差分式放大电路的传输特性.docx
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差分式放大电路的传输特性
第四章集成电路运算放大器
本章内容简介
（一）目标：
集成元器件，构成特定功能的电子线路
（二）侧重点不同：
区别于单元电路，研究对象为高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大电路
（三）主要内容组成集成运放的基本单元电路；典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数；几种专用型集成运放。
（四）学习目标了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。
正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及有关指标。
熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。
熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。
了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。
（选讲内容）了解集成运放主要参数的定义，以及它们对运放性能的影响。
（选讲内容）
（五）参考资料说明
清华大学童诗白主编《模拟电子技术基础》有关章节高文焕、刘润生编《电子线路基础》王远编《模拟电子技术基础学习指导书》陈大钦编《模拟电子技术基础问答、例题、试题》
4.1集成运放中的电流源
主要内容：
本节主要定义了电流源电路并做了分类基本要求:
正确理解电流源的定义及种类教学要点：
1.镜象电流源
（1）.电路组成：
镜象电流源是由三级管电流源演变而来的，如图1所示。
9
具育湼度丰卜倦作用的三极管电壺遞
（2）
所以它们的发射极电流和集电极电流均相等。
电流源的输
电流估算由于两管的Vbe相同，出电流，即T2的集电极电流为
7一”_7_罠—％-心2/c
JC2~JC1—2REF—E_丄REF7
P
当->>1时
RR
当R和Vcc确定后，基准电流Iref也就确定了，Ic2也随之而定。
由于Ic2~Iref,我们把Iref看作是Ic2的镜象，所以这种电流源称为镜象电流源。
（3）提高镜象精度
在图1中，当卩不够大时，Ic2与Iref就存在一定的差别。
为了减小镜象差别，在电路中接入BJTT3,称为带缓冲级的镜象电流源。
如下图所示。
该电路利用T3的电流放大作用，减小了Ib对IREF的分流作用，从而提咼了Ic2与IREF镜象的精
度。
原镜象电流源电路中，对IREF的分流为2Ib
带缓冲级的镜象电流源电路中，对Iref的分流为21b/33,比原来小。
2•微电流源
镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的
值（例如微安级），可采用微电流源电路。
（1）电路组成
为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻Re2,如图所示，便构成微电流源。
尺
（2）电流估算
由电路可得
卩EB1=『EB2+爲扎2
所以
F_%1-冷
JC2~JE2-~——
可见，用阻值不大的Re2就可获得微小的工作电流。
（3）多路电流源
在模拟集成电路中，经常用到多路电流源。
其目的是用一个电流源对多个负载进
行偏置。
典型的多路电流源如图所示。
A
图中，Ti、T2、T3的基极是并联在一起的。
电路用一个基准电流Iref获得了多个
电流。
3•电流源用作有源负载
由于电流源具有交流电阻大的特点（理想电流源的内阻为无穷大），所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。
这种由有源器件及其电路构成的放大电路的负载称为有源负载。
共发射极有源负载放大电路如图所示。
Ti是共射极组态的放大管，信号由基极输入、集电极输出。
T2、T3和电阻R组成镜象电流源代替Rc，作为Ti的集电极有源负载。
电流Ic2等于基准电流
Iref。
根据共射放大电路的电压增益可知，该电路电压增益表达式为
其中ro是电流源的内阻，即从集电极看进去的交流等效电阻。
而用电阻
Rc作负载
时，电压增益表达式为
由于ro>>Rc所以有源负载大大提高了放大电路的电压增益
4.2差分式放大电路
主要内容：
本节主要定义了差分式放大电路并引入了各类定义。
基本要求：
熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。
教学要点：
4.2.1差模信号和共模信号的概念
1.概念
差分式放大电路是一个双口网络，每个端口有两个端子，可以输入两个信号，输出两个信号。
其端口结构示意图如图1所示。
□
+
+
差放
+
0
+
卩iL
□
—0
+4-
差分式放犬电路输入輪出结构示意图
注意：
普通放大电路也可以看成是一个双口网络，但每个端口都有一个端子接地。
因此，只能输入一个信号，输出一个信号。
当差分放大电路的两个输入端子接入的输入信号分别为W和V2时，两信号的差值
称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号。
即
差模信号
共模信号
叫=弓（片1+叱）
根据以上两式可以得到
可以看出，两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分
2.两种信号的特点
差模分量：
大小相等，相位相反
共模分量：
大小相等，相位相同
3.增益
差模电压增益
4d=-
%
共模电压增益
乂冗=—
总输出电压
叫二必+卩：
二俎％+血％!
其中，；表示由差模信号产生的输出
4.共模抑制比
共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移能力的重要指标
Ad
Ac
422基本差分式放大电路
1.电路组成及特点组成：
由两个共射级电路组成。
人1如
巾—I—缶
11
”卩血
特点：
电路对称，
射级电阻共用，或射级直接接电流源（大的电阻和电流源的作用是一样的）有两个输入端
有两个输出端
2•工作方式
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
3.工作原理
（1）静态分析
0-^-2ZE]
（化円
"f导亠eu
当rBE1时，
2Re
2Re
I=Z=—
K2Blp
两管发射极电笹为
I
F=0"
EBE1
所以由地到负电源险之间有方程:
关键；求出T】、□两管的发射极电筛。
根据电路对称性有冷=如=土耳
注意：
两管的基极电拉為零
这是因为在静态时，Vi=O即Vi短路
静态时Vc仁Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。
即输入为0时，输出也为0
（2）动态分析当电路的两个输入端各加入一个大小相等极性相反的差模信号时,
vi1=vi2=vid/2
一管电流将增加，另一管电流减小，输出电压为：
vo=vc1-vc2工0
即差模信号输入时，两管之间有差模信号输出。
4•抑制零点漂移的原理
（1）零点漂移
如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。
但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。
零漂实际上就是静态工作点的漂移。
对于差分电路，当输入端信号为0（短路）时，输出应为0。
但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离0电位。
这种现象称为零点漂移。
（2）零漂产生的主要原因
a）温度的变化。
温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流lc的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。
因此，零漂有时也称为温漂。
b）电源电压波动。
电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。
无论是温度变化还是电源波动，都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。
因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。
（3）差动放大电路对零漂的抑制
a）双端输出时----＞靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。
温度变化＞两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同的变化＞在电路完
全对称的情况下，双端输出（两集电极间）的电压可以始终保持为零（或静态值）＞
抑制了零点漂移
b）单端输出时
由于电路中R的存在，将对电路产生如下影响：
jci'L-*
圧】TTIE1
（VB1,
不变）—>VEE1和YBE』TiE】和拒1l-
以上过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。
由于Re的存在，使Ic得到
了稳定，所以在双端输出的情况下，两管的输出会稳定在0（静态）值。
抑制了零点漂
移。
Re越大，抑制零漂的作用越强。
即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。
但由于艮上流过两倍
的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更强。
5•差模输入时主要技术指标的计算
（1）
交流通路和差模等效电路
双端输入双端输出
（a）差模输入时，vi仁-vi2=vid/2,当一管电流ic1增加时，另一管的电流ic2必
然减小。
由于电路对称，icl的增加量必然等于ic2的减少量。
所以流过恒流源（或
Re）的电流不变，ve=0.故如图所示的交流通路中Re为0（短路）。
（b）差模输入时，vi仁-vi2=vid/2,每一管上的电压仅为总的输入电压vid的1/2。
故虽然电路由两管组成，但总的电压放大倍数仅与单管的相同。
即Av=-BRc/rbe
（c）如果在输出端接有负载电阻Rl,由于负载两端的电位变化量相等，变化方向相
反，故负载的中点处于交流地电位。
因此，如图所示的交流通路中每一管的负载为Rl/2。
此时，总的电压放大倍数与单管的相同。
即Av=-BRl'br.
（d）由于双端输入，故输入电阻为两管输入电阻的串联，即Rid=2rbe
（e）由于双端输出，故输出电阻为两管输出电阻的串联，即Ro=2Rc
动态指标计算结果如下：
电压増益肆
Vvv尺1/-R）
需=亠=E一氐由于电路对称歸=_?
_=兰al11
差模输入电阻此■土=%沁匚
输岀电阻►R=2R
flC
（2）双端输入单端输出
电路和差模等效电路
|jC2
~~~\
NW』
y
蠟1o
++
妆■
Q
:
*q
一血
注意：
（a）由于单端输出时负载上输出的只是一个管子的变化量，而输入情况与双端输出时完全一样。
故放大倍数是双端输出的一半。
（b）单端输出时，输出电阻是一个管子的输出电阻。
故输出电阻为双端输出的一半。
ol
动态指标计算结果：
备厂厂一矿一一
idii
/钻（©〃％）_风RJRJ
输出电阻►尺广冬
（3）单端输入
应用：
有时要求放大电路的输入端有一端接地，就要使用这种放大器
单端输入时的交流通路如上图所示
（1）图中的ro很大（Re或者电流源的等效电阻），满足ro>>re（发射结电阻），故ro可视为开路。
（2）Ro开路后，可认为Vi均分在两管的输入回路上。
即每管的输入电压为Vi/2.
（3）于是，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。
各指标也近似相同。
双入双出时的差模指标：
单端输入等效于双端输入。
V心中L）
所以鶴=广=——
idbe
差模输入电阻瓦=2.
输出电阻R=2R
OC
结论：
（1）电压放大倍数Av和输出电阻Ro只与输出端的方式有关；单端输出时为双端输出的一半；
（2）输入电阻Ri只与输入端的方式有关；单端输入时为双端输入的一半；
6•共模输入时技术指标及共模抑制比
（1）双端输出交流通路如图
-I-V口«
+—■丄―J
吟二％代=2认叱!
=%
共模电压增益：
双端输出时的共模电压增益是指电路的双端输出电压与共模输入电压之比在电路完全对称的情况下，vo仁vo2,vo=vo1-vo2=0
共模增益为
输入电阻
共模情况下，两输入端是并联的，因此
\=|K+0+/02rJ
（2）单端输出
单端输出时的共模等效电路如图所示。
它等效于一个射级电阻为2ro的共射放大
电路。
Vol工丄
共模增益为:
1C
一般情况下，2ro»rbe,B>>1,则有
%一石
（3）共模抑制比共摸抑制比的定义共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即
Ad
电路的共摸抑制比Kcmr显示电路对零漂的抑制能力的大小。
越好。
双端输出时，电路完全对称的理想情况下，由于共模增益
g=20fe
或
因此希望Kcmr越大
C=0,所以
Kcmr=：
：
。
单端输出时，
若用电流源替换Re,则共模抑制比为
差分式放大电路几种接法的性能指标比较
輪岀方式
单端输入
单端
单端
菱模电压眉益
.岭乩r瞅
_y圖慫
%*吟F瓦
井梯电氐埴益H叱
■^vcita-_□=_
%制冬
共損抑制比rCMK
孔JfCkTW
屁MB*氏
0
直CMR%鱼
”0
茎摸输入电阻阳
殆.%
共摸输入电阻此
吨U瓠弋+和］
输出电阴气
%"%
&•唱
J?
-K
°■#
用建
1.用于输入、辅出不需要一瑞接地时
2.常闲于參圾直掾押台放大电路前前心、中间圾
将取瑞输人转搖为单端输出，常用干爭级豆接揭含加大电路的箱人趣和中问圾
將单端输入轉换禰眾端扁岀’常用于多级直揺辐合加大电賂的输入级
用在放大电蹈输入电賂和输岀电廃沟需有一端接地的电路中
423差分式放大电路的传输特性
传输特性就是放大电路输出信号（电流或电压）随输入信号变化的函数关系。
它可以用BJT的be结值电压vbe与发射极电流Ie的基本关系求出。
由PN结的伏安
特性可知
%e恤衍
（1）
九2%件代
（2）
又因为
Vid=VBEl"VBE2
（3）
k=iEl+iE2
（4）
由以上各式可解得
「广「_1「匸（5）
（6）
由式（5）、（6）做出ici、ic2与Vd的传输特性曲线如图2中实线所示
传输特性的讨论：
从传输特性曲线可以看出：
1.当vid=vi1-vi2=0时，ic1+ic2=lo,ic仁ic2=lo/2,即ic1/lo=ic2/lo=0.5
电路工作在曲线的Q点，处于静态.
2.当vid在0--±VT的范围内，
vid增加时，icl增加，ic2减小。
且ic1、ic2与vid呈线性关系。
电路工作在放大区。
如图中用竖虚线所示的区域。
3.当vid三4VT即超过土100mV寸，曲趋于平坦。
当vid增大时，T1管趋于饱和，T2管趋于截止。
Ic1-ic2几乎不变。
这时电路工作在特性曲线的非线性区。
差动放大电路呈现良好的限幅特性。
4.在两管的发射极上分别串接电阻R1=R2=Re可以扩大传输特性的线性范围。
如图中虚线所示。
4.3简单的集成电路运算放大器
主要内容：
本节主要介绍了集成电路运算放大器。
基本要求：
了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。
教学要点：
1集成电路运算放大器的组成
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。
（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能
力。
（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。
此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等
2.简单的运算放大器简单运算放大器的原理电路如图所示。
M.4kQ
2"―
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13.4kn
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19.3kn
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QgTkC］
©
（1）
（2）益。
（3）
1
简单运算放大器的原理图
Ti,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。
复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增
T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能
Vid=Vii-Vi2为零时，输出电
力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压
压vo=0的目的。
（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力
（5）电路符号：
由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端
端2）,与一个输出端3。
在运算放大器的代表符号中，反相输入端用相输入端用"+"表示。
器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。
（6）输入和输出的相位：
利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压
II
II
1和同相输入号表示，同
Vi从反相输
入端输入时（Vi2=0），如Vi1的瞬时变化极性为（+）时，各级输出端的瞬时电位极性为：
VC2（+）—VO2（-）fVB6（-）fVO（-）则输出信号电压Vo与V1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入Vi2（Vi1=0）时，可以检验，输出电压Vo与Vi2同相。
尽
\3.4kCi
□订
L.9RQ
5IkO
和屁|
13.4kQ
1
3.5kn
输岀端3与输入端1反相，1端为皿％反相输入端；同理*输出端3与输入
-端2同相，2端为同相输入端°
输出输入相位关系
瞬时核性法
-3
+
2oknj^
教学要点：
1.输入失调电压Vio
一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。
但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。
在室温（25C）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压Vio。
实际上指输入电压Vi=0
时，输出电压Vo折合到输入端的电压的负值，即
^10-
Vio的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。
Vio值愈大，说明电
路的对称程度愈差，一般约为一（1~10）mV。
2.输入偏置电流Iib
BJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流Ibn和Ibp。
输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，如图XX_01所示。
当时，偏置电流为
Ab=（加+
输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT
的性能，当它的1值太小时，将引起偏置电流增加。
从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。
一般为
10nA~1。
3.输入失调电流lio
在BJT集成电路运放中，输入失调电流Iio是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即
由于信号源内阻的存在，Iio会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。
所以，希望Iio愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1nA~0.1・A.
4.温度漂移
放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：
（1）输入失调电压温漂Mo/T
这是指在规定温度范围内Vio的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。
VioAT不能用外接调零装置的办法来补偿。
高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为-（10~20）WC。
（2）输入失调电流温漂Alio/也T
这是指在规定温度范围内Iio的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。
同样不能用外接调零装置来补偿。
高质量的运放每度几个pA。
5.最大差模输入电压Vidmax
所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。
超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。
利用平面工艺制成的NPN管约为一5V左右，而横向BJT可达
30V以上。
6.最大共模输入电压Vicmax
这是指运放所能承受的最大共模输入电压。
超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。
一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达-13V。
7。
最大输出电流Iomax
是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。
通常给出输出端短路的电流。
8.开环差模电压增益Avo
是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。
Avo与输出电压Vo的大小有关。
通常是在规定的输出电压幅度（如Vo=_10V）测
得的值。
Avo又是频率的函数，频率高于某一数值后，Avo的数值开始下降。
图XX_02
表示741型运放Avo的频率响应。
9.开环带宽BW（fH）
开环带宽BW又称为£dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。
741型集成运放的频率响应Avo（f）如图XX_02所示。
由于电路中补偿电容C的作用，它的fH约为7Hz。
10.单位增益带宽BWg（fT）
对应于开环电压增益Avo频率响应曲线上其增益下降到Avo=1时的频率，即Avo为0dB时的信号频率fT。
它是集成运放的重要参数。
741型运放的Avo=2105时，它的
•・•■■.'：
.。
4.5专用型集成电路运算放大器简介
教学要点：
目前，实用的集成电路运算放大器除了通用型外，还有性能更优良和具有特殊功能的集成运放，它们可分为高输入阻抗、低漂移、高精度、高速、宽带、低功耗、高压、大功率和程控型等专用型集成运放，现简要介绍如下：
1•高输入阻抗型
该类型集成运放的差模输入电阻rid>（10Ji012）w，输入偏置电流Iib为几皮安、几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。
实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。
2•高精度、低漂移型
这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。
3•高速型
对这种类型的运放，要求转换速率SR>30V/ms,最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BWg>10MHz。
一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。
实现高速的主要措施是，在信号通道中尽量采用NPN型管，以提高转换速率；同时加大工作电流，以使电路中各种电容的电压变化加快；或在电路结构上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET结构，使电路的输入动态范围加大，因而电路转换速率也增加。
目前产品有mA715、
LH0032和AD9618等，其中mA715的SR<100V/ms，BWg=65MHz，而AD9618的SR高达180
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