第三、四章差动放大电路、集成运放

1第3讲3.2差动放大器第3章基本放大电路4.1概述4.2集成运放的开环和闭环第4章集成运算放大器3.2差动放大电路3.2.1直接耦合放大电路3.2.2基本型差动放大器3.2.3双电源长尾式差动放大器3.2.4恒流源式差动放大器3.2.5差动电路的几种接法第3章基本放大电路3.2.1直接耦合电路因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用于放大频率较高的交流信号。对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。建立静态工作点零漂和温漂概念零点漂移：输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象温度漂移：由于温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因。抑制温度漂移的方法•在电路引入直流负反馈电阻RE。•采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。•采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分放大电路”+UCCuoRC2T21.前后级Q点相互影响。（须增加RE2）问题:uiRC1R1T1R2RE22.零点漂移:前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（须增加两级之间的直流负反馈）直接耦合放大器的级联差分放大电路的组成1.结构:对称性结构3.3.2基本型差动放大器+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uo=uC1-uC2uC1uC22.优点：抑制温漂原理如下:uo=uC1-uC2=0uo=(uC1+uC1)-(uC2+uC2)=0当ui1=ui2=0时，当温度变化时：对称性uC1=uC2uC1=uC2+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC23.共模电压放大倍数ACuo=uC1-uC2+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC2当ui1=ui2（大小相等，极性相同），共模输入信号设ui1，ui2，使uC1，uC2。因ui1=ui2，uC1=uC2uo=0(理想化)。但因两侧不完全对称，uo0共模电压放大倍数AC=uoui1（很小，1)+UCCRCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uC1uC24.差模电压放大倍数Ad当ui1=-ui2（大小相等，极性相反），差模输入信号(很大，1)设ui1,ui2,使uC1,uC2。设uC1=uC1-uC1,uC2=uC2+uC2。因ui1=-ui2，uC1=uC2uo=uC1-uC2=-uC1-uC2=-2uC1差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=uo2ui15.共模抑制比(CMRR)的定义CMRR=20logdb(分贝)ACAd例:Ad=-200Ac=0.1CMRR=20log(-200)/0.1=66dbCMRR—CommonModeRejectionRatio1.结构:3.3.3双电源长尾式差放特点：加入射极电阻RE加入负电源-UEE，采用正负双电源供电+UCC(+15V)RCR1T2RBuoRCR1T1RBui2ui1uo=uC1-uC2uC1uC2-UEE（-15V）RE静态分析：u11=u12=0长尾式差分放大电路Re1212220210EQEQEQBQbBEQEQEEEBQbEQBEQEEBEQEQEEQBQCEQCQEQCCCQCBEQCQCQIIIIIRUIRVIRUUVUIRIIUUUVIRUuoUUui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）RE2.双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0双电源长尾式差放中双电源和射极电阻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放大倍数(1)共模信号输入ui1=ui2共模电压放大倍数AC=uoui1(2)差模信号输入ui1=-ui2ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2差模电压放大倍数Ad=uoui1-ui2=–RCrbe对差模信号的放大作用1e12Re//R//222()2()2ibeLLcoddidbbbebebocRRiuAuiRrRbrRRrRR电压传输特性放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2(3)如果ui1ui2ud差模分量:2ui1-ui2=共模分量:uC2ui1+ui2=ui1=uC+udui2=uC-ud叠加分解uC+uduC-ud结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存放大倍数ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2uC+uduC-ud只考虑共模输入时:uoC=ACuC只考虑差模输入时:uod=Ad(2ud)总输出:uo=uoC+uod=ACuC+Ad(2ud)Ad(2ud)=Ad(2)=Ad(ui1-ui2)2ui1-ui2ud2ui1-ui2=uC2ui1+ui2=ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE（-15V）REuo=uC1-uC2总输出:uo=Ad(ui1-ui2)反相输入端u-同相输入端u_+放大倍数单端输入:当ui2=0时,双端输入uo=Adui13.3.4恒流源式差放电路电路结构:R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1电路特点：IC3具有恒流特性抑制温漂的原理T°CIC1IC2IC1+IC2=IC3=IE3UBE3=UB3-UE3R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1IE3R2R1+R2（UCC-UEE）+（-UEE）UB3=认为稳定UE3=IE3R3-UEEIC3结论：IC3保持恒流，对共模信号抑制，对差模信号相当于短路加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoEB2RCT1RCT2ui1IE3IE4T°CIE3IE4(UCC+UEE-UBE4)/(R1+R2)恒定T°CUBE4iBuBET°CIE4恒定UBE4减小T4UBE4UB3IE3结论:T4稳定IE32212233333122REERBECECEQEQRUVRRUUIIRIII图3.3.15场效应管差分放大电路为获得高输入电阻的差分放大电路，这种电路特别适合于做直接耦合多级放大电路的输入。例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10k欧姆,RL=5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2k欧姆,(1)为使T1管和T2管的发射级静态电流均为0.5mA,Re的取值应为多少？T1和T2管的压降UCEQ为多少？60.7Re5.3210.5(120.510)7(70.7)7.7EEBEQEQCQCCCQCEQCQEQVUkkIUVIRcVVUUUVV例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10k欧姆,RL=5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2k欧姆,（2）计算Au,Ri和Ro的数值(//)2682()6221020RLRcAuRbrbeRiRbrbekRoRckk恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源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大的电阻，所以共模抑制比无穷大。恒流源的作用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。双端输入单端输出12''//''LCCCCLCCLCQCCCQCCQCCCQCRVVRcRRRRUVIRUVIR例3.1.1,Rb=1k欧姆，Rc=10k欧姆,RL=5.1k欧姆,VCC=12V,VEE=6V;晶体管的B=100，rbe=2k欧姆,（3）若将电路改成单端输出，用直流表测得输出电压uo=3V，试问输入电压ui为多少？设IEQ=0.5mA,且共模输出电压可忽略不计.11(//)2.360.64(//)1.56211.4LCQCCCQLLCQLbbeIRUVIRcRVRcRuouoUVRcRAdRruoumVAd双端输入单端输出(//)(//)2()2()2();OdiduicRcRLRcRLAduibRbrbeRbrbeRiRbrbeRoRc双端输入单端输出(//)2(1)Re2(1)Re2()OcicCMRuRcRLAcuRbrbeAdRbrbeKAcRbrbe单端输入双端输出射极耦合电路2IIuuoAduAc单端输入单端输出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3.3.3直接耦合互补输出级使输入电压为零时输出电压为零必须使|ui|Uon,输出电压随着ui的才变化，选用合适的静态工作点使其在静态时处于临界导通。为消除交越失真，在集成电路采用。UBE倍增电路12343(1)44BBCEBEBERRRUUUURR直接耦合多级放大电路用差分放大电路做输入级，可以减小整个电路的温漂，增大共模抑制比。对于输出级，一般采用OCL电路，使输出电阻小，带负载能力强。采用共射放大电路做中间级，得到高电压放大倍数。23343667711211234333432232233413412312312(1)(1)[(1)](//)1.21(//)113.,.221ibebeibebeLiubeobiiuibiiuiiuuuubeiRrrrrrRRRArUIRRAUIRRARRRRiAAAAAuKrRrbe第4章集成运算放大器4.1概述4.2集成运放的开环和闭环4.1集成运算放大器概述结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。采用专门的制造工艺，将各元件及他们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。特点：一、硅片上不容易制造大电容，所以采用直接耦合的方式。二、相邻元件具有良好的对称性，采用大量差分放大电路和恒流源电路。三、允许采用复杂的电路形式。四、不宜制做高阻值电阻，常用有源元