差动运算放大器

1第三章集成运算放大器3.1概述3.2差动放大电路3.3电流源电路与输出级电路3.4MOS集成运算放大器中的主要单元电路3.5常用集成运算放大器23.1概述集成电路是20世纪60年代初发展起来的一种新型器件，它把整个电路中的各个元器件以及元器件之间连接，采用半导体集成工艺同时制作在一块半导体芯片上，封装并引出管脚，做成具有特定功能的集成电子线路。优点：可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、使用方便等。什么是集成电路?3集成电路的分类模拟集成电路分类在众多的模拟集成电路中，集成运算放大器应用极为广泛.集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器，具有输入电阻大、输出电阻小的特点。数字集成电路对连续变化的模拟信号进行处理的集成电路。集成运算放大器集成功率放大器集成稳压器模拟乘法器对不连续的0-低电平,1-高电平,跃进的信号进行处理的集成电路。43.1概述3.1.1集成运算放大器电路设计上的特点3.1.2集成运算放大器的基本结构53.1.1集成运放的特点1、电路与元件参数具有对称性2、采用有源电阻代替无源电阻3、采用直接耦合的形式4、利用二极管进行温度补偿5、采用复合管的结构63.1.2集成运放的基本结构iu差动输入级中间放大级输出级偏置电路ou输入级：由可以抑制零点漂移的差动放大器组成中间级：采用共射电路可获较大的输出级：射极跟随器，增加带负载能力偏置电路：供给各级电路合理的偏置电流uA(差动放大器)(共射电路)(射极跟随器)73.2差动放大电路差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差值时，才能进行放大，即称为差模电压放大倍数)uu(Au2i1iudοudA差动放大电路udAi1ui2uou)uu(Au2i1iudο83.2差动放大电路3.2.1为什么选用“差动”的电路形式3.2.2基本差动放大电路的分析3.2.3差动放大电路的输入、输出形式3.2.4差动放大电路的改进形式93.2.1为什么选用“差动”的电路形式?1、集成电路级与级之间采用直接耦合，而直接耦合电路必然会产生“零点漂移”。零点漂移：当输入信号为0，由于电源波动、温度变化等原因，使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起始点做上下漂动，成为零点漂移。)30(A1u)30(A2u)30(A3u0Uiv01.0U1Ov3.0U2Ov9U3O如图3-3中，当时，由于某种原因使，设，则这种缓慢变化的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。0UΔiV1.0UΔo130AAAu3u2uiV9UΔo32、为了有效抑制零漂，输入级必须采用差动放大器。103.2.2差动放大电路的分析图3-4基本差动放大电路构成原理要想实现“有差能动”电路如图所示，电路最大特点是电路完全对称，其中V1、V2两管特性相同，元件参数之值相等。有两个输入端称双入，两个输出端称双出。当两个输入信号相同时，由于电路对称性，两管集电极电位相同，所以u0=01iuCCU2V2Ou1V1OuOucRcR1bR2bR2bR1bR1CU2CU2iu0uo113.2.2差动放大电路的分析抑制零点漂移的原理：当温度变化时，对两管的影响是一致的，相当给两管电路同时加入大小相等、极性相同的输入信号，因此，当电路特性完全对称的情况下，两管的集电极电位始终相同，不会出现普通直接耦合放大器那样的漂移电压，这就是为什么差动放大电路能够抑制零点漂移的原因。0uuu2C1Co1iuCCU2V2Ou1V1OuOucRcR1bR2bR2bR1bR1CU2CU2iu0uo12图3-5典型基本差动放大电路1iuouCCU2iuCRCR2ou1ou1CU2CUEEUER仅靠电路的对称性来抑制“零漂”是有限度的，对两个单管本身集电极电位的漂移并未加限制，所以实用电路为图3-5，在图3-4的基础上加RE和-UEEbRbR131、静态分析(ui1=ui2=0)图3-5典型基本差动放大电路EEU0u1iou1V0u2i2VCRCR2ou1ou1CU2CUERCCU直流通路eE1BEΕΕRI2UU1CeBEEEE1IR2UUI1CB1IIeE1cC1EECCCE1RI2RIUUUC2C1UU0UUuC2C1o(对地的电位)EEU1V2VCRCR1CU2CUERCCU1EI21EI1CIBEU1CEU1BI2EI14两个输入信号大小相等、极性相反,即ui1=-ui2，称差模输入.如ui1为正、ui2为负所以，差动放大电路输入差模信号时的输出电压是两管各自输出电压变化量的两倍2、差模信号输入EEU1iuouCCU1V2iu2VCRCR2ou1ou1CU2CUER2CI2CU1CI1CU2C1CoUUuv422uoV2U2CV2U1C153、共模信号输入EEU1iuouCCU1V2iu2VCRCR2ou1ou1CU2CUER0uo两个输入信号大小相等、极性相同，即ui1=ui2，这时uo=uc1-uc2=0。差动放大电路对共模信号的抑制能力很强。温度变化对差动放大电路来说相当于一对共模信号。所以差动放大电路对其零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一种特例。i2i1uu0UΔUΔuC2C1o164、任意信号输入在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分解为差模信号和共模信号两部分分别定义差模信号和共模信号为：iduicu2i1iiduuu2uuui2i1icicidi1uu21uicidi2uu21u差模信号:共模信号:174、任意信号输入差模信号加到电路上,两管V1和V2的基极获得差模信号为:共模信号加到电路上,两管V1和V2的基极获得共模信号为:ui1=ui2=uicidi1u21uidi2u21u1V2VEEUouCCU1V2VCRCR2ou1ou1CU2CUERicidi1uu21uicidi2uu21u184、任意信号输入例:则mV30ui1mV10ui2mV30mV20mV2021ui1mV10mV20mV2021ui2mV201030uidmV2021030uic1V2VEEUouCCU1V2VCRCR2ou1ou1CU2CUERmV20mV2021ui1mV20mV2021ui219当差模输入信号和共模输入信号都存在的情况下，根据叠加原理可以得出任意输入信号下总的输出电压，即越大，电路差模放大能力越强越小，电路抑制共模信号的能力越强icucidudouAuAuidoduduuAicocucuuA205、差模特性动态分析1V2VCRCR2odu1odu1CU2CUid1iu21uid2iu21uodue1ie2i图3-7差模输入时基本差动放大电路的交流通路图为差模输入时图3-7所示双入双出差动放大电路的交流通路。∵ui1=-ui2∴Ie1、Ie2大小相等，方向相反这两个交流电流之和为0,因此在Re上产生交流电压降为0。所以把Re视为交流短路eR21可见：差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍数和单边电路的电压放大倍数相同，差动放大电路为了实现同样的电压放大倍数，必须用二倍于单边电路的元器件数，但是换来了对零点漂移的抑制。1V2VCRCR2odu1odu1CU2CUid1iu21uid2iu21uodue1ie2i(1)差模电压放大倍数AudbeCilod1i1od1i2i1od2od1idodudrRuuu2u2uuuuuuAA.无负载:22B.带有负载电阻RL:由于电路对称，RL中点始终为零电位beLcudr2R//RA(1)差模电压放大倍数Aud1V2VCRCR2odu1odu1CU2CUid1iu21uid2iu21uodue1ie2i中点零电位LR231V2VCRCR2odu1odu1CU2CUodu(2)差模输入电阻ridbeid2rrberber双入双出差动放大电路的交流通路241V2VCRCR2odu1odu1CU2CUodu(3)差模输出电阻rodbercodR2r双入双出差动放大电路的交流通路25ic1iuuou1Vic2iuu2VCRCR2ou1ou1CU2CUER6、共模特性动态分析1ei2eiei共模信号输入时交流通路(1)共模信号输入时交流通路如图∵ui1=ui2=uic∴ie1和ie2大小相等，方向相同ie=2ie126EEUic1iuuouCCU1Vic2iuu2VCRCR2ou1ou1CU2CUER6、共模特性动态分析1ei2ei温度C1IReUBE1UC2IeIBE1UB1IB2IC1IC2I(2)Re对差模信号不起负反馈作用,Re对共模信号起强烈的负反馈.Re越大负反馈越强，抑制漂移越好276、共模特性动态分析(3)Re过大，当电源电压一定时，使三极管静态电流变小，影响静态工作点及电压放大倍数，为此，加-UEE来抵消Re上的压降获得合适的静态工作点。还可以考虑用恒流源来替代Re，恒流源的动态电阻更大，得到更好的负反馈效果。ic1iuuouCCU1Vic2iuu2VCRCR2ou1ou1CU2CUEEUER1ei2ei28EEUic1iuu0uo1Vic2iuu2VCRCR1CU2CUERCCU6、共模特性动态分析(4)共模电压放大倍数Aucc2c1uu0u0Aicuc(理想)0Auc296、共模特性动态分析(5)共模抑制比越大，越小，越大，差动放大电路的性能越好。理想情况下，为。实际上是一个很大的数值，为了方便，用分贝（dB）形式表示。ucudCMRRAAK（3-12）udAucACMRRKCMRRKCMRRKucudCMRRAAlg20K（3-13）303.2.3差动放大电路的输入输出形式1、单端输入单端输入可以看成双端输入的一种特例。即ui1=ui,,ui2=0可以有如图所示对输入方式来说，单入和双入并没有本质区别i1iuuCCU2V2Ou1V1OuOucRcR1bR2bR2bR1bR1CU2CU0u2iiii1u21u21uiii2u21u21u差模信号共模信号31差动放大电路的两种单端输出形式:（a）反相输出形式2、单端输出CCU1ViuOucRcRbReRbR2V（b）同相输出形式CCU1ViuOucRcRbReRbR2V2ui2ui2ui2ui322、单端输出(1）单端输出时的(2）单端输出时的ud1A)R//RR(rR21ALCLbe'Lud1uc1Aebecuc1R)1(2rRA2V1VOucRcR1bR2bR2bR1bR1CU2CU差模信号共模信号eRicidi1uu21uicidi2uu21u332、单端输出(3)单端输出KCMRR(4）单端输出时的ro∵仅从一管的集电极输出∴rod=RC)rR)1(2(rRR2Rr2RAAKebeeeCbeCuc1ud1CMRR1iuCCU2V1VOucRcR1bR2bR2bR1bR1CU2CU2iu34表3-1差动放大电路的输入输出形式35表3-1差动放大电路的输入输出形式363.2.4差动放大电路的改进形式1iuCCU2iuCRCR1CU2CU1V2VoupReR1bR2bR1、带电流源的差动放大电路(1)为了得到Re大，又要使UEE不致增加，用恒流源替代Re(2)因为当IB一定时，工作于放大区的IC的基本恒定。其交流电阻较大，抑制零漂效果好，但V3的UCE电压又不大（只要大于饱和压降），所以UEE的电压不致增加。Rb31和Rb32构成分压式偏置电路。(3)Rp为调零电位器，一般为几十到几百欧姆之间。EEUeIeRCEUCIEEU31bR32bRBI3VCCEceIΔ