第4章 放大器基础-2-5

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。1T1+-+-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RL2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

/2vi2=vic

-

vid

/2即差分放大器的性能包括差模和共模性能和。

3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

。4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。

RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路52)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+-vid1RL2T1ii6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7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。半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE82)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双出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：半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE9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，同上半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL10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（温漂）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。11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12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???P18213普通差放存在的问题：???P182采用恒流源的差分放大器REE

KCMR

抑制零点漂移能力但IEE

Q

点降低

输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大14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15例：图示电路，已知

=100，vi=20sin

t(mV)，求vo

。解：(1)分析Q

点(2)分析Avd2、Avc2由于则(3)计算vo由于则T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k

10k

10k

(12V)(-12V)164.4.3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17不对称性较微小时，认为：用半电路分析法求得.例：两管直流负载电阻分别为RC和RC+△RC

，试求Av(c-d)

故其中Avc是单端输出时共模电压增益。18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+-VO

0零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偿电压。失调电压VIO

产生原因：19两管

不等，造成ICQ1

ICQ2

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20

失调模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；T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS21

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。22

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IG

0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。234.4.4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。双极型差放的差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称则得24差模传输特性曲线1OiC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEEOiC1-

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

|

>

100

mV

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

25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：26T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2RZRET3VZIDVIZminIZmax+-VZODZ27

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T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI228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OiD1-

iD2vIDISS-ISS-v

IDv

IDMOS差放进入非线性限幅区。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。294.5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

I0。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I0(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I0

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：304.5.1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=I0由于vBE1=vBE2根据得知因此，称iC2

是iC1

的镜像。参考电流由于因此

IR

(

>>2)31

当温度变化时，由于

、VBE(on)

的影响，I0

热稳定性降低。

IO精度及热稳定性由

当

较小时，I0与IR

之间不满足严格的镜像关系，I0

精度降低。

恒流特性由得知，当考虑基宽调制效应时，根据

VA除了降低I0精度外，还造成Ro较小，I0恒流特性变差。RO=rce2得知，则得32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I0

作为IR

镜像的精度。由图整理得式中输出电阻

Ro=rce2电阻RE的作用33Rｏ增大，I０恒流特性得到改善。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。电路优点由(

较大)(

较大)得当时，得式中34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。35

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364.5.3有源负载差分放大器有源负载设定恒流偏置设定374.5.3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38T1VCCic3T2vi1T3T4IEEVEEioic4ic2vi2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39T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi240414.6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

)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+-KCMRR

很大＋－v－v+vo42

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43（1）输入级：一般采用差动放大器；要求尽量减小零点漂移,尽量提高

KCMRR

,

输入阻抗

ri

尽可能大。（2）中间级：常采用发射极放大电路；要求有足够大的电压放大倍数。（3）输出级：采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力；要求带负载能力强，足够大的输出电流io

和电压uo,输出阻抗ro小。（4）偏置电路：一般采用恒流源电路，以提供合适的静态工作点。44F007电路的外表及外接电路双列直插式封装：圆形外壳封装：外接电路：调零电阻45识图目的：

前面我们学习了二极管、三极管、场效应管等器件，以及由它们构成的电压电流放大器、差分放大器等单元电路。今天我们通过对F007电路的了解来复习、巩固、深化所学知识，并把认识从孤立的单元上升到实际电路的目的。读图的方法：读图就是看懂电子电路的原理，弄清它的组成及功能，进而进行必要的定量估算。由于电子电路是对信号进行处理的电路。因而读图时应以信号流向为主线，以基本单元电路为依据，沿主要通路，将整个电路划分成具有独立功能的若干部分进行分析。46F007内部电路图：47识图的具体步骤：

1、了解用途、找出通路：为有助于弄清电路的工作原理，避免走弯路，读图前，应先了解电路用于何处，起什么作用。在此基础上，找出信号的传输通路，由于信号的流通枢纽是有源器件，因此应以它为中心连线查找。

2、对照单元、化整为零：通路找出后，电路的主要部分就显露出来了，为此对照所学的基本单元电路，将原理图分成若干个具有单一功能的部分，画出单元框图，并定性分析每个部分的工作原理及功能。3、统观整体，

估算性能：沿信号流向，用带箭头的线段把单元框图连接成整体框图，由此可看出各单元怎样配合起来实现电路功能的。最后对各单元电路的性能进行定量的估算。以得到整个电路的性能指标。进而加深对电路的认识，找到影响性能的主要环节，为调试、维修，甚至改进打下基础。481、了解用途、找出通路：为有助于弄清电路的工作原理，避免走弯路，读图前，应先了解电路用于何处，起什么作用。在此基础上，找出信号的传输通路，由于信号的流通枢纽是有源器件，因此应以它为中心连线查找。49简化电路图：502、对照单元、化整为零：

通路找出后，电路的主要部分就显露出来了，为此对照所学的基本单元电路，将原理图分成若干个具有单一功能的部分，画出单元框图，并定性分析每个部分的工作原理及功能。5152

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

、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。534.7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：(m

n)式中：标尺因子H0

=bm/an

，z为零点，p为极点。54

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551)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56

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：57

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

<0.1

p时，

>10

p

时，

=

p

时，-20dB/10倍频O

p0.1

p10

pAv(

)/dB

-20-3-5.7

O

p0.1

p10

p

A(

)

-45

-90

-45

/10倍频58确定上限角频率：O

p0.1

p10

pAv(

)/dB

-20O

p0.1

p10

p

A(

)

-45

-90

-20dB/10倍频-45

/10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/10倍频)的直线。相频渐近波特图：

自0

水平线出发，经0.1

p

处转折，斜率为(–45

/10倍频)，再经10

p

处转折为-90

的水平线。因

=p

时，

H=p59

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=p60O

p0.1

p10

p

A(

)

45

90

绘制渐近波特图：根据画出幅频波特图画出相频波特图O

p0.1

p10

pAv(

)/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：

<0.1

p：

90

的水平线。

0.1

p

<<10

p：斜率为(–45

/十倍频)的直线。

>10

p：0

水平线。61

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

。62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O

p20.1

p110

p3

A(

)

-90

p1

p3-180

-270

O

p2

p1

p3Av(

)/dB

204060-20

p3-20dB/10倍频-40dB/十倍频-60dB/十倍频-45

/10倍频-90

/十倍频-45

/十倍频63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(–

20dB/十倍频)的直线。相频渐近波特图：

自0

水平线出发，经0.1

p1

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10

pn

，转折成-

90

的折线。已知64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到上限角频率为若

p24

p1，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：65

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rbb

rberceCbeCbcgmVbe(s)b

ebcIb(s)Ic(s)根据定义经推导得其中

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

()

O4.7.2共发放大器的频率响应66当

=

T

时因此

T=

指

(

)下降到1时，对应的角频率。

特征角频率

T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

T1

()

O67

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。

68设原四端网络传递函数：

密勒定理网络+-+-V1(s)V2(s)Y

(s)网络+-+-V1(s)V2(s)Y1(s)Y2(s)密勒定理等效后：69

单向化近似高频等效电路

rbb

rberceCbeCbcgmVbe(s)b

Vo(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交流通路RC+-vo+-vsRLRS+-vi70共发高频等效电路及密勒近似密勒等效rbb

rbeCbegmVbe(s)b

Vo(s)RS+-R

L+-Vs(s)Y1(s)Y2(s)高频等效电路

rbb

rberceCbeCbcgmVbe(s)b

Vo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ec71rbb

rbeCbegmVbe(s)b

Vo(s)RS+-R

L+-Vs(s)CM1CM2简化等效电路中：密勒效应倍增因子：CtgmVbe(s)b

Rt+-R

L+-由简化等效电路得式中增益与上限频率72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

H

T，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)RL

D

H

，但AvsI

。需兼顾两者。73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。74简化等效电路

Ib(s)rbb

rbeCbegmVbe(s)b

Vo(s)RS+-R

L+-Vs(s)e

共集放大器4.7.3共集和共基放大器的频率响应高频等效电路

rbb

rberceCbeCbcgmVbe(s)b

Vo(s)RS+-RERL+-Vs(s)ec由于因此，Cbc

可忽略不计。令RL=rce//RE//RL共集交流通路

RE+-vo+-vsRLRS75共集简化等效电路

Ib(s)rbb

rbeCbegmVbe(s)b

Vo(s)RS+-R

L+-Vs(s)e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

T。考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在

T/3以下。

76

共基放大器由图高频等效电路(忽略

rbb

、rce)rbeCbeCbcgmVeb

(s)b

Vo(s)RS+-R

L+-Vs(s)ecIe(s)整理得受控源其中共基交流通路

+-vo+-vsRSRCRL77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

H

由于Cbc

很小，因此当RL

较小时：

p2>>

p1由主极点概念：

H

P1

结论：三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。re