第三章 差动放大电路及集成运算放大器

差动放大电路及集成运算放大器第三章差动放大电路及集成运算放大器3.1差动放大电路3.2负反馈放大电路3.3集成运算放大器及其应用差动放大电路及集成运算放大器3.1差动放大电路差动放大电路也称为差分放大电路，简称为差放，它是集成运算放大器的重要单元电路。广泛应用于测量电路、医学仪器等电子设备中。3.1.1差动放大电路的结构及零漂的抑制在一些超低频及直流放大电路中，级间耦合必须采用直接耦合方式。直接耦合电路既能放大交流信号又能放大直流信号，具有相当好的低频特性，所以又常称为直流放大器。但由于其内部各级电路的静态工作点相互影响,给电路设计和调整带来诸多不便。差动放大电路及集成运算放大器另外在电源电压波动、元器件参数变化、尤其是环境温度变化时，都将使电路的静态工作点偏离原来的设计值，使输出端的电压漂离零点。这就叫零点漂移或温度漂移，简称零漂或温漂（因为这种漂移主要是由温度变化引起的）。温漂严重干扰了放大器的工作，会引起输出信号失真，严重时会把有用信号完全淹没。这是直流放大器必须克服的问题。实用中常采用多种补偿措施来抑制温漂，其中最为有效的方法是使用差动放大电路。该电路也是集成运算放大器的输入级电路。差动放大电路及集成运算放大器3.1.1.1差动放大电路的基本结构差动放大电路如图３-１所示。图3-1电路的基本结构差动放大电路及集成运算放大器图3-2差模输入时的交流通路差动放大电路及集成运算放大器该电路以中心线形成对称电路，晶体管VT1和VT2采用对管。电源为用双路对称电源，三极管的集电极经ＲC接ＵＣＣ，发射极经电阻接－ＵEE。电路中两管集电极负载电阻的阻值相等，两基极电阻阻值相等，输入信号ｕi1和ｕi2分别加在两管的基极上，输出电压ｕo从两管的集电极输出。这种连接方式称为双端输入、双端输出方式。当输入信号电压ｕi1＝ｕi2＝０，即差动放大电路处于静态时，由于电路的对称性，两晶体管的集电极电流相等，Ic1＝Ic2，集电极电位相等，则Ｕc1＝Ｕc2，因而使输出电压ｕo＝Ｕc1－Ｕc2＝０。显然该电路具备抑制零点漂移的能力。差动放大电路及集成运算放大器3.1.1.2静态工作点Q的计算图3-1中，静态时ｕi1＝0，ｕi2＝0，电阻Re上流过两倍的发射极电流，可先列电压方程式，再求出ＩBQ：则：电路设计时，一般都使2（β+1）ReRb，则：2(1)EEBQbBEBQeUIRUIR2(1)EEBEBQbeUUIRR2(1)EEBEBQeUUIR差动放大电路及集成运算放大器所以从ＩCQ的表达式中看出，ＵEE远大于ＵBE，则ＩCQ≈ＵEE/２Re，表明温度变化对静态影响很小，同时设计的电路是对称的，即使ＩCQ有一点变化，总有ＵC1Q=ＵC2Q，则ＵC1Q-ＵC2Q总等于零，使得静态时输出电压总保持在零的状态，有很强的抑制零点漂移的能力。(1)2EEBECQEQBQeUUIIIR(2)CEQCCEECQCeUUUIRR差动放大电路及集成运算放大器3.1.2差模输入时的电路工作原理在差动放大电路两管的基极输入端上分别加上幅度相等，相位相反的电压时，称为差模输入方式。图３-1中：ｕi1＝-ｕi2，两个输入信号的差称为差模信号ｕid。即：在图３-1中，可明显看出ｕid与ｕi1、ｕi2的关系为：12idiiuuu，，差模信号是放大电路有用的输入信号。1222idiiuuu12idiuu22idiuu差动放大电路及集成运算放大器图３-1电路中，在输入差模信号ｕid时，由于电路的对称性，使得VT1和VT2两管的电流为一增一减的状态，而且增减的幅度相同。如果VT1的电流增大，则VT2的电流减小。即ｉc1＝－ｉc2。显然，此时Re上的电流没有变化，即ｉRe=0，说明Re对差模信号没有作用，在Re上既无差模信号的电流也无差模信号的电压，因此作交流通路时(实际是差模信号通路），VT1和VT2的发射极是直接接地的。如图3-2所示。由图3-2看出，两管集电极的对地输出电压ｕo1和ｕo2也是一升一降地变化。即ｕo1=－ｕo２。从而在输出端得到一个放大了的输出电压ｕo。1212oooouuuu差动放大电路及集成运算放大器由图3-2可以计算出VT1、VT2的输出电压分别为：VT1的输出电压：VT2的输出电压：则差动放大电路的双端输出电压为：12()cidobbeRuuRr22()cidobbeRuuRr12CidooobbeRuuuuRr差动放大电路及集成运算放大器因此，其差模电压放大倍数为：上式说明，该电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相等。这里我们用两套电路的元件实现的电压放大倍数和一套电路相同。但该电路具有很好的超低频性能和很强的抑制零点漂移的能力，这个问题下面还要详细讨论。图3-2中可以算出差模输入电阻为:Rid＝２(ｒbe+Rb)输出电阻为：Rο＝２RCocudidbbeuRAuRr差动放大电路及集成运算放大器3.1.3共模输入信号与共模抑制比ＫCMR在差动放大器两输入端同时输入一对极性相同、幅度相同的信号称为共模输入方式。定义共模信号uic为两个输入信号的算术平均值，即：此时的输出电压为共模输出电压ｕoc。共模输入信号属于干扰信号，当温度变化使三极管电流同时变化时，也属于共模输入的干扰信号。122iiicuuu差动放大电路及集成运算放大器共模输入时，由于两管的发射极电流同时以同方向同幅度流经Re，则Re上产生较强的负反馈，阻止两管的电流变化，使Ｉc基本不变，则两管的集电极电位Uc也基本不变。同时由于电路的对称性，两管的Uc微小变化是同方向的。所以uoc在理论上应等于零。但由于元件参数的分散性，往往使电路不绝对对称，则uoc会有微小的数值。从以上分析看出，Re对共模信号起到了深度负反馈作用，有效地抑制了共模信号，同时当温度变化使两管的静态电流变化时，Re同样起到了深度负反馈作用，有效抑制了零点漂移。差动放大电路及集成运算放大器用表示共模电压放大倍数，Ａuc越小表示电路抑制温漂能力越好。通常用一个综合指标——共模抑制比来衡量差动放大器的好坏，记作ＫCMR。它定义为:ＫCMR值越大，表明电路抑制共模信号的性能越好。在工程上，常用分贝表示为：OCucicuAuudCMRucAKA20lg()udCMRucAKdBA差动放大电路及集成运算放大器3.1.4差动放大电路的四种连接方式差动放大电路有两个输入端和两个输出端。上面介绍的是双端输入双端输出电路，输入信号和输出信号的两端均不接地，处于悬浮状态。这对于某些不需要接地的信号源来说是合适的。但对需要接地的输入或输出设备来说，差动放大电路就需要连接为单端输入或单端输出方式。这样差动放大电路的连接方式组合起来就有四种连接方式：即双端输入双端输出；双端输入单端输出；单端输入双端输出；单端输入单端输出。下面分析一下双端输入单端输出电路的特点。差动放大电路及集成运算放大器图３-３所示电路为双端输入单端输出电路，与图３-１电路相比，只是输出端与前面不同。它的负载电阻RL是接在VT1的集电极到地之间的，当然也可以将RL接在VT2的集电极到地之间，但输出电压的极性就不同了。图3-3双端输入单端输出电路差动放大电路及集成运算放大器当ΔＵid=０时，由于两边电路的输入回路对称，故仍有:ＩCQ1＝ＩCQ2≈0.5ＩRe即：在输入差模信号时，UE保持不变。所以e点仍为交流接地点，只是输出电压从半边电路输出。因此放大倍数为双端输出电路的一半。即：由于电路的输入回路没有变，所以输入电阻不变。即：Ri=2（Rb＋ｒbe）。电路的输出电阻为Ro＝Rc1。2EEBECQeUUIR2()LudbbeRARr差动放大电路及集成运算放大器当电路中温度漂移或输入共模信号时，由于两边电路输入的是同极性、同幅值的信号，所以在Re上得到的是两倍的ΔＩE，即ΔUE＝２ΔＩE·Re。即两个三极管发射极的电位变化量可以认为是ΔＩE流过阻值为２Re的电阻产生的，如图3-4（a）所示。由于VT2的电路与计算共模输出电压增量ΔＵoc无关，故共模等效电路可只画出VT1的等效电路。如图3-4（b）所示。从图上可求出共模信号放大倍数为：/2(1)LUCbbeeRARrR差动放大电路及集成运算放大器图3-4双端输入单输出电路的共模信号分析差动放大电路及集成运算放大器上式中，由于（１＋β）×２Re的值设计得很大，所以单端输出电路的温漂也很小。可以求出其共模抑制比ＫCMR为：从上面两个表达式看出，增大Re对减小共模放大倍数和提高共模抑制比都有很大作用。因此，电路设计中Re的取值往往较大，这种电路也称为“长尾”式差放电路，即Re好比三极管VT1和VT2的尾巴，越长对抑制温漂越有利。(1)2(1)12()2udbbeeeCMEucbbebbeARrRRKARrRr差动放大电路及集成运算放大器在双端输入单端输出电路中，输出电压也可以在VT2管的集电极输出，这时电压放大倍数的绝对值不变，而输出电压的相位则与输入电压同相。对于单端输入双端输出电路，其各项参数的计算结果与双端输入双端输出电路的计算结果完全一样。单端输入单端输出电路与双端输入单端输出电路相同。这里不再详细分析，四种连接方法的电路特点读者可自行比较。差动放大电路及集成运算放大器3.1.5差动放大电路的改进图3-5具有恒流源的差放电路差动放大电路及集成运算放大器通过前面的分析，明显看出长尾式差动放大电路能有效地抑制温漂，而且Re越大抑制能力越强。特别在单端输出电路中，用大阻值的Re抑制温漂是非常必要的。但Re的阻值太大会使ＩCQ下降太多，影响输出电压幅度，另外在集成电路中不易制做大阻值的电阻。因此，可以用恒流源来代替发射极电阻Re。恒流源具有很大的交流等效电阻，本身可流过较大的直流电流，而直流压降却不太大。晶体管放大电路可做恒流源使用，因为晶体管在放大区的很大范围内ＩC基本是恒定的，这相当于一个内阻很大的电流源。如图３-5所示电路，图中ＩC3的计算方法同前面第二章中的单管放大电路静态工作点的计算一样。图中由于Ｉc1＋Ｉc2≈Ｉc3，若Ｉc3为恒定值，则Ｉc1和Ｉc2也基本上为恒定，所以由这种方式组成的差动放大电路温漂会更小。差动放大电路及集成运算放大器3.1.6差动放大电路的实用介绍图3-6传感信号放大电路差动放大电路及集成运算放大器在许多检测电路和自动控制电路中，经常用各种传感器把某些非电信号转换为电信号，再经过放大电路进行放大。显然，要放大这类信号源，用差动放大电路是非常合适的。图3-6(a)所示为一电桥式传感器,图中RX可以是一个热敏电阻(阻值随温度变化),也可以是一个压敏电阻(阻值随外力变化)或者是一个光敏电阻（阻值随光照变化）等。uab为传感器的输出信号。当Rx随外部因素阻值变化时，电桥失去平衡，输出一定幅度的电压信号uab。显然，a、b两点都不能接地。作为差模信号的uab，一般很微弱，而a、b两点的对地电位Ｕa和Ｕb形成的共模信号(Ua+Ub)/2往往是较强的。差动放大电路及集成运算放大器为了有效地放大微弱的ｕab信号，可以选取一个共模抑制比较大且差模放大倍数较高的差动放大器完成放大任务。在图3-6中把（a）图的a点和b点分别接至（b）图的点和点就构成了一个传感信号放大电路。其输出电压ｕo与加在电阻Rx上的物理量成线性关系。用这个电压信号去控制后续的专用电路便可完成检测任务或自动控制任务。ab差动放大电路及集成运算放大器3.2负反馈放大电路3.2.1反馈的基本概念把放大电路输出的信号再返回到输入端，称为反馈。反馈后不外乎有两种结果：一种是使输出信号增强，称为正反馈；另一种是使输出信号减弱，称为负反馈。本节主要介绍负反馈电路。图3-7反馈放大器的框图差动放大电路及集成运算放大器放大电路不加反馈电路的状态叫开环状态，加入反馈电路后叫闭环状态，所以反馈放大电路由基本放大器和反馈网络构成，其框图结构如图３-7所示。图中用Ｘ表示电压或电流信号。ＸS是信号