集成运放的组成

1、第五章第五章 集成运算放大电路集成运算放大电路 5.1 5.1 集成运算放大电路的特点集成运算放大电路的特点5.2 5.2 电流源电路电流源电路5.3 5.3 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路5.4 5.4 差动放大电路差动放大电路 5.8 5.8 集成运算放大电路的外部特性及其集成运算放大电路的外部特性及其 理想化理想化集成运放：集成运放：是一种是一种模拟集成电路模拟集成电路，早期实现各，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。件。5.

2、1 集成运算放大电路的特点集成运算放大电路的特点1.级间只能采用直接耦合方式级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能集成工艺不能制作大电容和电感制作大电容和电感)；2.尽可能采用有源器件代替无源器件尽可能采用有源器件代替无源器件(避免使避免使用大电容、大电阻用大电容、大电阻)；3.利用对称结构改善电路性能利用对称结构改善电路性能 (参数一致性好参数一致性好,但单个元器件参数误差较大但单个元器件参数误差较大)。集成运放在设计上的特点：集成运放在设计上的特点：输入级中间级输出级电流源电路UiUo 图图41 集成运算放大器组成框图集成运算放大器组成框图 差动放差动放大器大器负载为有源负载为有源负载的共

3、射负载的共射放大器放大器射随器或互射随器或互补 射 随 器补 射 随 器提供各级偏流和有源负载提供各级偏流和有源负载5.2 5.2 电流源电路电流源电路 镜像电流源镜像电流源 比例电流源比例电流源 微电流源微电流源 威尔逊电流源威尔逊电流源UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 一、镜像电流源一、镜像电流源(Current Mirror)工作电流工作电流参考电流参考电流镜像的含义：镜像的含义：即工作电流可看成即工作电流可看成是参考电流的镜像。是参考电流的镜像。rCII2UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 V1、V2管特性相同！管特性相同！

4、SSSIII2121即两管的电流放大倍数相即两管的电流放大倍数相同，反向饱和电流相同。同，反向饱和电流相同。UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 IB1IB2电路说明：电路说明：1）V1工作在临界饱和状态。工作在临界饱和状态。UCE1UBE1 1B1CII rBECCrRUUI 参考电流参考电流2）由于：）由于：UBE1UBE2 TBEUUSEeII 2C1CII 2B1BII UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 IB1IB2 2Cr1Br1C2CI2II2IIIrr2C1CI2III )2( 求工作电流：求工作电流：UCCRrIrIC

5、1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 IB1IB2镜像电流源的交流输出电阻：镜像电流源的交流输出电阻： ro=rce2 电流源电路符号电流源电路符号 rce2 UCCRrIrIC1V1V2IC2图图43 镜像电流源镜像电流源 IB1IB2UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5将镜像电流源推广，可得多路镜像电流源，如将镜像电流源推广，可得多路镜像电流源，如图所示的是图所示的是三路电流源三路电流源，V5V5管是为了提高各路电流管是为了提高各路电流的精度而设置的的精度而设置的。 UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3若将若将V V5 5管的基极和发射极短路，则：管的

6、基极和发射极短路，则：1Br1CI4II UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5 51Br1C1I4II 41I1IIII51r514C3C2C1C UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5 4151 条件更易满足，所以各路电流更接近条件更易满足，所以各路电流更接近I Ir r。 IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC图图5.2.3 多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向三集电极横向PNP管电路管电路(b)等价电路等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现：集成电路中多路镜像电流源的实现：采用多集电极晶体管。采用

7、多集电极晶体管。二、比例电流源二、比例电流源（指电流源的工作电流与参考电流成比例关系）（指电流源的工作电流与参考电流成比例关系）RrIrIC2V2V1R2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 图图4646比例电流源比例电流源22E2BE11E1BERIURIU 1S1ET1BEIIlnUU 1E2ET2E1ET2BE1BEIIlnUIIlnUUU 2S1SII 2S2ET2BEIIlnUU 室温下，当两管的射极电流相差室温下，当两管的射极电流相差10倍时：倍时： mV6010lnUIIlnUUUT2E1ET2BE1BE r212CIRRI 若若1，则，则IE1Ir, IE2IC2

8、1rCC1r1BECCrRRURRUUI 仅为此时两管仅为此时两管UBE电压电压(600mV)的的10%。因此，。因此，UBE1UBE2。22E11ERIRI 22E2BE11E1BERIURIU 三、微电流电流源三、微电流电流源RrIrIC2V2V1UCCR2图图4747微电流电流源微电流电流源2E1E2T2BE1BE22EIIlnRU)UU(R1I 当当11时，时，IE1Ir,IE2IC22Cr2CT2IIlnIUR 已知已知Ir=1mA,要求要求IC2=10A时时 k12101000ln10101026R632四、威尔逊电流源（负反馈型电流源）四、威尔逊电流源（负反馈型电流源）是一种改进

9、的镜像电流源。是一种改进的镜像电流源。RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图5.2.6 威尔逊电流源威尔逊电流源 rBECCr2BE3BECCrRU2URUUUI 说明：说明：三个管子的特性相同。三个管子的特性相同。 1C1C22C11C2C3E3CI2I1III1I1I 3C1C3B1CrIIIIIr23CI )2221(I 可见：输出电流受可见：输出电流受的影响大大减小。的影响大大减小。改进点改进点1 1r23CI )2221(I 当当 =10时，时，IC20.984Ir。 改进改进2：威尔逊电流源的温度特性更好。：威尔逊电流源的温度特性更好。当温度升高：当温度升高：

10、IC3IE3IC2IC1(Ir固定固定)IB3 IC3利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻态内阻R Ro o为：为：ceorR2改进改进3 3：具有较大的动态内阻。：具有较大的动态内阻。四种镜像电流源小结四种镜像电流源小结 需要掌握其参考电流和工作电流的分析方法。需要掌握其参考电流和工作电流的分析方法。V5V5管是为了提高各路电流管是为了提高各路电流的精度而设置的。的精度而设置的。 单路镜像电流源单路镜像电流源多路镜像电流源多路镜像电流源rBECCrRUUI r2CII r4C3C2CIIII r1BE5BECCrRUUUI 比例电流源比例电流源r

11、212CIRRI 1r1BECCrRRUUI RrIrIC2V2V1UCCR2微电流电流源微电流电流源2Cr2CT2IIlnIUR rBECCrRUUI RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3威尔逊电流源威尔逊电流源rBECCrRU2UI r3CII ceor2R 优点：优点：动态电阻大；动态电阻大；受受 变化的影响小；变化的影响小；温度稳定性好。温度稳定性好。5.3 以电流源为以电流源为有源负载有源负载的放大电路的放大电路 在集成运放中，放大器多在集成运放中，放大器多以电流源作为有源负载以电流源作为有源负载。典型的有源负载共射放大电路如图所示：典型的有源负载共射放大电路如图

12、所示：UCCV3V2uoV1uiRr镜像电流源作为镜像电流源作为有源负载。有源负载。注意：注意：1）镜像电流源作为有源负载，是用其动态内阻）镜像电流源作为有源负载，是用其动态内阻rce3替代集电极电阻替代集电极电阻RC。2）实际负载）实际负载RL通过射随器隔离后接入。通过射随器隔离后接入。所以：该级放大器可获得很高的电压增益。所以：该级放大器可获得很高的电压增益。UCCV3V2uoV1uiRr 1beL3ce1ce1urR/r/rA 有源负载共射放大电路的交流小信号等效电路有源负载共射放大电路的交流小信号等效电路5.4 差动放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)5

13、.4.1 零点漂移现象零点漂移现象1.静态时，由于温度变化，电源波动等因静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压素的影响，会使工作点电压(即集电极电位即集电极电位)偏离偏离设定值而缓慢地上下飘动。因此，当输入电压为设定值而缓慢地上下飘动。因此，当输入电压为零时，输出电压也会产生缓慢变化的现象，即零时，输出电压也会产生缓慢变化的现象，即零零点漂移现象，简称零漂点漂移现象，简称零漂。 2.2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在， 输入级工作点的缓飘很难传到下一输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去，级去， 因此因此可忽略它的影响。但对直接耦合

14、放大电路，这种可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，和， 这样整个电路将无法正常工作。这样整个电路将无法正常工作。抑制零点漂移的方法有以下几种：抑制零点漂移的方法有以下几种：1）电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小）电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小 零漂。零漂。2）利用热敏元件对放大管进行温度补偿。）利用热敏元件对放大管进行温度补偿。3）采用特性相同的管子，在相同的环境下，两者的）采用特性相同的管子，在相同的环境下，两者的 零点漂移情况相同，可以互相抵消，这就构成了零点漂移情况相同，可以

15、互相抵消，这就构成了 “差动放大电路差动放大电路”。 5.4.2 差动放大器的工作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析特点：结构对称。特点：结构对称。基本型差动放大器（图基本型差动放大器（图5.4.2 c）一、电路形成原理：一、电路形成原理：ui1ui2uoRCT1RBRCT2RBRERE抑制零漂的原理抑制零漂的原理:uo= UC1 - UC2 = 0uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：ui1ui2uoRCT1RBRCT2RBRERE可见：利用电路的对称性可以很好地抑制零点飘移。可见：

16、利用电路的对称性可以很好地抑制零点飘移。实用的差动放大器电路：实用的差动放大器电路： 双电源长尾式差动放大器双电源长尾式差动放大器UCCRCRLRCUi1Ui2REUEEV1V2Uo图图5.4.2 d 采用双向电源，采用双向电源， 让电源能够与让电源能够与 信号源信号源“共地共地”。 RE1和和RE2合二合二 为一，构成为一，构成 “长尾长尾”。 UCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoUCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2Uoa)a)双端输出双端输出b)b)单端输出单端输出双电源长尾式差动放大器的两种输出形式：双电源长尾式差动放大器的两种输出形式：1 1）双端输出）

17、双端输出2 2）单端输出）单端输出二、差动放大电路的静态分析：二、差动放大电路的静态分析：1）双端输出差放的静态分析：）双端输出差放的静态分析：UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo当当Ui1=Ui2=0时时V7 . 0UUBEE 则流过则流过RE的电流的电流I为为:EEEEEEER7 . 0UR)U(UI I21IIII2EQ1EQ2CQ1CQ 故故有有:IUCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2UoC1CQCC2CQ1CQRIUUU C1CQCC2CEQ1CEQRI7 . 0UUU 静态时，差动放大静态时，差动放大器两输出端之间的器两输出端之间

18、的直流电压为零。直流电压为零。当当Ui1=Ui2=0时时V7 . 0UUBEE 则流过则流过RE的电流的电流I为为:EEEEEEER7 . 0UR)U(UI I21IIIIQ2EQ1EQ2CQ1C 故故有有:2）单端输出差放的静态分析：）单端输出差放的静态分析：UCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoIUCCRCRLRCUi1Ui2RE UEEV1V2UoRLICQ1IRCI7 . 0RIUUC2CQCC2CEQ 应应该该如如何何计计算算？思思考考：1CEQU LQ1C1CQCQ1CCCRUIRUU LCR1CQRIII 7 . 0UU1CQ1CEQ UCCRCRLRCUi1Ui

19、2RE UEEV1V2UoRLICQ1IRCI三、差动放大电路的动态分析三、差动放大电路的动态分析 输入两种特殊的信号：输入两种特殊的信号：共模信号和差模信号共模信号和差模信号。 所谓共模信号是指所谓共模信号是指Ui1和和Ui2所加的信号大小相等，所加的信号大小相等，极性相同。极性相同。 所谓差模信号是指所谓差模信号是指Ui1和和Ui2所加的信号大小相等，所加的信号大小相等，极性相反。极性相反。 差动放大电路对差动放大电路对共模信号有很强的抑制作用共模信号有很强的抑制作用，如，如果两边电路参数理想对称，则共模输出电压为零。果两边电路参数理想对称，则共模输出电压为零。 差动电路对差动电路对差模信

20、号具有放大能力差模信号具有放大能力。 差放的主要性能特点差放的主要性能特点 放大差模信号（有用信号）放大差模信号（有用信号） 抑制共模信号（温漂和噪声）抑制共模信号（温漂和噪声） -能够做到能够做到“有选择的放大有选择的放大”。UCCRCRLRCREUEEV1V2uouiciB1iB2iC1iC2uic一、共模一、共模(Common-Mode)抑制特性抑制特性iIC图图414 基本差动放大器的共模等效通路基本差动放大器的共模等效通路 RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic画共模等效电画共模等效电路时应注意路时应注意RE和和RL的处理的处理: 射极

21、电阻按射极电阻按2RE 处理。处理。 负载负载RL作开路作开路 处理。处理。1.1.双端输出时的共模指标：双端输出时的共模指标：ic2oc1ocicocucUUUUUA RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic0 icicicIUR 1bicI2U R2)1(r 21Ebe CocRR2 ic1oc(ucUUA 单）单）EbeLCR2)1(rR/R ELCR2R/R 2.单端输出时的共模指标：单端输出时的共模指标：RCRCUoc1UicV1V2Uoc12RE2REIb1Ib2Ic1Ic2IicRLicocicocucUUUUA12(单）思考：思考：

22、从从V2集电极输出时，集电极输出时，Auc(单单)为多少？为多少？EbeLCRrRR2)1 (/ 可见，由于射极电阻可见，由于射极电阻2RE的自动调节的自动调节(负反馈负反馈)作用作用，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。小。在实际电路中，均满足在实际电路中，均满足RERC/RL，故，故|Auc(单单)|0.5，即差动放大器对共模信号不是放大，即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻而是抑制。共模负反馈电阻RE越大，则抑制作用越大，则抑制作用越强。越强。 单）单）(ucAEbeLCR2)1(rR/R ELCR2R/R 差动电路抑制共模信号

23、（或减小零点差动电路抑制共模信号（或减小零点飘移）的原理：飘移）的原理：1 1）双端输出时，利用电路的对称性克服）双端输出时，利用电路的对称性克服零点飘移；零点飘移；2 2）单端输出时，利用共模负反馈抑制零）单端输出时，利用共模负反馈抑制零点飘移。点飘移。icicicIUR 1bicI2U R2)1(r 21Ebe C(ocRR 单）单）RCRCUoc1UicV1V2Uoc12RE2REIb1Ib2Ic1Ic2IicRL二、差模二、差模(Difference-Mode)放大特性放大特性UCCRCRLRCREUEEV1V2uouid1uid2iB1iB2iC1iC2RE上只有静态电压，上只有静态

24、电压，无交流信号电压无交流信号电压0V0Vuid1uid2uC1UCEQ1uC2UCEQ2差模地端差模地端RE对地短路。对地短路。图图413基本差动放大器的差模等效通路基本差动放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic21）RE对地短路。对地短路。2）双端输出时，）双端输出时，RL的中点视为差模地端。的中点视为差模地端。特点：特点：2od1od2od1ododU2U2UUU 2id2od1id1odidodudUUUUUUA 双端输出时双端输出时2id1id2id1ididU2U2UUU 1. 差模电压放大倍数差模电压放大

25、倍数Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2beLrR beLCr)R21/R( 结论：为单边共射放结论：为单边共射放大电路的放大倍数。大电路的放大倍数。1id1odid1od(udU2UUUA 单）单）2id2odid2od(udU2UUUA 单）单）单端输出时的差模电压放大倍数：单端输出时的差模电压放大倍数：Uod1Uod2RLV2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2或或beLCr2)R/R( beLCr2)R/R( 结论：结论：为单边为单边共射放大电路共射放大电路的电压放大倍的电压放大倍数的一半，且数的一

26、半，且两输出端相位两输出端相位相反。相反。 idididIUR 2. 差模输入电阻差模输入电阻(Input Differential Resistance)注：注：2b1bidIII Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2Iid1b1idIU2 ber2 3. 差模输出电阻差模输出电阻(Output Differential Resistance)Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2C(odRR 单）单）单端输出时为单端输出时为CodR2R 双端输出时为双端输出时为三、共模抑制

27、比三、共模抑制比KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)ucudCMRAAK )dB(AAlg20KucudCMR )(uc)(ud)(CMRAAK单单单单单单 )dB(AAlg20K)(uc)(ud)(CMR单单单单单单 例5.4.1UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo1）估算）估算V1、V2管的静态工管的静态工 作点作点ICQ、UCEQ。odidudRRA、及及3）从）从V1管单端输出的差模管单端输出的差模 电压放大倍数电压放大倍数Aud（单）（单）、 共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc（单）（单） 和共模抑制比和共模抑制比KCMR

28、。 2）试求交流指标：）试求交流指标：四、对任意输入信号的放大特性四、对任意输入信号的放大特性可以把可以把Ui1和和Ui2写成如下形式：写成如下形式：2UU2UUU2UU2UUU2i1i2i1i2i2i1i2i1i1i 差动电路相当输入了一对差模信号和一对共模信号。差动电路相当输入了一对差模信号和一对共模信号。2i1iidUUU ：差模分量差模分量：共模分量共模分量2UUU2i1iic 结论：结论：任意输入的信号任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成，都可分解成差模分量和共模分量。差模分量和共模分量。2i1iidUUU 2UUU2i1iic 电路总输出信号为：电路总输出信号为：ic

29、ucidud0UAUAU 例例5.4.2 差动放大电路如图差动放大电路如图5.4.3，参数设置与例，参数设置与例5.4.1相同，相同，设设Ui1=10mV，Ui2=2mV，试求双端输出时和单端，试求双端输出时和单端输出（取自输出（取自V2输出端）时的输出电压为多少？输出端）时的输出电压为多少？ 解：先求出相应的差模输入电压和共模输入电压：解：先求出相应的差模输入电压和共模输入电压： mV622102UUU2i1iic mV8210UUU2i1iid 4 .71Aud 6 .53Aud 单单2 . 0A)(uc 单单，。 V43. 0UAUAUicucidudo 单单单单单单V57. 0UAUA

30、UAUidudicucidudo 双端输出：双端输出：单端输出：单端输出：0Auc 差放电路的几种接法：差放电路的几种接法：输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端 单端输入的差动电路单端输入的差动电路 一个输入端接地一个输入端接地根据输入、输出不同可以分为以下不同组态：根据输入、输出不同可以分为以下不同组态：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 ； 单端输入，单端输出；单端输入，单端输出；单端输入，双端输出。单端输入，双端输出。单端输入：单端输入：(是任意信号输入方式的特例）是任意信号输入方式的特例） 单端输入方式相

31、当于双端输入方式时单端输入方式相当于双端输入方式时Ui1 或或Ui2等于等于0的情况。的情况。 因此，差分放大电路的技术指标只与输出因此，差分放大电路的技术指标只与输出 方式有关，与输入方式无关。方式有关，与输入方式无关。差放特性可以总结如下几点结论：差放特性可以总结如下几点结论： 1.1.差动性能指标计算仅与输出方式有关，而与输入差动性能指标计算仅与输出方式有关，而与输入方式无关。方式无关。2.2.双端输出时，差模电压放大倍数为单边放大器的双端输出时，差模电压放大倍数为单边放大器的电压放大倍数；单端输出（且电压放大倍数；单端输出（且R RL L=）时，电压）时，电压放大倍数是双端输出的一半。

32、放大倍数是双端输出的一半。3.3.双端输出的输出电阻为双端输出的输出电阻为2R2RC C ，单端输出的输出电，单端输出的输出电阻为阻为R RC C。4.4.无论何种方式，差模输入电阻相同，且等于半边无论何种方式，差模输入电阻相同，且等于半边差模等效电路输入电阻的两倍。差模等效电路输入电阻的两倍。5.4.3 具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路 在差动放大电路中，特别是在单端输出电路中，在差动放大电路中，特别是在单端输出电路中，我们希望发射极电阻我们希望发射极电阻RE的阻值越大越好，这样可以的阻值越大越好，这样可以有效地抑制工作点漂移，提高共模抑制比。有效地抑制工作点漂移，提高共模抑

33、制比。 beEucudCMRrRAAK 单单单单单单在图在图5.4.3中，由于电路的结构，中，由于电路的结构，RE的增大是有的增大是有限的。原因主要有两个：限的。原因主要有两个：1）RE上升，会引起差模放大倍数上升，会引起差模放大倍数Aud的下降。的下降。e bLbeLudrRrRA 每管的静态射极电流每管的静态射极电流IEQ EQTeIUrRE流过流过RE的电流的电流I e br udA2）集成电路不易制作较大阻值的电阻。）集成电路不易制作较大阻值的电阻。思路：用电流源代替图思路：用电流源代替图5.4.3电路中的电路中的RE。Why?电流源的动态内阻非常大，从而有效提高单端电流源的动态内阻非

34、常大，从而有效提高单端输出时的共模抑制比。输出时的共模抑制比。 那么，如何在提高共模拟制比的同时获那么，如何在提高共模拟制比的同时获得较大的差模增益呢？得较大的差模增益呢？ 电流源的恒流特性，保证电流源的恒流特性，保证 不变，从而获得较不变，从而获得较 大的差模增益。大的差模增益。e br分立元件电路中，通常采用分立元件电路中，通常采用单管电流源单管电流源。在集成电路中，大多采用前面讲到的镜像电流在集成电路中，大多采用前面讲到的镜像电流源、微电流电流源等。源、微电流电流源等。 R1R2ICR3UEE单管电流源电路示意图单管电流源电路示意图RCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCCRCUC

35、2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC图图415具有电流源的差动放大器电路具有电流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替用单管电流源代替RE的的差动电路差动电路(b)电路的简化表示电路的简化表示恒流源恒流源CQ1CBECCQ2CEQ1CE3CQ2CQ1C3BER3E3CEE212RRIUUUUI21IIRUUIIURRRU22 静态工作点的估算：静态工作点的估算：RCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC5.4.4 5.4.4 差动放大电路的大信号分析差动放大电路的大信号分析以上差放特性都是工作在小信号状态的。下面以

36、上差放特性都是工作在小信号状态的。下面进一步讨论差动放大电路在大信号工作状态下，输进一步讨论差动放大电路在大信号工作状态下，输出电流或输出电压与差模输入电压的关系，即差动出电流或输出电压与差模输入电压的关系，即差动电路的传输特性，从而了解差放的线性工作范围及电路的传输特性，从而了解差放的线性工作范围及其相关特性。其相关特性。一、差动放大器的传输特性一、差动放大器的传输特性(Transfer Characteristic)所谓传输特性是指放大器输出电流或输出电所谓传输特性是指放大器输出电流或输出电压与差模输入电压之间的函数关系。压与差模输入电压之间的函数关系。)u( fiidC1 )u( fii

37、dC2 )u( fuid0 RCRCuidV1V2uo UEEIUCCiC2iC1由于工作范围扩大，微变等效不适用，因由于工作范围扩大，微变等效不适用，因此从基本关系出发进行推导。此从基本关系出发进行推导。)1(/1 TBEUuSEeIi)2(22)2(2221TidCTidCUuthIIiUuthIIi 可见：可见： ic1、ic2 、u0与与uid成双曲正切函数关系。成双曲正切函数关系。)2(0TidCUuthIRu (a)(a)电流传输特性曲线电流传输特性曲线iC1, ,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4UT2UT02UT4UT6UTuidQI2(b)(b)电压传输特性曲线电压传

38、输特性曲线 uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC图图5.4.12 5.4.12 差动放大器的传输特性曲线差动放大器的传输特性曲线注：注：当当IRCUCC时，输出被限幅在电源电压时，输出被限幅在电源电压 UCC。根据曲线，得出结论：根据曲线，得出结论：1、两管集电极电流之和恒等于、两管集电极电流之和恒等于I。当当uid=0时，差动电路处于静态，这时有：时，差动电路处于静态，这时有：iC1=iC2=ICQ=I/2iC1, ,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4U2UT02UT4UT6UTuidQI22、传输特性具有非线性特性、传输特性具有非线性特性1）在静态工作点

39、附近，当）在静态工作点附近，当|uid|UT(约约26mV)，传输特性近似为一段直线传输特性近似为一段直线。小信号线性工作范围小信号线性工作范围uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC2）当）当| uid |4 UT (约约26mV)，即，即uid超过超过100mV时，时， 趋于水平。两管电流不再随着输入电压而变化，趋于水平。两管电流不再随着输入电压而变化， 两个晶体管一个导通，另一个截止。这一特性广两个晶体管一个导通，另一个截止。这一特性广 泛应用于信号的限幅泛应用于信号的限幅 。uoIRC6 UT2UT02UT6UTuid IRCiC1, ,iC2IiC1iC2iC

40、1iC26UT2UT02UT6UTuidQI2大信号非线性工作范围大信号非线性工作范围扩展传输特性的线性区范围扩展传输特性的线性区范围 为了扩展传输特性的线性区范围，为了扩展传输特性的线性区范围，可在每个差放可在每个差放管的射极串接负反馈电阻管的射极串接负反馈电阻R(或在基极串接电阻或在基极串接电阻RB) 。 扩展后的电流传输特性曲线见图所示。扩展后的电流传输特性曲线见图所示。 显然，显然，R (RB)越大，扩展的线性区范围将越大越大，扩展的线性区范围将越大。但同时，但同时，差放电路增益也随之降低差放电路增益也随之降低。 二、差动放大电路正常工作的前提条件二、差动放大电路正常工作的前提条件两个

41、前提条件：两个前提条件：1）差放电路输入电压的幅值是有限制的。）差放电路输入电压的幅值是有限制的。2) 电流源电流电流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流小于差放管的集电极临界饱和电流 ICS(临界临界)。 差模输入电压的限制：差模输入电压的限制：不能超过发射结的反向击穿电压。不能超过发射结的反向击穿电压。 1）差放电路输入电压的幅值是有限制的。）差放电路输入电压的幅值是有限制的。 共模输入电压的限制：共模输入电压的限制：应避免应避免V1、V2或或V3进入饱和区。进入饱和区。 共模输入电压的限制：共模输入电压的限制：Uic UC1 3BBEicUUu 为避免为避免V1和和V2进入饱和区：进入

42、饱和区：为避免恒流管为避免恒流管V3进入饱和区：进入饱和区：1CicBE3BUuUU RCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC13CicBUuU 近似为：近似为：2)电流源电流电流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流小于差放管的集电极临界饱和电流ICS(临界临界)。)(临界临界CSII 理由：静态工作点应该设置在交（直）负载线理由：静态工作点应该设置在交（直）负载线 中点偏低的位置，即中点偏低的位置，即ICQIEQ ICS(临界临界)/2， 其中其中ICS(临界临界)为差放管集电极临界饱和电流。为差放管集电极临界饱和电流。或者说：或者说： 电流源电流

43、电流源电流I 应该小于差放管的应该小于差放管的ICS(临界临界)。5.4.5 差动放大器的失调及温漂差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调 当输入信号为零时，当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为这种现象，称为差动放大器的失调差动放大器的失调。与失调有关的具体因素：与失调有关的具体因素：CRSI 为了使差动放大电路在零输入时双端输出电压为为了使差动放大电路在零输入时双端输出电压为零，需要人为地在输入端加补偿信号，所加的补偿零，需要人为地在输入端加补偿

44、信号，所加的补偿电压称为电压称为输入失调电压，用输入失调电压，用UIO表示表示；所加的补偿电；所加的补偿电流称为流称为输入失调电流，用输入失调电流，用IIO表示表示。图图 5.4.16 差放的输入失调电压和输入失调电流差放的输入失调电压和输入失调电流（a）输入失调电压）输入失调电压 (b) 输入失调电流输入失调电流 由于失调的存在，通常都采用调零电路使差放由于失调的存在，通常都采用调零电路使差放在某一特定温度下的在某一特定温度下的Ui=0时时Uo=0。 常用的调零电路有两种：常用的调零电路有两种： 1) 射极调零射极调零 2) 集电极调零集电极调零 RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRS

45、RSRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC (a)射极调零电路射极调零电路(b)集电极调零电路集电极调零电路 射极调零射极调零: 调节电位器调节电位器RW，可控制两管的集电，可控制两管的集电极电流大小，使极电流大小，使Uo=0。集电极调零集电极调零:调节电位器调节电位器RW, 改变负载电阻改变负载电阻RC1 和和RC2的阻值，使的阻值，使Uo=0 。 二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移(Temperature Drift)差动放大电路虽然可以通过调零措施，在某一时差动放大电路虽然可以通过调零措施，在某一时刻补偿失调，做到零输入时零输出，但是失调会随刻补偿失调，做到零输入时零输出，但

46、是失调会随温度的改变而发生变化。对这种随机的变化，任何温度的改变而发生变化。对这种随机的变化，任何调零措施还做不到理想跟踪调整。调零措施还做不到理想跟踪调整。因此，因此，差动放大电路仍有零点的温度漂移现象，差动放大电路仍有零点的温度漂移现象，简称温漂简称温漂。那么失调的温漂有多大呢。那么失调的温漂有多大呢? 失调电压的温漂主要取决于失调电压的大小，并失调电压的温漂主要取决于失调电压的大小，并与失调电压成正比。与失调电压成正比。 失调电流的温漂主要取决于失调电流的温漂主要取决于 的温度系数和失调的温度系数和失调电流本身，并与失调电流成正比。电流本身，并与失调电流成正比。 5.8 集成运放的外部特

47、性及其理想化集成运放的外部特性及其理想化5.8.1 集成运放的模型集成运放的模型集成运算放大电路是高增益的直接耦合放大电路。集成运算放大电路是高增益的直接耦合放大电路。 图图 5.8.1 集成运放电路符号集成运放电路符号(a) 旧符号旧符号 (b) 新符号新符号集成运放有两个区间：线性区和非线性区。集成运放有两个区间：线性区和非线性区。在非线性区：输出被限幅，输出电压不是在非线性区：输出被限幅，输出电压不是UOH就是就是UOL。在线性区：曲线的斜率为电压放大倍数，即：在线性区：曲线的斜率为电压放大倍数，即：uo=Aud(uu+) 5.8.2 集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能

48、指标1）输入失调电压）输入失调电压UIO和输入失调电流和输入失调电流IIO 3）输入失调电压温漂和电流温飘）输入失调电压温漂和电流温飘2）输入偏置电流）输入偏置电流IIB221BBIBIII4）最大差模输入电压）最大差模输入电压一、静态参数一、静态参数TUddIOTIddIOidmaxU5）最大共模输入电压）最大共模输入电压icmaxU2）差模输入电阻）差模输入电阻Rid 二、动态参数二、动态参数1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数4）3dB带宽带宽BW 3）共模抑制比）共模抑制比CMRK 5）单位增益带宽）单位增益带宽GBW RS 6）转换速率（压摆率）转换速率（压摆率）RS反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。 开环差模电压放大倍数下降到开环差模电压放大倍数下降到1时所定义的时所定义的频带宽度频带宽度 。5.8.3 理想集成运算放大电路理想集