差动放大电路 (课件).ppt

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1、第五章第五章 集成运算放大电路集成运算放大电路5.1 直接耦合放大电路及其特殊问题直接耦合放大电路及其特殊问题5.2 典型差动式放大电路典型差动式放大电路5.3 差动式放大电路的输入输出方式差动式放大电路的输入输出方式5.4 集成运算放大电路的概述集成运算放大电路的概述1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号2.直接耦合放大电路的零点漂移直接耦合放大电路的零点漂移零漂零漂：主要原因主要原因：温漂指标温漂指标：#为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接耦合方

2、式？耦合方式？耦合方式？耦合方式？温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。温温度度每每升升高高1度度时时，输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动电源电压波动也是原因之一也是原因之一直接耦合放大电路及其特殊问题直接耦合放大电路及其特殊问题输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生例如例如若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也漂了若第二级也漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设第一级是关键第一级是关键3.减小零漂

3、的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式。调制解调方式。采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mV 差分电路的组成差分电路的组成 由两个结构完全对称的由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极共射电路组成，通过射极公共电阻公共电阻R Reeee耦合构成。耦合构成。1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb典型差动式放大电路典型差动式放大电路 差分电路

4、的输入输出方式差分电路的输入输出方式输入方式输入方式Ui单端输入单端输入双端输入双端输入Ui1Ui2UoUoUo输出方式输出方式单端输出单端输出双端输出双端输出 差模信号和共模信号差模信号和共模信号+-+差模信号差模信号 一对大小相等，极性一对大小相等，极性相反的信号，用相反的信号，用Uid1、Uid2表示，表示，Uid1=-Uid2共模信号共模信号+-+一对大小相等，极性相同的信号，一对大小相等，极性相同的信号，用用Uic1、Uic2表示，表示，Uic1=Uic21.静态分析静态分析2IeQ由于电路结构对称，由于电路结构对称，管子特性一致。管子特性一致。IBQ1=IBQ2=IBQICQ1=I

5、CQ2=ICQUC1=UC2=UCUo+-+-Uid1=-Uid2即相当于输入一对差模信号即相当于输入一对差模信号Ie1Ie2Ib1=-Ib2 Ie1=-Ie2 Uc1=-Uc2流过流过Ree上的交流总电流：上的交流总电流：Ie=Ie1+Ie2=0Ree上交流压降为上交流压降为0。因此，画交流通路时，因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。可视为短路，即两管的发射极直接接地。由由Uc1=-Uc2可知可知RL两端电位一端为正，一端为负，两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应的中点应是地电位，是地电位，即每管对地的负载电阻为即每管对地的负载电阻为RL/2.2.2.对差模信号

6、的放大作用分析对差模信号的放大作用分析RbRcUid1Uo2.2.对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析T1RbRcUid2T2RL=Rc/(RL/2)rid=2(Rb+rbe)Uidrod 2 Rc与单管增与单管增益相同益相同双端输入双端输入双端输出双端输出rid=2(Rb+rbe)rod 2 Rc双端输入双端输入单端输出单端输出是单管增益的一半是单管增益的一半rid=2(Rb+rbe)rod Rc2.2.对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析C1为反向输出端为反向输出端,C2为同向输出端为同向输出端工作原理工作原理3.3.对共模信号的抑制作用分析对共模信号的抑制作用分析

7、Iec1Iec2Uic1=Uic2=UicIbc1=Ibc2 Iec1=Iec2流过流过Ree上的电流：上的电流：Iec=Iec1+Iec2=2 Iec1Ree上的电压：上的电压：URee=Iec1 2Ree画交流通路时，单管射极电阻应为画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。RcT12ReeIec1Uoc1Uic1RbUocRcUic1T1Rb2ReeIec1Uoc1RcUic2T2Rb2ReeIec2Uoc2差放的特点差放的特点：输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。3 3 对共模信号的对共模信号的抑制作用分析抑制作用分析共模抑制比

8、共模抑制比CMRRCMRR衡量差放的一个重要指标。衡量差放的一个重要指标。或或双端输出双端输出4.抑制零点漂移抑制零点漂移 当当温温度度变变化化或或电电源源电电压压波波动动时时，都都将将使使集集电电极极电电流流产产生生变变化化，且且变变化化趋趋势势是是相相同同的的，其其效效果果相相当当于于在在两两个个输入端加入了共模信号输入端加入了共模信号。差差分分放放大大电电路路对对共共模模信信号号有有很很强强的的抑抑制制作作用用，这这就就意意味味着着差差放放对对由由温温度度变变化化或或电电源源电电压压波波动动所所引引起起的的输输出出漂漂移移有有很很强强的的抑抑制制作作用用。这这就就是是研研究究共共模模输输

9、入入信信号的意义。号的意义。Iec1Iec25.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成运算放大器结构特点集成运算放大器结构特点集成运算放大器组成及各部分作用集成运算放大器组成及各部分作用集成运算放大器主要参数集成运算放大器主要参数理想集成运算放大器及两个工作区域理想集成运算放大器及两个工作区域 将有源器件、无源器件电阻电容及电路连线等都集中在将有源器件、无源器件电阻电容及电路连线等都集中在一块半导体基片上，并封装在一个外壳内便形成一个完整一块半导体基片上，并封装在一个外壳内便形成一个完整的电路和系统。的电路和系统

10、。集成运算放大器结构特点集成运算放大器结构特点 运算放大器图片运算放大器图片 运算放大器图片运算放大器图片 集成元器件的特点集成元器件的特点 1.电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性 电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，容易制成特电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，容易制成特性相同的管子。性相同的管子。通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差，它们的比值误通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差，它们的比值误差较小，匹配性好，对称性也好，差较小，匹配性好，对称性也好，因此集成电路中大量采用比值电路和对称因此集成电路中大量采用比值电路和对称电路

11、。电路。2.2.三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件，二二极管大多由三极管的发射结构成极管大多由三极管的发射结构成,多作温度补偿元件或电位移动电路多作温度补偿元件或电位移动电路.3.用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件。电阻元件电阻元件由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，其范围几十由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，其范围几十 -20k-20k；高阻值的电阻多用三极管等有源器件组成的恒流源代替或外接。高阻值的电阻多用三极管等有源器件组成的恒流源代替或外接。4.4.级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式 电

12、容元件电容元件一般由一般由PNPN结的结电容或结的结电容或MOSMOS管电容来制作，一般的容量小于管电容来制作，一般的容量小于200PF200PF。不易制造大电容和电感元件，故集成电路中常采用不易制造大电容和电感元件，故集成电路中常采用直接耦合方式直接耦合方式。集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有很集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。1、放大缓慢变化信号、放大缓慢变化信号 2、采用、采用直接耦合放大电直接耦合放大电 路路便于集成便于集成集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电

13、路。集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路。差动放大差动放大输入级输入级U-U+中间放大级中间放大级互补输出级互补输出级恒流偏置电路恒流偏置电路 差动输入级有两个输入差动输入级有两个输入U U+、U U-，当信号从当信号从U U-输入，输出输入，输出U Uo o与与U U-极性相反，称极性相反，称U U-为反相输入端为反相输入端；当信号从；当信号从U U+输入，输出输入，输出U Uo o与与U U+极性相同，称极性相同，称U U+为同相输入端为同相输入端。减小漂移减小漂移增益级增益级一般高增益共射电路一般高增益共射电路低阻功率输出级，低阻功率输出级，提高负载能力。提高负载能力。提供稳定

14、合适的偏流提供稳定合适的偏流一般由恒流源组成一般由恒流源组成Uo集成运算放大器组成及各部分作用集成运算放大器组成及各部分作用集成运放集成运放的特点：的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小一、理想运放的条件一、理想运放的条件1.1.开环差模电压增益开环差模电压增益A Aodod=;=;2.2.差模输入电阻差模输入电阻R Ridid=;=;3.3.输出电阻输出电阻R Ro o=0;=0;4.4.共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR=;5.5.开环带宽开环带宽BW=BW=;6.6.失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。主要条件主要条件条件较难满足，条件较难

15、满足，可采用专用运放可采用专用运放来近似满足。来近似满足。为简化为简化对集成运放应用电路的分析，对集成运放应用电路的分析，常把集成常把集成运放视为理想器件运放视为理想器件。其主要满足以下一些条件：。其主要满足以下一些条件：实际运放的技术指标与实际运放的技术指标与理想运放比较接近，因理想运放比较接近，因此用理想运放代替实际此用理想运放代替实际运放分析所产生的误差运放分析所产生的误差并不大，在工程计算中并不大，在工程计算中是允许的，由此却带来是允许的，由此却带来了分析的大大简化。了分析的大大简化。理想集成运算放大器及两个工作区域理想集成运算放大器及两个工作区域-V-I-+V+I+Vo二、理想运放的

16、工作状态及其特点二、理想运放的工作状态及其特点VoV+V-0VOHVOL理想理想实际实际线性区线性区非非线线性区性区非非线线性区性区运放的传输特性运放的传输特性V VOHOH为正向输出饱和电压为正向输出饱和电压V VOLOL为负为负向输出饱和电压向输出饱和电压其其数值接近运放的正负数值接近运放的正负电源电压电源电压引入深引入深度负反度负反馈馈开环或开环或引入正引入正反馈反馈分析应用电路分析应用电路的工作原理时，的工作原理时，首先要分清运首先要分清运放工作在线性放工作在线性区还是非线性区还是非线性区。区。线性工作状态线性工作状态1.1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输

17、入端电流近似为零I+=I-02.2.理想运放的同相和反相输入端电位近似相等理想运放的同相和反相输入端电位近似相等V+=V-RidV+-V-=Vo/AU0虚断虚断虚短虚短在分析运算放大器处于线性状态时，可在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端把两输入端视为等电位视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称，这一特性称为虚假短路，简称虚短虚短。虚地虚地如将运放的同相端接地如将运放的同相端接地V V+=0=0，则，则V V-=0,=0,即反相端是一即反相端是一 个不接个不接“地地”的的“地地”，称为，称为“虚地虚地”虚地点对地的电位为虚地点对地的电位为“0”由于理想运放的输入电阻非常高，在分析处于线

18、性状由于理想运放的输入电阻非常高，在分析处于线性状态运放时，可以态运放时，可以把两输入端视为等效开路把两输入端视为等效开路，这一特性，这一特性称为虚假开路，简称称为虚假开路，简称虚断虚断。二、理想运放的工作状态及其特点二、理想运放的工作状态及其特点-V-I-+V+I+Vo1.1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2.2.当当V V+VV-时，时，V Vo o为正向输出饱和电压为正向输出饱和电压V VOHOH 当当V V+VV-时，时，V Vo o为负为负向输出饱和电压向输出饱和电压V VOLOL 其数值接近运放的正负电源电压其数值接近运放的正负电源电压I+=I-0 分析运放的应用电路时，首先将集成运放视作理想运放，以分析运放的应用电路时，首先将集成运放视作理想运放，以便抓住主要矛盾，忽略次要矛盾；然后判断运放是工作在线性便抓住主要矛盾，忽略次要矛盾；然后判断运放是工作在线性区还是非线性区。在此基础上分析具体电路的工作原理，其它区还是非线性区。在此基础上分析具体电路的工作原理，其它问题也就迎刃而解了问题也就迎刃而解了。非线性工作状态非线性工作状态二、理想运放的工作状态及其特点二、理想运放的工作状态及其特点-V-I-+V+I+Vo