模电与数电--4、差动放大器与集成运算放大器

1、(4-1),电子技术,第四章 差动放大器与 集成运算放大器,模拟电路部分,(4-2),第四章 差动放大器与 集成运算放大器,4.1 差动放大电路 4.2 集成运放的内部结构及特点 4.3 集成运放的主要性能指标,(4-3),4.1.1 直接耦合电路的特殊问题,增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。,问题 1 :前后级Q点相互影响。,4.1 差动放大电路,(4-4),问题 2 :零点漂移。,前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当 ui 等于零时， uo不等于零。,有时会将信号淹没,(4-5),一、结构,特点：结构对称。,4.1.2 基本型差动放大器,ui1,ui2,(4-6),二、 抑

2、制零漂的原理,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时：,当温度变化时：,+UCC,(4-7),三、 共模电压放大倍数AC,+UCC,共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同）,理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0,共模电压放大倍数：,（很小，1),但因两侧不完全对称， uo 0,(4-8),四、差模电压放大倍数Ad,差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反）,(很大，1),设uC1 =UC1 +uC1 ， uC2 =U

3、C2 +uC2 。 因ui1 = -ui2， uC1 =-uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2uC1,差模电压放大倍数：,+UCC,(4-9),五、共模抑制比(CMRR)的定义,例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分贝),(4-10),一、结构,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,4.1.3 双电源长尾式差放,特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ，采用正负双电源供电。,(4-11),双电源

4、的作用：,（1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。,(4-12),二、 静态分析,温度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,1. RE的作用,设ui1 = ui2 = 0,RE 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,(4-13),IC1= IC2= IC= IB,UC1= UC2= UCCICRC,UE1= UE2 =IBRBUBE,UCE1= UCE2 = UC1UE1,(4-14),三、 动态分析,1. 输入信号分类,(1)差模(differential mode)输入,ui1 = -ui2= ud,(2)共模( common m

5、ode) 输入,ui1 = ui2 = uC,差模电压 放大倍数:,共模电压 放大倍数:,(4-15),结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。,注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud,例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV,则：ud = 5mV , uc = 15mV,差模分量:,共模分量:,(4-16),(一) 差模输入,均压器,(4-17),RE 对差模信号作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,uRE = 0,RE对差模信号不

6、起作用,(4-18),差模信号通路,T1单边微变等效电路,(4-19),1. 放大倍数,单边差模放大倍数:,(4-20),若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,(4-21),ro = 2RC,ro,输入电阻：,输出电阻：,2. 输入输出电阻,思考题：电路去掉RB能正常工作吗？ RB的作用是什么？,(4-22),(二) 共模输入,RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变） 。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,(4-2

7、3),共模信号通路:,(4-24),T1单边微变等效电路,(4-25),AC 0,问题：负载影响共模放大倍数吗？,不影响！,(4-26),4.1.4 恒流源式差放电路,电路结构:,(4-27),rce3 1M,恒流源,T3 :放大区,静态分析：主要分析T3管。,VB3VE3 IE3 IC3,(4-28),电路改进：加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）,温度 ,IE3 ,温度,UBE4 ,UB3 ,IE3 ,结论：T4稳定IE3 。,IE3 ,UBE4 ,Q变化,(4-29),1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。,2. 恒流源不影响差模放大倍数。,3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放

8、大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,(4-30),4.1.5 差放电路的几种接法,双端输入双端输出：,Ad = Ad1,双端输入单端输出：,(4-31),单端输出：,对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。,ud = 0.5ui , uc = 0,ud = 0.5ui , uc = 0.5ui,(4-32),集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,4.2 集

9、成运放的内部结构及特点,(4-33),集成电路内部结构的特点：,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,(4-34),UEE,+UCC,u+,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,(4-35),对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够

10、大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。 （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。,(4-36),IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管, = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,(4-37),第4级：互补对称射极跟随器,第3级：

11、单管放大器,+,集成运放内部结构（举例）,极 性 判 断,(4-38),ri 大: 几十k 几百 k,运放的特点：,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,运放符号：,国际符号,国内符号,(4-39),4.3 集成运放的主要性能指标,一、开环差模电压放大倍数Aod,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,二、共模抑制比KCMMR,常用分贝作单位，一般100dB以上。,三、差模输入电阻rid,ri1M, 有的可达100M以上。,四、输出电阻ro,ro =几-几十。,(4-40),五、最大共模输入电压UIcmax,六、最大差模输入电压UIdmax,七、-3dB带宽fH,运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号。,还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍