第6章集成运算放大器原理及其应用

第6章集成运算放大器原理及其应用5136.1差分放大器6.1.1差分放大器的分析6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性6.1.3举例6.1.4差分放大器的失调和温漂514绪论一.集成电路（IntegratedCircuit简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。二.摩尔定律未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）515绪论三.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。516绪论2.两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。5176.1差分放大器引子：为什么引入差分放大器？1.直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为直流信号。直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。直流信号不同于直流电。518引子：为什么引入差分放大器？2.直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。直流放大器常常采用直接耦合方式。两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移519引子：为什么引入差分放大器？1）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。1bR、1CQI1CEQU2BI、2CQI2CEQU520引子：为什么引入差分放大器？现象：输入电压为零，输出端电压表指针偏离零点或起始值，出现忽大忽小的不规则摆动。2）零点漂移定义：输入电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零漂。引起零漂的外界因素：•时间漂移：由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电路设计无关。•温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。•电源电压变化引起的漂移：当电源电压变化时，电路的直流电平配制受到某种破坏而导致输出零点的变动。521引子：为什么引入差分放大器？为什么是矛盾？•为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。•为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力也减弱了。寻求新方法解决矛盾！•抵消采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。•引入特殊的负反馈对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波互相抵消了。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。矛盾！•调制型直流放大器（框图）调制交流放大器解调直流信号直流信号交流信号交流信号5226.1.1差分放大器的分析1.电路形式——基本形式（长尾电路）两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。如何消除零漂？•输入信号为零，电路对称21ccUU120occUUU•某种因素产生零漂，如温度升高，12ccII、12ccUU、电路对称，晶体管参数相同，12ccuu120occuuu靠电路对称消除零漂！5236.1.1差分放大器的分析1.电路形式——射极电阻的几种不同形式输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：•从单管集电极取——单端输出•从两管集电极之间取——双端输出5246.1.1差分放大器的分析1.电路形式——差分式放大电路的组态基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。单端输入时，另一端接地。双入双出双入单出单入双出单入单出5256.1.1差分放大器的分析2.工作原理——输入信号的分析1）差模输入信号：21IIuuIdu21/IdIuu22/IdIuu即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号，记为21IIIduuu2）共模输入信号：21IIuu即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号，记为21IIIcuuuIcu零漂引起的就是共模信号，为有害信号。5266.1.1差分放大器的分析2.工作原理——输入信号的分析问题：差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般，即，非差模也非共模，该怎样分析？21IIuu解决方法：对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。5276.1.1差分放大器的分析2.工作原理——输入信号的分析2221211IIIIIuuuuu2221212IIIIIuuuuu221IIIcuuu令21IIIduuu具体分解方法：IcIdIuuu21IcIdIuuu225286.1.1差分放大器的分析2.工作原理——输入信号的分析例子：(mV)sintuI101(mV)sintuI42(mV)sintuId6(mV)sin/tuId32(mV)sin7tuIc1Iu2Iu差模输入信号（任一端都不接地）共模输入信号5296.1.1差分放大器的分析2.工作原理——电阻的分析eR1）差模信号作用下：111ECBiii、、222BCEiii、、相同VT1：VT2：流过的信号电流彼此抵消，在上无信号电压eReR两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。反之亦然。两管各极电流的变化正好相反，当10Iu5306.1.1差分放大器的分析2.工作原理——电阻的分析eR2）共模信号作用下：两管相应电流始终相等，流过的信号电流为，产生的电压为eREi2eERi2(2)EeiR引入了电流串连负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。5316.1.1差分放大器的分析2.工作原理——结论共模等效•差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。•差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输入信号（零点漂移）。结论差模等效5326.1.1差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻1）差模电压放大倍数udududAAA、)(21111122()fecOOudIdIbiehRuuAuuRh2221222()fecOOududIdIbiehRuuAAuuRh单端输出差模电压放大倍数5336.1.1差分放大器的分析12OOOuuuiebcfeududIdOOIdOudhRRhAAuuuuuA2121)(21IIudIdudOuuAuAu双端输出差模电压放大倍数双端输出只要输入电压有差别，输出就变动！5346.1.1差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻2）差模输入电阻)(iebidhRR2idR5356.1.1差分放大器的分析4.共模电压放大倍数和共模输入电阻1）共模电压放大倍数1111(1)22OcOcucIIcfeccbiefeeeuuAuuhRRRhhRR单端输出共模电压放大倍数和成反比，越大，越小。eR1ucAeR12()ucucucAAA、5366.1.1差分放大器的分析22212OcOcucucIIcuuAAuuOcOcOcucIcIcuuuAuu120单端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数单端输出时，射极电阻引入了电流串联负反馈，使得共模输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出电压为零，即共模输入电压完全被抑制。eR5376.1.1差分放大器的分析4.共模电压放大倍数和共模输入电阻2）共模输入电阻)]2)(1([21efeiebicRhhRRicR5386.1.1差分放大器的分析5.输出电阻oR无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的，输出电阻统一用表示。coRR25396.1.1差分放大器的分析6.共模抑制比——衡量差分放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。CMRuducAKACommonModeRejectionRatioCMRCMR(dB)20lgKK越大，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。5406.1.1差分放大器的分析6.共模抑制比1，双端输出时，使电路尽可能对称；增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常大的阻值；cucuceRAAR122减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：单端输出时，恒流源电路3，引入共模负反馈。2，5416.1.1差分放大器的分析6.共模抑制比——提高方法，电路举例1）恒流源电路3312311feeooeieehRr()hR//RhR2）引入级间共模负反馈or5426.1.1差分放大器的分析（往后）7.几种放大器方式性能参数比较双入双出双入单出单入双出单入单出udAucACMRK1(//)2fecLiehRRhcL(//)2feiehRRh0cLo//2RRriefeohrh1(//)2fecLiehRRhcL(//)2feiehRRh0cLo//2RRriefeohrhidRicRoR2ieho1[(1)2]2iehrc2RcR2ieho1[(1)2]2iehrc2RcR射极电阻或射极电流源内阻以上对应电路均未接基极电阻或信号源内阻忽略不计。5436.1.1差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式1）共集-共基差分放大器分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；OOOIIOuuuuuu11()()feLOIiefeLhRuuhhR11111ieLifehRRh121OIuu112CC组态CB组态5446.1.1差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式1）共集-共基差分放大器feLOOiehRuuh21feOOieoehuuhh16621oeLhRfeOOOIIOieoehuuuuuuhh11625456.1.1差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式2）共集-共射差分放大器分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；OOOIIOuuuuuu11LiieRRh12OIuu11CE组态()()feLOIiefeLhRuuhhR11111CC组态5466.1.1差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式2）共集-共射差分放大器feLOOiehRuuh21feOOieoehuuhh16621oeLhRfeOOOIIOieoehuuuuuuhh1165476.1.1差分放大器的分析例6-1某差分放大器已知，，，dB，已知为负值，求输出电压。Vm/sintuI1019.例题分析mV/sintuI62100udAucAOu解：IcucIdudOuAuAuIdI1I24sin/mVuuutI1I2Ic8sin/mV2uuutCMR1000.11000uducAAK1004sin0.18si