电子线路高教第四电子课件一一

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。第4章放大器基础T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL由于电路采用正负双电源供电，则VBQ1

=

VBQ2

0估算电路Q点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。因此第4章放大器基础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即第4章放大器基础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。第4章放大器基础差模性能分析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。1)半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。第4章放大器基础RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路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。第4章放大器基础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不变减小减小第4章放大器基础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因此流过RL的共模电流为0。第4章放大器基础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：第4章放大器基础半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE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。不变第4章放大器基础半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL单端输出出电路特特点单端输出出电路利利用REE的负反馈馈作用抑抑制共模模信号。。利用REE抑制共模模信号原原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL一般射极极电阻REE取值较大大因此很小。结论无论电路路采用何何种输出出方式，，差放都都具有放放大差模信号号、抑制制共模信信号的能能力。第4章放大大器基础础差放性能指标标归纳总总结Rid与电路输输入、输输出方式式无关。。Rod仅与电路路输出方方式有关关。Avd仅与电路路输出方方式有关关。Avc仅与电路输输出方式式有关。。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第4章放大大器基础础共模抑制制比KCMR是用来衡衡量差分分放大器器对共模模信号抑抑制能力力的一项项重要指指标，其其值越大大越好。。定义双端输出出电路单端输出出电路提高IEE(即增大gm)、增大REE提高KCMR第4章放大大器基础础普通差放放存在的的问题：：采用恒流流源的差差分放大大器REEKCMR抑制零点点漂移能能力但IEEQ点降低输出动态态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大第4章放大大器基础础双端输出出时单端输出出时任意输入入时，输输出信号号的计算算其中其中第4章放大大器基础础例：图示电路路，已知知=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由于则第4章放大大器基础础4.4.3电路两边边不对称称对性能能的影响响实际差分分放大器器，电路路不可能能做到完完全对称称：双端输出出时的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况实际情况况由于则因此第4章放大大器基础础由两管参参数不对对称(如VBE(on)、IS、RC不等)引起失调调。失调及其其温漂输入失调调电压VIOT1T2实际差放+-VO0零输入时等效为理想差放+-VOVIO+-从等效的的观点看看：VIO就是使VO=0时，在实实际差放放输入端端所加的的补偿电电压。失调电压VIO产生原因因：第4章放大大器基础础两管不等，造造成ICQ1ICQ2输入失调调电流IIO从等效的的观点看看：IIO就是使ICQ1=ICQ2时，在实实际差放放输入端端所加的的补尝电电流。失调电流IIO产生原因因：T1VCCREEVEERCRCT2RSRSIBQ1IBQ2若取则第4章放大大器基础础失调模型型总输入失调电压当RS较大时：：当RS较小时：：失调以IIO为主，为为减小VIO，应选IIO小的差放放。失调以VIO为主，为为减小VIO，应选VIO小的差放；第4章放大器基基础T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS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，改变两端发射射极电位或集集电极电阻，，使静态工作作时双端输出出电压减小到到零。第4章放大器基基础VIO和IIO的温漂若环境温度、电电源电压等外外界因素变化化：三极管参数变化VIO

和IIO

变化。其中温度变化化引起的温漂漂最大。可以证明：注意：调零电电路可以克服服失调，但不不能消除温漂漂。MOS差放的失调因IG0则(mV量级)由两管参数(如W/l、VGS(th))及RD不匹配引起失失调。VIO产生原因：注意：MOS管差放的VIO>>三极管差放的的VIO。第4章放大器基基础4.4.4差模传输特性性完整描述差模模输出电流随随任意输入差差模电压变化化的特性。双极型差放的差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称称则得第4章放大器基基础差模传输特性性曲线1OiC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEEOiC1-

iC2vID/VTIEE-IEE可以证明：当|vID|26mV时，差放线性性工作(单管电路vI<2.6mV)。|vID|>100mV后，一管截止、另一管导通，差放非线性工工作。说明：若在两管发射极上串联联电阻RE，则利用RE的负反馈作用，可扩展展线性范围。。RE线性范围但Avd第4章放大器基基础最大差模输入入电压范围：：最大共模输入入电压范围：：受VBR(BEO)限制的最大差差模输入电压压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3保证T1、T2、T3管工作在放大大区，所对应应的最大共模模输入电压。。要保证T1、T2管放大区工作作：要保证T3管放大区工作作：第4章放大器基基础MOS差放-差模传输特性假设两管特性性完全相同，，且工作于饱饱和区，则：：得T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI2第4章放大器基基础可以证明：当|vID|<<2(VGSQ-VGS(th))时，MOS差放线性工作作。差模传输特性曲线OiD1-

iD2vIDISS-ISS-vIDvIDMOS差放进入非线线性限幅区。。与双极型差放放不同：线性范围与非非限幅范围一般，MOS差放的线性与与非限幅范围围均比双极型差差放大。第4章放大器基基础4.5电流源电路及及其应用直流状态工作作时，可提供供恒定的输出出电流I0。交流工作时，，具有很高输输出电阻Ro，可作有源负载载使用。+-VQ+vRiB恒定iC外电路(电流源电路)+-VQR电流源I0(直流状态)+-R电流源Rov(交流状态)电流源电路特特点：对电流源电路路要求：直流状态工作作时，要求I0精度高、热稳稳定性好。交流状态工作作时，要求Ro大(理想情况Ro)。利用iB恒定时，iC接近恒流特性性而构成。电流源电路原原理：第4章放大器基基础4.5.1镜像电流源电电路假设T1、T2两管严格配对对，基本镜像电流流源T1VCCiC1RT2IRiC2=I0由于vBE1=vBE2根据得知因此，称iC2是iC1的镜像。参考电流由于第4章放大器基基础因此IR(>>2)当温度变化时时，由于、VBE(on)的影响，I0热稳定性降低低。IO精度及热稳定定性由当较小时，I0与IR之间不满足严严格的镜像关关系，I0精度降低。输出电阻RO由得知，当考虑基宽调制效应时，根据VA除了降低I0精度外，还造造成Ro较小，I0恒流特性变差差。RO=rce2第4章放大器基基础得知，则得减小影响的镜像电流源T1VCCiC1RT2IRIOiRET3结构特点T1管c、b之间插入一射射随器T3。电路优点减小分流i，提高I0作为IR镜像的精度。。由图整理得式中输出电阻Ro=rce2第4章放大器基基础比例式镜像电电流源T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2结构特点两管射极串接接不同阻值的的电阻。电路优点Rｏ增大，I０恒流特性得到到改善。由(较大)(较大)得当时，得式中第4章放大器基基础微电流源T1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电电流源中的R1=0。由式中根据集成工艺艺的要求，电电阻R不易做太大，，故前述电流流源的I0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。。第4章放大器基基础MOS镜像电流源MOS镜像电流源与与三极管基本本镜像电流源源结构相似，，只是原参考考支路中的电电阻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，得其中第4章放大器基基础4.5.3有源负载差分分放大器T1、T2构成的镜像电电流源代替RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2电路组成：T3、T4构成双端输入入单端输出差差放。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第4章放大器基基础T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2性能分析：结论：该电路不仅具具有放大差模模、抑制共模模的能力，在在单端输出时时，还获得双双端输出的增增益。由于则差模增益差模输入电阻差模输出电阻第4章放大器基基础4.6集成运算放大大器集成运放是实实现高增益放放大功能的一一种集成器件件。集成运放性能能特点Av很大：(104~107或80~140dB)Ri很大：(几k~105M)Ro很小：(几十)静态输入、输输出电位均为为零。集成运放电路路符号反相输入端同相输入端输出端v-v+vo+-第4章放大器基基础集成运放电路路组成由于实际电路路较复杂，因此读图时时，应根据电路组组成，把整个个电路划分成成若干基本单单元进行分析析。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第4章放大器基基础F007集成运放内部部电路输入级组成：：由T1、T3和T2、T4组成的共集—共基组合电路路构成双入单单出差放。T5、T6、T7组成的改进型型镜像电流源源作T4管的有源负载载。T8、T9组成的镜像电电流源代替差差放的公共射射极电阻REE。输入级特点：：改进型差放具具有共模抑制制比高、输入入电阻大、输输入失调小等等特点，是集集成运放中最最关键的一部部分电路。中间级组成：：T17构成共发放大大器。T13B、T12组成的镜像电电流源作有源源负载，代替替集电极电阻阻RC。电路特点：中间级是提供供增益的主体体，采用有源源负载后，电电压增益很高高。隔离级：T16管构成的射随随器作为隔离离级，利用其高输输入阻抗的特特点，提高输输入级放大倍倍数。输出级组成：：T14与T20组成甲乙类互互补对称放大大器。该放大大器采用两个个射随器组合合而成。电路特点：输出电压大，，输出电阻小小，带负载能能力强。过载保护电路路：T15、R6保护T14管，T21、T22、T24、R7保护T20管。正常情况保护护电路不工作作，只有过载载时，保护电电路才启动。。隔离级：T23A管构成的有源源负载射随器器作为隔离级，可提高中间间级电压增益益。T13A与T12组成的镜像电电流源作有源源负载，代替替T23A的发射极电阻阻RE。偏置电路：偏置电路一般般包含在各级级电路中，采采用多路偏置置的形式。T10、T11构成微电流源源，作为整个个集成运放的的主偏置。电平位移电路路：输入级共集—共基组合电路路中，采用极极性相反的NPN与PNP管进行电平位位移。不专门门另设电平位位移电路。将上述单元电电路功能综合合起来可见，，F007是实现高增益益放大功能的的一种集成器器件。它具有高Ri、低Ro、高Av、高KCMR、零输入时零输输出等特点，，是一种较理理想的电压放放大器件。第4章放大器基基础4.7放大器的频率率响应从系统的观点点看，小信号号放大器为线线性时不变系系统。传递函数和极极零点4.7.1复频域分析法法输入激励信号x(t)输出激励信号y(t)若设拉氏变换X(s)Y(s)在初始条件为为零时，定义义系统的传递递函数：(mn)式中：标尺因因子H0=bm/an，z为零点，p为极点。第4章放大器基基础在可实现的稳稳定有源线性性系统中，分分母多项式各各系数恒为正实数，极极点必为负实实数或实部为为负值的共轭复数。。零点可以是负负实数或实部部为负值的共共轭复数；也也可以是正实数或实部部为正值的共共轭复数。在仅含容性电电抗元件的系系统中：只要不出现由由电容构成的的闭合回路，，则极点数=电容数。若出现闭合回回路，则极点点数=独立电容数。C1C2C3图示闭合回路，极点数=2说明第4章放大器基基础1)写出电路传递递函数表达式式A(s)频率响应分析析步骤复频域内，无无零多极系统统传递函数一一般表达式：：2)令s=j，写出频率特性性表达式A(j)设极点均为负负实数(p=-p)，则4)确定上、下限限角频率3)绘制渐近波特特图第4章放大器基基础RC低通电路频率率响应CR+-+-vi(t)vo(t)由图，，传递函函数表表达式式：时间常数式中，令s=j，则频率率特性性表达达式：：幅值：或相角：第4章放放大器器基础础Op0.1p10pAv()/dB-20-3Op0.1p10pA()-45-90-5.7绘制渐渐近波波特图图：根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波波特图图画法法：幅频<<p时，>>p时，=p时，相频<0.1p时，>10p时，=p时，-20dB/10倍频-45/10倍频第4章放放大器器基础础确定上上限角角频率率：Op0.1p10pAv()/dB-20Op0.1p10pA()-45-90-20dB/10倍频-45/10倍频归纳一一阶因因子渐近波波特图图画法法：幅频渐渐近波波特图图：已知自0dB水平线线出发发，经经p转折成成斜率率为(–20dB/10倍频)的直线线。相频渐渐近波波特图图：自0水平线线出发发，经经0.1p处转折折，斜斜率为为(–45/10倍频)，再经经10p处转折折为-90的水平平线。。因=p时，H=p第4章放放大器器基础础RC高通电电路频频率响响应由图，，传递函函数表表达式式：时间常数式中，令s=j，则频率率特性性表达达式：：幅值：相角：CR+-+-vi(t)vo(t)下限角角频率率：因=p时，L=p第4章放放大器器基础础Op0.1p10pA()4590绘制渐渐近波波特图图：根据画出幅频波特图画出相频波特图Op0.1p10pAv()/dB-2020dB/十倍频频-45/十倍频频幅频渐渐近波波特图图：>p：0dB水平线线；<p：斜率为为(20dB/十倍频)的直线线。相频渐渐近波波特图图：<0.1p：90的水平平线。。0.1p<<10p：斜率为为(–45/十倍频频)的直线线。>10p：0水平线线。第4章放放大器器基础础多极点点系统统频率响响应利用RC低通电电路分分析结结果，，得传传递函函数表表达式式：：式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3如图所所示的的三级级理想想电压压放大大器，，Ri，Ro0。试画渐渐近波波特图图，并并求H。已知R1C1>R2C2>R3C3。第4章放放大器器基础础频率特特性表表达式式：幅频及及相频频表达式式：均为单阶因子波波特图图的叠叠加。。假设Op20.1p110p3A()-90p1p3-180-270Op2p1p3Av()/dB204060-20p3-20dB/10倍频-40dB/十倍频频-60dB/十倍频频-45/10倍频-90/十倍频频-45/十倍频频第4章放放大器器基础础归纳多极点点系统统渐近近波特特图画画法：：幅频渐渐近波波特图图：自中频频增益益AvI(dB)的水平平线出出发，，经pn转折成成斜率率为(–20dB/十倍频频)的直线线。相频渐渐近波波特图图：自0水平线线出发发，经经0.1p1处开始始转折折，斜斜率为为：(–45/十倍频)乘以(单阶因因子重重叠的的段数数)，再经10pn，转折成成-90的折线线。已知第4章放放大器器基础础确定上上限角角频率率：根据定定义，，当=H时：即整理并并忽略略高阶阶小量量得到到上限限角频频率为为若p24p1，则称p1为主极极点，，p2、p3为非主主极点点。上限角角频率率取决决于主主极点点角频频率：：第4章放放大器器基础础高频工工作，，考虑虑三极极管极极间电电容影影响时时，为频率率的复复函数数。三极管管频率率特性性参数数rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bebcIb(s)Ic(s)根据定定义经推导得得其中

指()下降到中频的0.707倍时对应的角频率。共发电电路截截止角角频率率第4章放大器基础()O当=T时因此T=指()下降到1时，对应的角频率率。特征角频率T根据T>>T是三极管具有电流流放大作用的最高高极限角频率。及第4章放大器基础T1()O

指()下降到中频的0.707倍时对应的角频率。共基电路截止角频频率>T>>根据及整理得其中三个频率参数中应应用最广、最具代代表性的是特征角角频率T。通常，T越高，三极管高频频性能越好，构成成的放大器上限频频率越高。第4章放大器基础设原四端网络传递递函数：密勒定理4.7.2共发放大器的频率率响应网络+-+-V1(s)V2(s)Y

(s)网络+-+-V1(s)V2(s)Y1(s)Y2(s)密勒定理等效后：第4章放大器基础单向化近似高频等效电路

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第4章放大器基础共发交流通路RC+-vo+-vsRLRS+-vi共发高频等效电路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)ec第4章放大器基础rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)CM1CM2简化等效电路中：：密勒效应倍增因子子：CtgmVbe(s)bRt+-RL+-由简化等效电路得式中共发电路频率响应应第4章放大器基础共发电路增益带宽宽积GBW定义其中1)选rbb小、Cbc小、T高的三极管使GBW。若D1，则HT，此时上限角频率最最高。2)管子选定后采用恒压源(RS0)激励：采用恒流源(RS)激励：D1时，H，上限频率降低。3)RLDH，但AvsI。需兼顾两者。第4章放大器基础提高共发电路上限限频率的方法：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，共发电路上上限角频率H最高，且接近管子子特征角频率T。第4章放大器基础共集放大器4.7.3共集和共基放大器器的频率响应高频等效电路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第4章放大器基础共集交流通路

RE+-vo+-vsRLRS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。

第4章放大器基础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)共基简化等效电路第4章放大器基础由简化等效电