经典差动放大电路课件

电子技术电子技术模拟电路部分模拟电路部分第三章第三章 集成运算放大电路集成运算放大电路差动放大器差动放大器1 主要内容主要内容1 概述概述2 差动放大电路的基本形式差动放大电路的基本形式3 射极耦合差动放大电路射极耦合差动放大电路4 具有恒流源差动放大电路具有恒流源差动放大电路2集成运算放大电路概述 集成电路：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：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。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直接耦合方式。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：输入级：输入电阻高、静态电流小、共模抑制比高，常输入电阻高、静态电流小、共模抑制比高，常采用差动放大电路。采用差动放大电路。中间级：中间级：采用采用有源负载的共发射极电路，增益大。有源负载的共发射极电路，增益大。偏置电路偏置电路：为各级设置合适的静态工作点为各级设置合适的静态工作点，镜像电流源，镜像电流源，微电流源。微电流源。输出级：输出级：线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、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。非线性失真小等。常用互补共集放大电路构成。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+uo uid集成运放的组成及其各部分的作用集成运放的组成及其各部分的作用在实践中，通常采用多级放大电路对信号进行放大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，变阻容耦合，直接耦合，变压器耦合压器耦合6阻容耦合阻容耦合的优点阻容耦合的优点：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。7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。直接耦合的缺点直接耦合的缺点：前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。零点漂移。零点漂移。8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：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：缺点：体积大、重量大、频率特性差。9uiRC1R1T1直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题增加增加R2、RE2:用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。问题问题 1:前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。2.差动放大电路的基本形式差动放大电路的基本形式+UCCuoRC2T2R2RE210问题问题 2:零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui 等于零时，等于零时，uo不等于零。不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没11一、结构一、结构特点：特点：结构对称。结构对称。2.基本差动放大电路基本差动放大电路12vi1vi2线性放大电路vo共模信号输入电压：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。共模信号共模信号 与差模信号与差模信号差模信号输入电压：二、二、抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo=UC1-UC2 =0uo=(UC1+uC1 )-(UC2+uC2)=0当当 ui1=ui2=0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：14三、差模电压放三、差模电压放大倍数大倍数Aud差模输入信号：差模输入信号：ui1=-ui2=1/2*Uid（大小相等，极性相反）（大小相等，极性相反）(很大，很大，1)因因ui1=-ui2，uo1=-uo2 uo=uo1-uo2=2uo1 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：差模输入电压差模输入电压：UidUi1Ui215四、四、共模电压放大倍数共模电压放大倍数AuC共模输入信号：共模输入信号：ui1=ui2=uiC（大小相等，极性相同）（大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：ui1=ui2 uC1=uC2 uo=0 共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：（很小，（很小，1)但因两侧不完全对称，但因两侧不完全对称，uo 016五五.任意输入的信号任意输入的信号:ui1,ui2，都可分解成差模分量和共，都可分解成差模分量和共模分量。模分量。注意：注意：ui1=uiC+uid ；ui2=uiC-uid例例:ui1=20 mV,ui2=10 mV则：则：uid=5mV,uic=15mV 差模分量差模分量:共模分量共模分量:173.射极耦合差动放大电路 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。由于电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。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。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射极耦合差动放大电路。18一、结构一、结构由于电路不可能绝对对称。为了使由于电路不可能绝对对称。为了使左右平衡，可设置调零电位器左右平衡，可设置调零电位器:3 射极耦合差动放大电路射极耦合差动放大电路特点：特点：加入射极电阻加入射极电阻RE；加入负电源；加入负电源-UEE，采用正负双电源供电。采用正负双电源供电。19双电源的作用：双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供。提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEUCE=UCC+UEE -IC(RC+2RE)20射极电阻RE的作用射极电阻RE的作用：T CIC1 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2.静态分析静态分析直流通路直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IB UCE=UCC+UEE -IC(RC+2RE)23三、三、动态分析动态分析(1)差模差模(differential mode)电压放大倍数电压放大倍数2425三、共模抑制比三、共模抑制比(CMR)的定义的定义例例:Aud=-200 Auc=0.1 KCMR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMR=KCMR(dB)=(分贝分贝)262728恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路29 恒流源恒流源T:放大区放大区uCEIB3iCUCE3IC3Q UCE3恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路30恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路静态分析静态分析3233341.恒流源相当于阻值很大的电阻。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。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，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。阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用35补充：电压增益补充：电压增益363738404142上面两图为：单端输入，双端输出上面两图为：单端输入，双端输出右图为：单端输入，单端输出右图为：单端输入，单端输出43四种差动放大电路比较l输入电阻l输入：单端或双端；单端或双端；双端输出双端输出l输入：单端或双端；单端或双端；单端输出单端输出l单端输入454647四种差分放大电路比较l输入电阻l双端输出l单端输出l单端输入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。补充：电流源补充：电流源50515253 集成电路运算放大器中的集成电路运算放大器中的电流源电流源 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 电电 流流 源源 概概 述述 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。集成电路电流源集成电路电流源 一、一、镜象电流源三极管三极管T1、T2匹配，匹配，则,BE2BE1BE21VVV=bbb 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。作为有源负载的应用5758二、微电流源微电流源 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IC2 远小于IREF,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。60三、比例式电流源三、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 e2e1E1E2 e2 E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRII R IRIVVRIVRIV +因相等，于是有62五、多路电流源五、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可获得多个恒定电流IC2、IC3。多路电流源例4.2.1,以电流源为有源负载的放大电路有源负载共射放大电路集电极的动态电流几乎全部流向负载，提高Au有源负载差分放大电路将T1管的集电极电流变化转换成输出电流，使所有变化电流流向负载此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！