级是运放电压增益的主要承担者主要任务是提主要任务是提高电压增益，所以，常用高电压增益，所以，常用共射共射或共源放大电路。从电压增益或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：(/)cLvbeRRAr Rc代之以恒流源恒流源； 采用纵向三极管或达林顿复合管复合管，提高； 增加一级CC电路(射极跟随器射极跟随器)进行阻抗变换。2、集成运放中间级的电路形式、集成运放中间级的电路形式11(1

24、)omdsRg R r恒流源恒流源+ +射极跟随器射极跟随器T1、R1构成恒流源电路，其内阻为 而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3加了点负反馈以提高电路的工作稳定性。集成运放中间级的电路形式介绍集成运放中间级的电路形式介绍3222)1 (bebeirrR233132)/(iiceceIOvRRrrvvA恒流源恒流源+ +复合管复合管集成运放中间级的电路形式介绍集成运放中间级的电路形式介绍CE电路电路3、运放输出级、运放输出级互补对称输出电路互补对称输出电路 集成运放的输出要求集成运放的输出要求 输出电阻小，输出电阻小， 最大不失真输出电压尽可能大，最大不失真输出电压尽可能大， 输出

25、级的输入电阻又必须大，输出级的输入电阻又必须大，T1T21 1）运放输出级的基本电路）运放输出级的基本电路由两只参数和特性完全对称的PNP和NPN管组成互补对称电路。静态静态(vi=0)时，T、T管均截止，UO0；T1T2在输入正弦信号时：在输入正弦信号时：当输入信号正半周(vi0)时，T T管导通，管导通，T T管截止管截止，流过负载电阻RL的电流路经为：VCCT1RL地当输入信号负半周(vi0)时，T T1 1管截止，管截止，T T2 2管管导通导通，电流路经将为 地RLT2-VCC在一个信号周期内，流过负在一个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号载的电流正好也是一个信号周期。周期。

26、2）互补对称放大电路的最大输出电压T1T2由于互补对称电路在一周内二只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管的工作时的负载线如图。最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。输入电阻较高输入电阻较高LbeiRrR)1 (T1T23）乙类放大电路的交越失真问题在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。甲类电路3甲乙类互补对称输出电路静态T1、T2处于微导通微导通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小动态电阻很小，所以vb1vb2vi。 利用二极管提供静

27、态偏置，使输入信为零时，两只管子不完全截止。甲乙类电路：利用恒压电路提供静态偏置32113CEBEVRRRVBECEVRRV)1 (123选择合适的选择合适的R1、R2阻值，使阻值，使VCE3 1.4V。乙类功率放大器：导通角为=，或静态时管子截止；，或静态时管子截止；甲类功率放大器：导通角甲乙类功率放大器：导通角介于介于和和22之间，静之间，静态时，晶体管微弱导电；态时，晶体管微弱导电；T1T2功率放大器分类：功率放大器分类：为=22，晶体管在整个周期内都导电，静，晶体管在整个周期内都导电，静态时，晶体管也完全导电；态时，晶体管也完全导电；一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数一、集成运放

28、的电压传输特性和三项基本参数集成运放线性放大区线性放大区所对应的输入信号范围很小范围很小。* *2.3.5 2.3.5 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标（1）开环差模电压放大倍数AodIdNPIdIdidivvivR如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid 可达104M以上。NPOIdOodvvvvvAAod一般为104106(即80120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如100V/mV即为105。（2）差模输入电阻Rid（3）输出电阻Ro集成运放的R。通常为100至至1k之间。二、集成运放的失调参数二、集成运放的失调参数 集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压输出失调电压，记作VOO。（1）输入失调电压）输入失调电压VIO为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。odOOIOAVV（2 2）输入失调电压漂移）输入失调电压漂移d dV VIOIO/d/dT T输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。（3）输入失调电流 IIO反映集成运放输入端输输入端输入电流的不平衡入电流的不平衡程度。（4 4）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。三、集成运放的共模参数（1）