6差分放大电路.pptx

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1、12.6-1 集成运放概述 集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。它用在模拟信号的运算、放大、检测、变换、处理、信号产生等等。集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。uA741通用高增益运算通用放大器 第1页/共76页一、集成运放的典型结构一、集成运放的典型结构运放的典型电路通常有三级放大电路组成第2页/共76页运放输入级运放输入级：差分放大（差动放大器）差分放大（差动放大器）电路电路 该级要求有低温漂，高共模抑制该级要求有低温漂，高共模抑制比比 和高输入电阻特性。和高输入电阻特性。中间放大级：中间放大级：通常采用通常采用CECE(CS)

2、(CS)放大电路放大电路 运算放大器的增益主要由这一级运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压增益。承担，所以这一级要有很高的电压增益。输出级输出级采用互补对称式射极跟随器结构采用互补对称式射极跟随器结构 输出级要求能驱动较大的负载，有一输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求具有定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求具有低输出电阻。低输出电阻。第3页/共76页第4页/共76页二、集成运放的主要特点二、集成运放的主要特点1高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合线性放大器;2采用微电流源作为偏置电路以降低功耗，放大电路负载采用有源负载以提

3、高电压增益。3在理想条件下，集成运算放大器可以看成一个电压控制电压源（一般工程分析）。第5页/共76页（a）理想运放 （b）实际运放反相输入:输出信号与该端输入信号反相位；同相输入:输出信号与该端输入信号同相位；三、集成运放的电路符号第6页/共76页在低频小信号的条件下运算放大器可用下面电路等效低频小信号模型RidRod0Aod在理想条件下有：第7页/共76页12.6-2 集成运放中的电流源一、基本镜像电流源T1、T2两管的参数和特性完全一致，电流放大倍数均为。电阻RREF用来确定参考电流的IREF大小 T1管工作在临界饱和状态。而T2管工作在放大状态。ILIC2IC1IREF-2IBIREF

4、。输出电流IL与负载RL无关，与IREF存在近似的“镜像”关系，电路称为镜像电流源（恒流源电路）。第8页/共76页当三极管的50时，基本镜像电流源输出电流IL与参考电流IREF的误差5%。电流IL与参考电流IREF的关系计算第9页/共76页当50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于0.1%二、跟随型镜像电流源电路减少输出电流IL与参考电流IREF的相对误差第10页/共76页镜像电流源用作负载（电阻）等效电阻大集成电路易实现！第11页/共76页三、多路电流源电路当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射极电阻，可得到不同的输出电流。第12页/共76页差分放大器为克服直接耦合放大器

5、的零点漂移而推出。是集成运算放大器十分重要的一级。12.6-3 差分（动）放大电路第13页/共76页一、一、差分放大电路的基本形式和工作原差分放大电路的基本形式和工作原理理电路由二个参数和特性完全对称的晶体三极管组成，电路的其它元件也对称。T1、T2都是共射放大器，发射极连接在一起后经电阻接到负电源。电路由二组对称电源供电。第14页/共76页 1.1.差分放大电路一般有两个输入端：双端输入从两输入端同时加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号。2.差分放大电路可以有两个输出端。双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对地输出。几个基本概念第15页/共76页3.差模信号与共模信号差模信

6、号：共模信号：差模电压增益：共模电压增益：共模抑制比总输出电压：第16页/共76页差模电压增益：共模电压增益：差模电压:共模电压：输入信号可分解为一对共模信号和一对差模信号后分别计算总输出电压：第17页/共76页差分放大器对反映变化部分的差模信号能实现再放大，而对反映环境条件或外界干扰的公共信号（即共模信号）加以限止或抑制。1.克服零点漂移；2.零输入零输出；3.抑制共模信号；4.放大差模信号。差分放大器特点：第18页/共76页1 1、直流分析输入信号为零，二个基极接地。因电路参数是对称的，所以：第19页/共76页 由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等

7、，使VOQ0，从而有效地抑制了温漂和零点漂移。若Rc1Rc2，则ICQ和VCQ是否相等？第20页/共76页（1 1）对差模信号的放大能力）对差模信号的放大能力端和端的信号为大小相等，而极性相反。差模信号分别加在端和端的方式称双端输入方式。2、动态分析单端差模信号：共模信号：第21页/共76页差模信号时的交流通路差模信号时的交流通路不变第22页/共76页差模信号低频小信号等效电路与放大系数计算低频小信号等效电路第23页/共76页放大系数（双端输入双端输出方式）第24页/共76页共模信号时的交流通路由于共模信号相位相同，有：（2）对共模信号的放大能力第25页/共76页共模信号放大系数计算共模信号由

8、于电路左右完全对称，取单边计算单边电路为共射带 电路。放大系数：第26页/共76页A Av vc c在一定程度上反映差分放在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂大电路抑制共模干扰和温漂的能力，的能力，A Av vc c越小，则抑制越小，则抑制温漂能力越强。温漂能力越强。定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。用分贝表示：共模抑制比KCMR第27页/共76页差分放大电路的动态参数差分放大电路的动态参数：差分放大系数：Ad 输入电阻：Ri 输出电阻：Ro 共模放大系数：Ac 共模抑制比：KCMR 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单

9、端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。第28页/共76页1.双端输入双端输出：差模放大系数：差模输入电阻：差模输出电阻：共模放大系数：第29页/共76页2.2.双端输入单端输出：差模信号作用下的分析第30页/共76页2.双端输入单端输出：共模信号作用下的分析有共模信号输出！第31页/共76页3.3.单端输入双端输出 输入信号分解为差模信号和共模信号单端输入时的电压放大倍数与差模输入（双端输入）时的电压放大倍数近似相同。第32页/共76页4.单端输入单端输出 第33页/共76页为提高共模抑制比，增大引入恒流源概念！第34页/共76页实际电流源偏置电路第35页/共76页【例1】已知某差分放大

10、电路的两个输入端端和端分别加入vI1=5.01V、vI2=4.99V，的信号电压，其电路的差模电压增益Avd-80，共模电压增益为Avc-0.01，试求vO？电路的差模信号为：两端输入信号之差电路的共模信号为：两端输入信号之平均值第36页/共76页差分放大器的输出电压有：第37页/共76页【例2】差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。注意：电阻 串入射极回路，放大倍数计算相当于有 电阻的共射放大电路。第38页/共76页第39页/共76页【例例3 3】电路如图所示，已知=80=80，r rbbbb=100=100，R R

11、ww在中间位置，R RL L=50k,求：求：4.若vI1=16mV，vI2=10mV，求vO1。双入单出第40页/共76页解：(1)静态分析：第41页/共76页(2)求Avd、Ri和Ro；双入单出第42页/共76页双入单出第43页/共76页(3)求共模抑制比KCMR；双入单出第44页/共76页(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，则注意相位！若把 接在 端,输出电压?第45页/共76页（1）T1、T2差分放大电路，T3为CC放大电路，T4电流源。（2）mA【例4】在图示电路中，三极管的 均为50，VBE=0.7 V,rbe=2 k。（1）分析电路中各三极管电路的作用和功能。（2）当VI

12、=0时，输出静态电压VO=0，求出IC1、IB3和Rc的值。（3）求差模增益、和的表达式。（4）求差模输入电阻Ri的表达式。第46页/共76页 mAmAk（3）k (CC)（4）k第47页/共76页 通用型集成运放的具体电路多种多样，但其输入级电路的组成原理基本相似，均以差分放大电路为基础，通常采用双端输入、单端输出方式，并由电流源提供偏置电流及作为有源负载，从而可以达到有效地抑制共模信号、放大差模信号的目的。12.6-4 集成运放输入级、中间级、输出级电路形式1.输入级第48页/共76页1 1）.场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路 FET差分放大电路差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流

13、的不对称性。Ro=2Rd 第49页/共76页2）、FETBJT混合型差分放大电路 定性分析:镜像电流差分放大输出电流倍增输出电流倍增,单端输出达到双端输出的效果.第50页/共76页 运放中间级是运放电压增益的主要承担者主要任务是提高电压增益，所以，常用共射或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：Rc代之以恒流源；采用纵向三极管或达林顿复合管，提高；增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换。2、集成运放中间级的电路形式第51页/共76页恒流源+射极跟随器T1、R1构成恒流源电路，其内阻为 而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3加了点负反馈以提高电路的工作稳定性

14、。集成运放中间级的电路形式介绍第52页/共76页恒流源+复合管集成运放中间级的电路形式介绍CE电路第53页/共76页3、运放输出级互补对称输出电路 集成运放的输出要求 输出电阻小，最大不失真输出电压尽可能大，输出级的输入电阻又必须大，T1T21）运放输出级的基本电路由两只参数和特性完全对称的PNP和NPN管组成互补对称电路。静态(vi=0)时，T、T管均截止，UO0；第54页/共76页T1T2在输入正弦信号时：当输入信号正半周(vi0)时，T管导通，T管截止，流过负载电阻RL的电流路经为：VCCT1RL地当输入信号负半周(vi0)时，T1管截止，T2管导通，电流路经将为 地RLT2-VCC在一

15、个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号周期。第55页/共76页2）互补对称放大电路的最大输出电压）互补对称放大电路的最大输出电压T1T2由于互补对称电路在一周内二只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管的工作时的负载线如图。第56页/共76页最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。输入电阻较高T1T2第57页/共76页3）乙类放大电路的交越失真问题在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。甲类电路第58页/共76页3甲乙类互补对称输出电路甲乙类互补对称输出电

16、路静态T1、T2处于微导通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1vb2vi。利用二极管提供静态偏置，使输入信为零时，两只管子不完全截止。甲乙类电路：第59页/共76页利用恒压电路提供静态偏置选择合适的R1、R2阻值，使VCE3 1.4V。第60页/共76页乙类功率放大器：导通角为=，或静态时管子截止；甲类功率放大器：导通角甲乙类功率放大器：导通角介于和2之间，静态时，晶体管微弱导电；T1T2功率放大器分类：为=2，晶体管在整个周期内都导电，静态时，晶体管也完全导电；第61页/共76页一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小

17、。*集成运放的主要性能指标第62页/共76页（1 1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数Aod如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid 可达104M以上。Aod一般为104106(即80120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如100V/mV即为105。（2）差模输入电阻Rid第63页/共76页（3）输出电阻Ro集成运放的R。通常为100至1k之间。第64页/共76页二、集成运放的失调参数 集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。（1）输入失调电压VIO为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。第65页/共76页第6

18、6页/共76页（2）输入失调电压漂移dVIO/dT输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。（3）输入失调电流 IIO反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。（4）输入失调电流温漂dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。第67页/共76页三、集成运放的共模参数三、集成运放的共模参数（1）共模抑制比KCMR集成运放的共模抑制比一般在60dB以上，性能较好的运放在100dB以上。（2）最大共模输入电压 VIcmax当共模输入电压超出VIcmax时，将影响运放电路中相关晶体管的工作状态。运放失去正常的差模放大能力。（3）共模输入电阻Ric第68页/共76页四、集成运

19、放的时域和频域参数（1）-3dB带宽 f HBWf Hf Lf H通用型运放的带宽fH仅为几赫兹至几十赫兹。（2）单位增益带宽 f c指运放差模开环电压增益Aod下降至0dB 时的频率。第69页/共76页五五.集成运放应用时应考虑的几个问题集成运放应用时应考虑的几个问题运放类型：通用型：其性能指标适合于一般性使用，产品量大面广。低功耗型：静态功耗在1mw左右，可用于便携设备。高精度型：失调电压温漂在1V以下。高速型：转换速率在10V/s左右。高阻型：输入电阻在1012左右。第70页/共76页 跨导型：输入量为电压，输出为电流。差动电流型：输入为差分电流，输出为电压。其它：如程控型、电压跟随型等

20、。宽带型：单位增益带宽在10MHz左右。高压型：允许供电电压在30V以上。功率型：允许的供电电压较高可输出电流较大。第71页/共76页选择集成运放时注意的问题：选择集成运放时注意的问题：不要盲目追求指标先进。应尽量选择通用型运放 应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施 要注意单元之间的输出电平配合问题 要注意性能指标的测量条件 在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大第72页/共76页综合综合举例举例：F007通用型集成运放（定性分析）对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。第73页/共76页 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路找出偏置电路第74页/共76页双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路第75页/共76页感谢您的观看。第76页/共76页