模电线性部分-第四章放大器基础

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级，是另一类基本放大器。4.4差分放大器4.4.1电路结构由两完全对称的共发电路，经射极电阻REE耦合而成。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL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。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL因电路采用正负双电源供电，则VBQ1=

VBQ20

估算电路Q点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。因此

差模信号和共模信号4.4.2电路性能特点

差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为

vi1=-vi2=vid/2差模输入电压vid=vi1-

vi2

共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为

vi1=vi2=vic共模输入电压vic=(vi1+vi2)/2

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。

vi1=vic+vid/2vi1=vic-

vid/2即

差放半电路分析法

因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。分析步骤：

差模分析画半电路差模交流通路计算Avd、Rid、Rod

共模分析画半电路共模交流通路计算Avc、KCMR、Ric

根据需要计算输出电压

双端输出：

计算vo单端输出：

计算vo1、

vo2

差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL

双端输出电路REE对差模视为短路。iC2=ICQ-

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ（不变）故RL中点视为交流地电位，即每管负载为RL/2。直流电源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路1）半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。2）差模性能指标分析差模输入电阻差模输出电阻差模电压增益注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。半电路差模交流通路RC+-vod1+-vid1RL2T1ii

单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不变减小减小RC+-vod1=

vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路

共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL

双端输出电路每管发射极接2REE。iC2=ICQ+

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则RL对共模视为开路。直流电源短路接地。1）半电路共模交流通路因此REE上的共模电压：2iCREE因为流过RL的共模电流为0。半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE2）共模性能指标分析共模输入电阻共模输出电阻共模电压增益电路特点半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE无意义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（温漂）原理：

单端输出电路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。不变半电路共模交流通路

RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL单端输出电路特点

单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。利用REE抑制共模信号原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL

一般射极电阻REE取值较大因此很小。结论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。差放性能指标—归纳总结Rid与电路输入、输出方式无关。Rod仅与电路输出方式有关。Avd仅与电路输出方式有关。Avc仅与电路输出方式有关。双端输出单端输出双端输出单端输出双端输出单端输出其中其中

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的一项重要指标，其值越大越好。

定义双端输出电路单端输出电路提高IEE（即增大gm）、增大REE提高KCMR

普通差放存在的问题：

采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零点漂移能力但IEEQ点降低输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大

双端输出时

单端输出时

任意输入时，输出信号的计算其中其中

例：图示电路，已知

=100，vi=20sint(mV)，求vo

解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)（1）分析Q点（2）分析Avd2

、Avc2由于则（3）计算vo由于则4.4.3电路两边不对称对性能的影响实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：

双端输出时的KCMRT1、T2两管集电极电阻RC不相等或T1、T2两管的

及VBE(on)不对称例如产生运算误差理想情况实际情况由于则因此由两管参数不对称（如VBE(on)、IS、RC不等）引起失调。

失调及其温漂

输入失调电压VIOT1T2实际差放+-VO0零输入时等效为理想差放+-VOVIO+-从等效的观点看：VIO就是使VO=0时，在实际差放输入端所加的补尝电压。

失调电压VIO产生原因：两管不等，造成ICQ1ICQ2

输入失调电流IIO从等效的观点看：IIO就是使ICQ1=ICQ2时，在实际差放输入端所加的补尝电流。

失调电流IIO产生原因：T1VCCREEVEERCRCT2RSRSIBQ1IBQ2若取则

失调模型T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS总输入失调电压当RS较大时：当RS较小时：失调以IIO为主，为减小VIO

，应选IIO小的差放。失调以VIO为主，为减小VIO，应选VIO小的差放；

调零电路T1VCCREEVEERCRCT2RSRSVEE+-VORW（发射极调零电路）T1VCCREERCRCT2RSRSVEE+-VORW（集电极调零电路）

调节电位器RW，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。VIO和IIO的温漂若环境温度、电源电压等外界因素变化：三极管参数变化VIO和IIO变化。其中温度变化引起的温漂最大。可以证明：注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。MOS差放的失调因则（mV量级）由两管参数（如W/l、VGS(th)）及RD不匹配引起失调。

VIO产生原因：注意：MOS管差放的VIO>>三极管差放的VIO

4.4.4差模传输特性完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。

双极型差放__差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称则得差模传输特性曲线10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1-

iC2vID/VTIEE-IEE可以证明：

当|vID|

26mV时，差放线性工作（单管电路vI<2.6mV）。|vID|

>100mV后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。说明：若在两管发射极上串联电阻RE，则利用RE的负反馈作用，可扩展线性范围。RE线性范围但Avd

最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3

保证T1、T2、T3管工作在放大区，所对应的最大共模输入电压。要保证T1、T2管放大区工作：要保证T3管放大区工作：

MOS差放__差模传输特性

假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：得T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI2可以证明：

当|vID|<<2(VGSQ-VGS(th)

)时，MOS差放线性工作。差模传输特性曲线0iD1-

iD2vIDISS-ISS-vIDvID当|vID|(VGSQ-VGS(th)

)时，MOS差放进入非线性限幅区。2与双极型差放不同：线性范围与非限幅范围一般，MOS差放的线性与非限幅范围均比双极型差放大。4.5电流源电路及其应用直流状态工作时，可提供恒定的输出电流IO。

交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。+-VQ+vRiB恒定iC外电路（电流源电路）+-VQR电流源IO（直流状态）+-R电流源ROv（交流状态）

电流源电路特点：

对电流源电路要求：直流状态工作时，要求IO精度高、热稳定性好。交流状态工作时，要求RO大（理想情况RO）。利用iB恒定时，iC接近恒流特性而构成。

电流源电路原理：4.5.1镜像电流源电路

假设T1、T2两管严格配对

基本镜像电流源T1VCCiC1RT2IRiC2=IOvBE1=vBE2由于根据得知因此，称iC2是iC1的镜像。参考电流由于因此（>>2）

当温度变化时，由于、VBE(on)的影响，IO热稳定性降低。IO精度及热稳定性由得知：当

较小时，IO与IR之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。

输出电阻RO由得知：当考虑基宽调制效应时，根据得则

VA除了降低IO精度外，还造成RO较小，IO恒流特性变差。RO=rce2

减小

影响的镜像电流源T1VCCiC1RT2IRIOiRET3

结构特点T1管c、b之间插入一射随器T3。

电路优点减小分流

i，提高IO作为IR镜像的精度。由图整理得式中RO=rce2输出电阻

比例式镜像电流源T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2

结构特点两管射极串接不同阻值的电阻。

电路优点RO增大，IO恒流特性得到改善。由（较大）（较大）得当时得式中

微电流源T1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电流源中的R1=0

。由式中

根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前述电流源的IO只能做到mA量级。得输出电阻电路优点：可提供A量级的电流，且RO大，精度高。

MOS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，只是原参考支路中的电阻R被有源电阻T3取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若T1T2性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为(W/l)1、(W/l)2根据，得其中4.5.3有源负载差分放大器T1、T2构成的镜像电流源代替RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2

电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。

电路特点：

由镜像电流源知当差模输入时则差模输出电流当共模输入时则共模输出电流T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2

性能分析：

结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。由于则差模增益差模输入电阻差模输出电阻4.6集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。

集成运放性能特点Av很大：（104~107或80~140dB）Ri很大：（几k~105M或）Ro很小：（几十）静态输入、输出电位均为零。

集成运放电路符号反相输入端同相输入端输出端v-v+vo+-

集成运放电路组成

由于实际电路较复杂，因此读图时，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。输入级中间增益级输出级偏置电路采用改进型差分放大器采用1~2级共发电路采用射随器或互补对称放大器采用电流源F007集成运放内部电路输入级组成：由T1、T3和T2、T4组成的共集—共基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作T4管的有源负载。T8、T9组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻REE。输入级特点：改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。中间级组成：

T17构成共发放大器。

T13B、T12组成的镜像电流源作有源负载，代替集电极电阻RC。电路特点：中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，电压增益很高。隔离级：

T16管构成的射随器作为隔离级，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。输出级组成：T14与T20组成甲乙类互补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合而成。电路特点：输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。过载保护电路：T15、R6保护T14管，T21、T22、T24、R7保护T20管。正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护电路才启动。隔离级：T23A管构成的有源负载射随器作为隔离级，可提高中间级电压增益。T13A与T12组成的镜像电流源作有源负载，代替T23A的发射极电阻RE。偏置电路：偏置电路一般包含在各级电路中，采用多路偏置的形式。T10、T11构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。电平位移电路：输入级共集—共基组合电路中，采用极性相反的NPN与PNP管进行电平位移。不专门另设电平位移电路。

将上述单元电路功能综合起来可见，F007是实现高增益放大功能的一种集成器件。它具有高Ri、低Ro、高Av、高KCMR

、低失调、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。4.7放大器的频率响应从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。

传递函数和极零点4.7.1复频域分析法输入激励信号x(t)输出激励信号y(t)若设拉氏变换X(s)Y(s)在初始条件为零时，定义系统的传递函数：(mn)式中：标尺因子H0=bm/an

，Z为零点，p为极点。

在可实现的稳定有源线性系统中，分母多项式各系数恒为正实数，极点必为负实数或实部为负值的共轭复数。

零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也可以是正实数或实部为正值的共轭复数。

在仅含容性电抗元件的系统中：只要不出现由电容构成的闭合回路，则极点数=电容数。若出现闭合回路，则极点数=独立电容数。C1C2C3图示闭合回路，极点数=2说明1）写出电路传递函数表达式

A(s)

频率响应分析步骤复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：

2）令s=j，写出频率特性表达式

A(j)设极点均为负实数(

p

=

-p)，则4）确定上、下限角频率

3）绘制渐近波特图

RC低通电路频率响应CR+-+-vi(t)vo(t)

由图，传递函数表达式：时间常数式中，

令s=j，则频率特性表达式：幅值：或相角：0p0.1p10pAv()/dB-20-30p0.1p10pA()-45-90-5.7

绘制渐近波特图：根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：幅频<<p时，>>p时，=p时，相频<0.1p时，>10p时，=p时，-20dB/十倍频-45/十倍频

确定上限角频率：0p0.1p10pAv()/dB-200p0.1p10pA()-45-90-20dB/十倍频-45/十倍频归纳一阶因子渐近波特图画法：幅频渐近波特图：已知

自0dB水平线出发，经p转折成斜率为（–20dB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：

自0水平线出发，经0.1p处转折，斜率为(–45/十倍频)，再经10p处转折为-90的水平线。因=p时，H=p

RC高通电路频率响应

由图，传递函数表达式：时间常数式中，

令s=j，则频率特性表达式：幅值：相角：CR+-+-vi(t)vo(t)下限角频率：因=p时，L=p0p0.1p10pA()4590

绘制渐近波特图：根据画出幅频波特图画出相频波特图0p0.1p10pAv()/dB-2020dB/十倍频-45/十倍频幅频渐近波特图：>p：0dB水平线；<p：斜率为(20dB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：<0.1p：-90的水平线。0.1p<<10p：斜率为(–45/十倍频)的直线。>10p：0水平线。

多极点系统频率响应

利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式：式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3

如图所示的三级理想电压放大器，Ri，Ro0。试画渐近波特图，并求H。已知R1C1>R2C2>R3C3

频率特性表达式：幅频及相频表达式：均为单阶因子波特图的叠加。假设0p20.1p110p3A()-90p1p3-180-2700p2p1p3Av()/dB204060-20p3-20dB/十倍频-40dB/十倍频-60dB/十倍频-45/十-90/十-45/十归纳多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图：

自中频增益AvI(dB)的水平线出发，经pn转折成斜率为（–20ndB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：自0水平线出发，经0.1p1处开始转折，斜率为：

(–45/十倍频）乘以（单阶因子重叠的段数），再经10pn，转折成-90n的水平线。已知

确定上限角频率：根据定义，当=H时：即整理并忽略高阶小量得：上限角频率若p24p1，则称p1为主极点，p2、

p3为非主极点。上限角频率取决于主极点角频率：

高频工作，考虑三极管极间电容影响时，为频率的复函数。

三极管频率特性参数rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bebcIb(s)Ic(s)根据定义经推导得其中/2指()下降到中频的0.707倍时对应的角频率。共发电路截止角频率

()当=T时因此

指()下降到1时，对应的角频率。

特征角频率T

/2()T1根据T>>T是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。及

指()下降到中频的0.707倍时对应的角频率。

共基电路截止角频率

>T>>根据及整理得其中

三个频率参数中应用最广、最具代表性的是特征角频率T。通常，T越高，三极管高频性能越好，构成的放大器上限频率越高。设原四端网络传递函数：

密勒定理4.7.2共发放大器的频率响应网络+-+-V1(s)V2(s)Y

(s)网络+-+-V1(s)V2(s)Y1(s)Y2(s)密勒定理等效后：

单向化近似共发交流通路RC+-vo+-vsRLRS+-vi高频等效电路rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ecIc(s)由等效电路整理得单向化近似条件则

共发高频等效电路及密勒近似密勒等效rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)Y1(s)Y2(s)高频等效电路rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ecrbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)CM1CM2简化等效电路中：密勒效应倍增因子：CtgmVbe(s)bRt+-RL+-由简化等效电路得式中

共发电路频率响应

共发电路增益带宽积GBW

定义其中1）选rbb小、Cbc小、T高的三极管使GBW。若D1，则HT，此时上限角频率最高。2）管子选定后

采用恒压源（RS

0）激励：

采用恒流源（RS

）激励：D1时，H，上限频率降低。3）RLD

H

，但AvsI

。需兼顾两者。提高共发电路上限频率的方法：

在电路输入端采用低阻节点（即RS小）。

在电路输出端也采用低阻节点（即RL小）。

此时，共发电路上限角频率H最高，且接近管子特征角频率T。

共集放大器4.7.3共集和共基放大器的频率响应共集交流通路RE+-vo+-vsRLRS高频等效电路rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RERL+-Vs(s)ec由于简化等效电路rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)eIb(s)因此，Cbc可忽略不计。令RL=rce//RE//RL共集简化等效电路rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)eIb(s)由简化等效电路：式中零点角频率：

极点角频率：

并联在Cbe两端的总电阻

采用恒压源（RS

0）激励：

共集电路输入为低阻节点(RS小)时，上限角频率H。考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在T/3以下。

共基放大器由图高频等效电路(忽略rbb、rce)rbeCbeCbcgmVeb(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)ecIe(s)整理得受控源其中共基交流通路+-vo+-vsRSRCRLreCbeCbc

(s)Ie(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路由简化等效电路：式中共基电路输出为低阻节点(RL小)时，上限角频率HreCbeCb