差动放大电路

1电子技术模拟电路部分第三章集成运算放大电路差动放大器2主要内容§1概述§2差动放大电路的基本形式§3射极耦合差动放大电路§4具有恒流源差动放大电路集成运算放大电路概述集成电路：是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成运算放大电路：最初用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等）上，故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。集成运放的电路结构特点一、因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。二、因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。三、因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。四、因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。输入级：输入电阻高、静态电流小、共模抑制比高，常采用差动放大电路。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。偏置电路：为各级设置合适的静态工作点，镜像电流源，微电流源。输出级：线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等。常用互补共集放大电路构成。输入级偏置电路中间级输出级+uouid集成运放的组成及其各部分的作用6在实践中，通常采用多级放大电路对信号进行放大＋－＋－UsRsC1RB21V1RB11RC1RB12RB22RE2V2RC2C3RL＋EC＋－UoC2UiRE1RE1RB21RB11T1RB22CE1CBRB12T2＋ECRLRE2CE2V1V2多级放大电路各级间的连接方式（耦合方式）有三种：阻容耦合，直接耦合，变压器耦合7阻容耦合＋－＋－UsRsC1RB21V1RB11RC1RB12RB22RE2V2RC2C3RL＋EC＋－UoC2UiRE1阻容耦合的优点：由于前后级是通过电容相连的，所以各级的静态工作点是相互独立的，不互相影响，这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。阻容耦合的缺点：不适用传送缓慢变化的信号。更不能传送直流信号；另外，大容量的电容在集成电路中难以制造，所以，阻容耦合在线性集成电路中无法采用。8直接耦合为了避免电容对缓慢信号带来的不良影响，去掉耦合电容，将前级输出直接连到下一级，我们称之为直接耦合。直接耦合的缺点：适用传送缓慢变化的信号。直接耦合的缺点：前后级Q点相互影响。零点漂移。RB1RC1RC2＋－Uo＋ECV1V2VZRsUs＋－9变压器耦合通过变压器，把初级的交流信号传送到次级。而直流电压和电流通不过变压器。变压器耦合主要用于功率放大电路。优点：实现交流的传送而直流不能通过。而且可变换电压和实现阻抗匹配。缺点：体积大、重量大、频率特性差。RE1RB21RB11T1RB22CE1CBRB12T2＋ECRLRE2CE2V1V210uiRC1R1T1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。2.差动放大电路的基本形式+UCCuoRC2T2R2RE211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。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将信号淹没12一、结构特点：结构对称。2.基本差动放大电路vi1vi2线性放大电路vo共模信号输入电压：)(2121iiicvvv差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。共模信号与差模信号差模信号输入电压：)(21iiidvvv14二、抑制零漂的原理uo=UC1-UC2=0uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0当ui1=ui2=0时：当温度变化时：15三、差模电压放大倍数Aud差模输入信号：ui1=-ui2=1/2*Uid（大小相等，极性相反）(很大，1)因ui1=-ui2，uo1=-uo2uo=uo1-uo2=2uo1差模电压放大倍数：1212ioiioCuuuuuA差模输入电压：Uid＝Ui1－Ui2besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA'2121)(单单16四、共模电压放大倍数AuC共模输入信号：ui1=ui2=uiC（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0iCouCuuA17五.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=uiC+uid；ui2=uiC-uid例:ui1=20mV,ui2=10mV则：uid=5mV,uic=15mV差模分量:221iiiduuu共模分量:221iiicuuu3.射极耦合差动放大电路18基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极c1、c2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂，所以，基本差动电路存在如下问题。①由于电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。②由于每一个管子没有采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分大时，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。③在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1或c2对地输出(单端输出)，而这时的零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。对此，我们提出射极耦合差动放大电路。19一、结构由于电路不可能绝对对称。为了使左右平衡，可设置调零电位器:3射极耦合差动放大电路特点：加入射极电阻RE；加入负电源-UEE，采用正负双电源供电。20双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEUCE=UCC+UEE-IC(RC+2RE)射极电阻RE的作用射极电阻RE的作用：T°CIC1IC2IE=IC1+IC2UE=IERE+（-UEE）UBE1、UBE2IB1、IB2IC1IC2uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流负反馈，稳定静态工作点射极电阻RE的作用：（2）RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）（3）RE对差模信号相当于短路ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REIEui1=-ui2，设ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2ie1=-ie2IE不变结论：IE具有恒流特性用恒流源代替RE，可使电路进一步改善232.静态分析直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IBUCE=UCC+UEE-IC(RC+2RE)EEEEBBEEEBRURRUUI2)1(2EEERU224三、动态分析(1)差模(differentialmode)电压放大倍数2526三、共模抑制比(CMR)的定义例:Aud=-200Auc=0.1KCMR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMR=KCMR(dB)=(分贝)icudAAucudAAlog202728恒流源差动放大电路2930恒流源T:放大区cceceIUr动态电阻：uCEIB3iCUCE3IC3QUCE3恒流源差动放大电路cceceIUR直流电阻：恒流源差动放大电路32静态分析3334351.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。恒流源的作用补充：电压增益3637381e12Re//R//222()2()2ibeLLcoddidbbbebebocRRiuAuiRrRbrRRrRR4041(//)(//)2()2()2();OdiduicRcRLRcRLAduibRbrbeRbrbeRiRbrbeRoRc4243上面两图为：单端输入，双端输出右图为：单端输入，单端输出四种差动放大电路比较输入电阻输入：单端或双端；双端输出输入：单端或双端；单端输出单端输入2()RiRbrbeeR//2;0;2LdbeRAAcRoRcRbreR//(//)2;;2()2(1)ReLdbeRRcRLAAcRoRcRbrRbrbe2IIuuoAduAc454647(//)2(1)Re2(1)Re2()OcicCMRuRcRLAcuRbrbeAdRbrbeKAcRbrbe四种差分放大电路比较输入电阻双端输出单端输出单端输入2()RiRbrbeeR//2;0;2LdbeRAAcRoRcRbreR//(//)2;;2()2(1)ReLdbeRRcRLAAcRoRcRbrRbrbe2IIuuoAduAcR2T3R1R3-UEE+UCCui2ERC1T1RC1T2ui1T4T1T2RC2RC2RE2单端输出,至下一级双端输出双端输入如单端输出,此RC2可去消3.2.5差放电路的几种接法接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。50补充：电流源515253集成电路运算放大器中的电流源一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3、电流源电路一般都加有电流负反馈，4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。电流源概述电流源概述2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。二、电流源电路的用途：1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。4、电流源还可单独制成稳流电源使用。集成电路电流源一、镜象电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVVIIIIIIRCBCBC()1222212且RVVIBECCR，当2时,IICR2，IC2和IR是镜象关系。镜象电流源其中：基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的。I2CIR作为有源负载的应用5758二、微电流源微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。微电流源2221eEBEBEBERIVVVIC2远小于IREF,。RVICCREF当R取几k时，IREF为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2的稳定性也比IREF的稳定性好。222eBEECRVII60三、比例式电流源在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。比例式电流源因两三极管基极对地电位e2e1E1E2e2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV因相等，于是有62五、多路电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获