第4章--差分放大电路和集成运算放大器.ppt

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第四章第四章差分放大电路与集成运差分放大电路与集成运算放大器算放大器4.1差分放大电路差分放大电路4.2集成运算放大器及其特性集成运算放大器及其特性4.3运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用一、结构一、结构4.1.1基本型差分放大器基本型差分放大器ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB基本差分放大器是由两个完全对称的单管放基本差分放大器是由两个完全对称的单管放大器组成。

大器组成。

4.1差分放大电路差分放大电路零点漂移零点漂移“零点零点”没有输入信号时的输出端直流电没有输入信号时的输出端直流电压（静态工作点电压）压（静态工作点电压）当放大器的环境温度或电源电压发生变化时，当放大器的环境温度或电源电压发生变化时，晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使在输入信号为零时，直流放大器的输出电压也会出在输入信号为零时，直流放大器的输出电压也会出现缓慢的不规则的变动。

这种现象称为现缓慢的不规则的变动。

这种现象称为“零点漂移零点漂移”，简称，简称“零漂零漂”。

二、二、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：

+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2三、三、共模信号和差模信号共模信号和差模信号+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：

共模输入信号：

ui1=ui2uic=ui1=ui2共模输入电压：

共模输入电压：

差模输入信号：

差模输入信号：

ui1=-ui2差模输入电压差模输入电压uid=ui1ui2=2ui1差模电压放大倍数差模电压放大倍数共模电压放大倍数共模电压放大倍数总输出电压总输出电压uoc=uod+uoc=Auduid+Aucuic4.1.2差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理VEE=UBEQ+IEEREEIEE=（VEEUBEQ）/REEICQ1=ICQ2（VEEUBEQ）/2REEUCQ1=VCCICQ1RCUCQ2=VCCICQ2RCUo=UCQ1UCQ2=0一、电路组成及静态分析一、电路组成及静态分析V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uoICQ1ICQ2IEEIEQ1IEQ2UCQ1直直流流通通路路UCQ2V1+VCCV2VEERCRCREEuoVEE1.差模输入与差模特性差模输入与差模特性=ui2差模电压放大倍数差模电压放大倍数带带RL时时Rid=2rbe差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻Rod=2RC二、动态分析二、动态分析ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2差模信号交流通路差模信号交流通路ic1ic2RLui1V1V2RCRCuodui2uo1uo2例例1已知已知:

=80,rbb=200,UBEQ=0.6V,试求试求:

（1）静态工作点静态工作点

（2）差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud差模输入电阻差模输入电阻Rid，输出电阻输出电阻Rod解解

（1）ICQ1=ICQ2（VEEUBEQ）/2REE=（120.6）/220=0.285（mA）UCQ1=UCQ2=VCCICQ1RC=120.28510=9.15（V）

（2）=10/10=5（k）Rid=2rbe=27.59=15.2（k）Rod=2RC=20（k）ui1V1+12VV212VRCRCREEuodui210k10k20k20k2.共模输入与共模抑制比共模输入与共模抑制比IEQ1+ie1IEQ2+ie2共模抑制比共模抑制比用对数表示：

用对数表示：

ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC22REE2REE共模信号交流通路共模信号交流通路V1V2RCRCuodui2uC1uC2共模电压放大倍数共模电压放大倍数

（2）若若Aud=50、Auc=0.05求求输出电压输出电压uo，及，及KCMR1.01V0.99V解解可将任意输入信号分解为可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和共模信号和差模信号之和

（1）ui1=1.01=1.00+0.01（V）ui2=0.99=1.000.01（V）uid=ui1ui2=1.010.99=0.02（V）uiC=（ui1+ui2）/2=1（V）

（2）uod=Auduid=500.02=1（V）uoc=Aucuic=0.051=0.05（V）uo=Auduid+Aucuic=1.05（V）=60（dB）

（1）求求差模输入电压差模输入电压uid、共模输入电压共模输入电压uic例例2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2三、差分放大电路的输入、输出接法三、差分放大电路的输入、输出接法有有四种不同的接法四种不同的接法双端双端输入、双端输出；输入、双端输出；双端双端输入、单端输出；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、单端输出。

单端输入、单端输出。

1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图图（a）双端输入、双端输出双端输入、双端输出2.双端输入、单端输出双端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uououO约约为双端输出的一半，即为双端输出的一半，即若由若由VT2集电极输集电极输出，出，uO为为“正正”。

图图（b）双端输入、单端输出双端输入、单端输出3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+单端输入单端输入则则当共模负反馈足当共模负反馈足够强时，够强时，三极管仍然基本工作在差分状态，所以三极管仍然基本工作在差分状态，所以图图（c）单端输入、双端输出单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改从若改从VT2集电集电极输出，则极输出，则这种接法比一般的单管放大电这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。

路具有较强的抑制零漂的能力。

图图（d）单端输入、单端输出单端输入、单端输出结论结论

（1）双双端端输输出出时时，Ad与与单单管管Au基基本本相相同同；单单端端输输出出时，时，Ad约为双端输出时的一半。

约为双端输出时的一半。

双端输出时，双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，单端输出时，Ro=Rc。

（2）双双端端输输出出时时，理理想想情情况况下下，KCMR；单单端端输输出时，共模抑制比不如双端输出高。

出时，共模抑制比不如双端输出高。

（3）单单端端输输出出时时，可可以以选选择择从从不不同同的的三三极极管管输输出出，而使输出电压与输入电压反相或同相。

而使输出电压与输入电压反相或同相。

（4）单单端端输输出出时时，由由于于引引入入很很强强的的共共模模负负反反馈馈，两两个管子仍基本工作在差分状态。

个管子仍基本工作在差分状态。

（5）单端输出时，单端输出时，Rid2（R+rbe）。

差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出AdKCMR很高很高很高很高较高较高较高较高RidRo4.1.3恒流源式差放电路恒流源式差放电路RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCCIC3R2T3R1R3-UEE恒流源的作用恒流源的作用恒流源相当于阻值恒流源相当于阻值很大的电阻。

恒流很大的电阻。

恒流源不影响差模放大源不影响差模放大倍数。

恒流源影响倍数。

恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数，使共模放大倍数减小，共模放大倍数减小，从而增加共模抑制从而增加共模抑制比。

比。

集成电路集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。

体基片上。

集成电路的优点：

集成电路的优点：

工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。

工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。

集成电路的分类：

集成电路的分类：

模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；4.2集成运算放大器及其特性集成运算放大器及其特性4.2.1集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成集成运算放大器是一种具有很高放大倍数运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路的多级直接耦合放大电路。

它是。

它是发展最早、发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。

应用最广泛的一种模拟集成电路。

运放的应用领域：

运放的应用领域：

信号处理、信号测量信号处理、信号测量、波、波形转换、自动控制等。

形转换、自动控制等。

运放的模拟计算：

运放的模拟计算：

信号的加、减、乘、除、积信号的加、减、乘、除、积分、微分、对数等运算。

分、微分、对数等运算。

集成电路内部结构的特点：

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。

向一致，温度均一性好。

2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。

高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。

高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。

替或外接。

3.几十几十pF以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。

大电容要外接。

4.二极管一般用三极管的发射结构成。

二极管一般用三极管的发射结构成。

运算放大器的组成运算放大器的组成输入输入级级：

都采用带恒流源的差分放大电路，输入电都采用带恒流源的差分放大电路，输入电阻阻高，能减小零点漂移和高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。

抑制干扰信号。

输入级输入级中中间级间级输出级输出级输入端输入端输出端输出端中中间级：

间级：

要求电压放大倍数高。

常采用带要求电压放大倍数高。

常采用带恒流源的恒流源的共共发射极发射极放大电路。

放大电路。

输出输出级级：

要求要求输出电阻低，带负载能力强，输出电阻低，带负载能力强，一般由一般由互补互补对称电路或射极输出器构成。

对称电路或射极输出器构成。

1111、电路组成：

、电路组成：

、电路组成：

、电路组成：

UEE+UCCu+uou反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：

原理框图：

输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相对输入级的要求：

对输入级的要求：

尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输入阻抗输入阻抗ri尽可能大尽可能大。

对中间级的要求：

对中间级的要求：

足够大的电压放大倍数。

足够大的电压放大倍数。

对输出级的要求：

对输出级的要求：

主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io。

即输出阻抗即输出阻抗ro小。

小。

集成运放的结构集成运放的结构

（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）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。

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）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。

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）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。

功率放大，提高带负载的能力。

运放符号：

运放符号：

uu+uou（UN）u+（UP）uoAo国际符号国际符号国内符号国内符号4.2.2集成运算放大器的性能指标集成运算放大器的性能指标集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标四、输出电阻四、输出电阻ro三、差模输入电阻三、差模输入电阻rid一、开环差模电压放大倍数一、开环差模电压放大倍数Aod二、