集成运算放大器和差动放大电路精选文档.ppt

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1、集成运算放大器和差动放大电路本讲稿第一页，共四十八页20 十月 20222零点漂移零点漂移:uot0 当当 u ui i=0=0 时：时：uiRC1R1T1R2+VCCuoRC2T2RE24.1 差动放大电路差动放大电路4.1.1 4.1.1 直接耦合特殊问题直接耦合特殊问题本讲稿第二页，共四十八页20 十月 202234.1.1 典型差动放大电路典型差动放大电路两只晶体管参数完全相同，具有相同的静态工作点，而有温度变化所两只晶体管参数完全相同，具有相同的静态工作点，而有温度变化所引起的参数的引起的参数的变化也具有对称性。变化也具有对称性。两个输入端两个输入端u ui1i1和和u ui2i2。

2、信号可从两个集电极之间取出，称为双端输出信号可从两个集电极之间取出，称为双端输出u uo o 。有两个单输出端。有两个单输出端u u0101和和u u0202。1 1、特点、特点uoui1+VCCRCT1RBRCT2RBui2REVEEu01u02本讲稿第三页，共四十八页20 十月 20224双电源的作用：双电源的作用：I IB B1 1、I IB B2 2由负电源由负电源-V VEEEE提供。提供。为了使左右平衡，可设置调零电位器为了使左右平衡，可设置调零电位器。加入负电源加入负电源 -V VEEEE ，采用正负双电源供电。，采用正负双电源供电。uoui1+VCCRCT1RBRCT2RBui

3、2REVEE本讲稿第四页，共四十八页20 十月 20225温度温度TICIE =2ICUEUBEIBICRE 强负反馈作用强负反馈作用ui1uo+UCCRCT1RBRCT2RBui2-VEERE抑制温度漂移，稳定静抑制温度漂移，稳定静态工作点。态工作点。R RE E的作用的作用 设设ui1=ui2=0，静态时静态时IC稳定稳定!本讲稿第五页，共四十八页20 十月 202262.Q点的计算点的计算IC1IC2IBIBIEui1uo+VCCRCT1RBRCT2RBui2-VEERE一般可以认为一般可以认为本讲稿第六页，共四十八页20 十月 20227例例 具有集电极调零电位器具有集电极调零电位器R

4、pRp的差动式放大电路如所示。已知的差动式放大电路如所示。已知=50=50，V VBE1=BE1=V VBE2BE2=0.7V=0.7V，当，当RpRp置中点位置时，求电路的静态工作点。置中点位置时，求电路的静态工作点。解：解：静态时静态时v vi1i1=v=vi2i2=0=0，有，有一般可以认为一般可以认为本讲稿第七页，共四十八页20 十月 202283.动态分析动态分析1差模输入信号分量差模输入信号分量:共模输入信号分量共模输入信号分量:2两信号两信号大小相等、极性相反大小相等、极性相反两信号两信号大小相等、极性相同大小相等、极性相同ui1uo+VCCRCT1RBRCT2RBui2-VEE

5、RE两输入端加信号两输入端加信号(differential mode)(common mode)本讲稿第八页，共四十八页20 十月 202293实际对地输入实际对地输入:ui1,ui2差模分量:共模分量:ud=ui1-ui2uC=ui1=uC+ud/2ui2=uC ud/2叠加定义2ui1+ui2例：ui1=20 mv,ui2=10 mv 则：ud=20-10=10mv,uc=(20+10)/2=15mv ui1=15+10/2=20mv,ui2=15 10/2=10 mv ui1uo+VCCRCT1RBRCT2RBui2-VEERE本讲稿第九页，共四十八页20 十月 202210输入端输入端

6、双端双端单端单端输出端输出端双端双端单端单端ui1+VCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RB-VEE4.差放电路的差放电路的4种接法种接法本讲稿第十页，共四十八页20 十月 202211 双端输入、双端输出双端输入、双端输出仅差模信号仅差模信号!两个输入信号的大小两个输入信号的大小相等，极性相反相等，极性相反+VCC-VEEuiduoRCT1RBRCT2RBRERR+-+-本讲稿第十一页，共四十八页20 十月 202212RE对差模信号作用对差模信号作用 ui1 ui2ic1 =-ic2iRE=ie1+ie2=0ib1,ic1ib2 ,ic2RE对差模信号不起作用，短接对差模

7、信号不起作用，短接uRE=0iRE+VCC-VEEuiduoRCT1RBRCT2RBRERR+-+-本讲稿第十二页，共四十八页20 十月 202213差模信号交流通路差模信号交流通路T1单边微变等效电路 ui2 ui1RR uod1 uod2 uodC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBib2ib1ic1ic2RBui1ib1uod1RC ib1RBc1b1erbe1uoduid本讲稿第十三页，共四十八页20 十月 202214双入双出放大倍数双入双出放大倍数单边差模放大倍数单边差模放大倍数:uod1RBb1ec1RC ib1ui1rbe1ib1c1RBRBb1eRC ib1rbe1ib1

8、uiduodui1uod1本讲稿第十四页，共四十八页20 十月 202215若差动电路带负载若差动电路带负载RL(接在接在c1与与c2之间之间),对对于差动信号而言，于差动信号而言，RL中中点电位为点电位为0,放大倍数：放大倍数：Ad =Ad1双端输出：双端输出：c1RBRBb1eRC ib1rbe1ib1uiduod本讲稿第十五页，共四十八页20 十月 202216Ro=2 RC 输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：输入输出电阻输入输出电阻:C1RBRBB1ERC ib1ui1rbe1ib1uiduoduod1本讲稿第十六页，共四十八页20 十月 202217C1RBRBB1ERC ib

9、1rbe1ib1uiduodui1uod1 双端输入、单端输出双端输入、单端输出单端输出单端输出差模放大倍数为差模放大倍数为Ad1的一半！的一半！本讲稿第十七页，共四十八页20 十月 202218共模信号输入共模信号输入 uocuiCiRE=2ie1-VEE+VCCREC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RB两输入信号大小相两输入信号大小相等、极性相同。等、极性相同。共模信号共模信号!ie1ie2本讲稿第十八页，共四十八页20 十月 202219共模信号共模信号交流交流通路通路uiC uoc2 uoc1uoc2REERCT1RBRCT2RB ic1 ic2ie1uiC ie22REiRE=2

10、ie1双端输出双端输出u uococ=0,=0,A AOCOC=0!=0!本讲稿第十九页，共四十八页20 十月 202220T T1 1单边微变等效电路单边微变等效电路uiCuoc1ib1RC ib12REie1rbe1ic1uoc1ib1RC ib12RErbe1RB很小！很小！单端（对地）输出单端（对地）输出电路电路共模单端输出放大倍数共模单端输出放大倍数:本讲稿第二十页，共四十八页20 十月 202221差模电压放大倍数差模电压放大倍数:共模电压放大倍数共模电压放大倍数:KCMRR=KCMRR=(分贝分贝)共模抑制比共模抑制比定义：定义：本讲稿第二十一页，共四十八页20 十月 20222

11、2共模双端输出电压放大倍数：共模双端输出电压放大倍数：说明双端输出电路对共模信号无放大作用双端输出电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号，反映了它对零点漂移的抑制能力。共模抑制比共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。共模单端（对地）共模单端（对地）输出：输出：KCMRR KCMRR=A AC1C1=A=AC2C2很小！很小！共模双端输出：共模双端输出：本讲稿第二十二页，共四十八页20 十月 202223 单单端输入、双端输出端输入、双端输出C1RBRBB1ERC ib1rbe1ib1uiuOdui1uOd1一端接地一端接地差模电压放大倍数差模电压放大倍数:输入信

12、号输入信号分解后分解后具有具有共模信号分量和共模信号分量和差差 模模信号信号分量，分量，存在共模电压放大存在共模电压放大倍数倍数AC C和和差差 模电压放大模电压放大倍数倍数Ad对对A Ad d而言，双端与单端而言，双端与单端输入效果输入效果一样。一样。本讲稿第二十三页，共四十八页20 十月 202224对对A Ad d而言，双端与单端而言，双端与单端输入效果输入效果一样。一样。双双(单单)端输入端输入双端输出：双端输出：Ad =Ad1双双(单单)端输入端输入单端输出：单端输出：小结小结本讲稿第二十四页，共四十八页20 十月 202225差动放大电路各点极性差动放大电路各点极性ui1uo+VC

13、CRCRBRCRBui2-VEEREuo1uo2+ui1 与与uo1 、ui2 uo 反相反相，与与uo2、同相。同相。ui2与与uo2 、ui1 反相反相，与与uo1、uo 同相。同相。本讲稿第二十五页，共四十八页20 十月 202226恒流源恒流源比发射极电阻比发射极电阻R RE E对共模信号具有更强的抑制作用。对共模信号具有更强的抑制作用。改进的差动放大电路改进的差动放大电路本讲稿第二十六页，共四十八页20 十月 202227例例 图示电路，设三极管的图示电路，设三极管的 r rbbbb100100，100100。(1)(1)求静态工作点；求静态工作点；(2)(2)求差模放大倍数；求差模

14、放大倍数；(3)(3)当当v vi i为一直流电压为一直流电压16mV16mV时，计算时，计算VTVTl l，VTVT2 2集电极集电极对地的直流电压对地的直流电压(忽忽略共模信号分量）。略共模信号分量）。解解 (1)R(1)RE E上的电压上的电压vovi本讲稿第二十七页，共四十八页20 十月 202228(2)差模放大倍数差模放大倍数 9653005100100=beCdrRAb b(3)vi为为16mV直流电压，经放大后为直流电压，经放大后为VmVvAvidO54.115361696=VT1 集电极电压集电极电压VvVVOCC68.854.12145.92111=-=-=VT2集电极电压

15、集电极电压VvVVOCC2.1054.12145.92122=+=+=vovi本讲稿第二十八页，共四十八页20 十月 2022294.2 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路集成电路:优点优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类分类:模拟集成电路、数字集成电路模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路小、中、大、超大规模集成电路4.2.1 集成运算放大电路特点集成运算放大电路特点本讲稿第二十九页，共四十八页20 十月 202230

16、集成运算放大电路外形图集成运算放大电路外形图本讲稿第三十页，共四十八页20 十月 202231集成电路内部结构特点集成电路内部结构特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，高阻值千欧，高阻值电阻用三极管有源元件电阻用三极管有源元件代替或外接。代替或外接。3、几十、几十PF以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。、二极管一般用三极管

17、的发射结构成。本讲稿第三十一页，共四十八页20 十月 2022321.1.输入级输入级 高性能的差分放大电路，对共模信号有很强的抑制力，且一般采用双端输入双端输出的形式。4.4.偏置电路偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.3.输出级输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.2.电压放大级电压放大级 提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。4.2.2 集成运放的组成集成运放的组成本讲稿第三十二页，共四十八页20 十月 202233 运算放大器

18、的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。三个引线端，两个输入端，一个输出端。4.2.3 4.2.3 集成运放的符号和传输特性集成运放的符号和传输特性 u u+uo 另一个称为另一个称为反相输入端，反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号用符号“N N”表示。表示。uPuN+u+u uo 一个称为一个称为同相输入端同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号符号P表示；表示；本讲稿第三十三页，共四十八页20 十月 202234Auo越大，运放的线性范围越小，必须在

19、输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：例：若若U UOMOM=12V=12V，A Avovo=10=106 6，则，则|u ui i|12|12 V V时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。线性放大区uiuo_+AvouPuNuo+UOM-UOMui=up-uN传输特性传输特性本讲稿第三十四页，共四十八页20 十月 202235电流源的特点电流源的特点输出电流恒定的电路。具有很高的输出电阻。电流源的用途电流源的用途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。2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。4.3 4.3 集成运放中的电流源集

20、成运放中的电流源本讲稿第三十五页，共四十八页20 十月 202236 4.3.1 4.3.1 镜像电流源镜像电流源则,BE2BE1BE21VVV=bbb基准电流基准电流 I IR R是稳定的，故输出电流是稳定的，故输出电流I IC2C2也是稳定的。也是稳定的。三极管三极管T1T1、T2T2特性完全相同特性完全相同本讲稿第三十六页，共四十八页20 十月 202237接入接入R Re2e2电阻得到微电流源，适用微功耗的集成电路。电阻得到微电流源，适用微功耗的集成电路。IC2 远小于IREF 当Re2e2取几k 时，IC2可降至A量级。4.3.2 4.3.2 微电流源微电流源本讲稿第三十七页，共四十

21、八页20 十月 202238 增加两个发射极电阻，使两电阻中的电流成一定的比例关系。e2e1E1E2 e2 E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRII R IRIVVRIVRIV +4.3.3 4.3.3 比例电流源比例电流源本讲稿第三十八页，共四十八页20 十月 202239 通过一个基准电流源稳定多个电通过一个基准电流源稳定多个电流，图中一个基准电流流，图中一个基准电流I IREFREF可获得多可获得多个恒定电流个恒定电流I IC2C2、I IC3C3。4.3.4 4.3.4 多路电流源多路电流源 本讲稿第三十九页，共四十八页20 十月 202240输入级输入级中间级中

22、间级输出级输出级-VEE+VCCuo反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS u u 4.4 4.4 集成运放结构简介集成运放结构简介本讲稿第四十页，共四十八页20 十月 202241-VEE+VCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级要求尽量减小零点漂移要求尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高,K,KCMRR CMRR,输入阻抗输入阻抗 R Ri i尽可能尽可能大。大。本讲稿第四十一页，共四十八页20 十月 202242-VEE+VCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级要求足够大的电压放大倍数要求足够

23、大的电压放大倍数本讲稿第四十二页，共四十八页20 十月 202243-VEE+VCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级输出级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗，输出阻抗 Ro小。小。本讲稿第四十三页，共四十八页20 十月 202244通用型集成运放通用型集成运放F007F007本讲稿第四十四页，共四十八页20 十月 202245（1 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）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。放大器。（2 2）输入级输入级常采

24、用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增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。加输入电阻。（3 3）输出级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。载的能力。集成运放的结构特点集成运放的结构特点本讲稿第四十五页，共四十八页20 十月 2022464.5 4.5 4.5 4.5 集成运放的性能指标及种类集成运放的性能指标及种类集成运放的性能指标及种类集成运放的性能指标及种类本讲稿第四十六页，共四十八页20 十月 202247集成运放的种类集成运放的种类本讲稿第四十七页，共四十八页20 十月 202248第4章结 束本讲稿第四十八页，共四十八页