差动运算放大器.ppt
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1、第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器o3.1 3.1 概述概述o3.2 3.2 差动放大电路差动放大电路o3.33.3电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路o3.4 MOS3.4 MOS集成运算放大器中的主要单元电路集成运算放大器中的主要单元电路o3.5 3.5 常用集成运算放大器常用集成运算放大器13.1 3.1 概述概述 集成电路是集成电路是2020世纪世纪6060年代初发展起来的一种新型年代初发展起来的一种新型器件,它把整个电路中的各个元器件以及元器件之器件,它把整个电路中的各个元器件以及元器件之间连接,采用半导体集成工艺同时制作在一块半导间连接,采用半导体集成工艺同时制作在
2、一块半导体芯片上,封装并引出管脚,做成具有特定功能的体芯片上,封装并引出管脚,做成具有特定功能的集成电子线路。集成电子线路。优点优点:可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、:可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、使用方便等。使用方便等。什么是集成电路什么是集成电路?2集成电路的分类集成电路的分类模拟集成电路模拟集成电路 分类分类 在众多的模拟集成电路中,在众多的模拟集成电路中,集成运算放大器集成运算放大器应用极为广泛应用极为广泛.集成运算放大器集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器,具有放大器,具有输入电阻大输入电阻大、输出电阻小输出电
3、阻小的特点。的特点。数字集成电路数字集成电路对连续变化的模拟对连续变化的模拟信号进行处理的集信号进行处理的集成电路。成电路。集成运算放大器集成运算放大器集成功率放大器集成功率放大器集成稳压器集成稳压器模拟乘法器模拟乘法器对不连续的对不连续的0 0-低电低电平平,1 1-高电平高电平,跃进跃进的信号进行处理的的信号进行处理的集成电路。集成电路。33.1 3.1 概述概述o3.1.1 3.1.1 集成运算放大器电路设计上的特点集成运算放大器电路设计上的特点o3.1.2 3.1.2 集成运算放大器的基本结构集成运算放大器的基本结构43.1.13.1.1集成运放的特点集成运放的特点1 1、电路与元件参
4、数具有对称性、电路与元件参数具有对称性2 2、采用有源电阻代替无源电阻、采用有源电阻代替无源电阻3 3、采用直接耦合的形式、采用直接耦合的形式4 4、利用二极管进行温度补偿、利用二极管进行温度补偿5 5、采用复合管的结构、采用复合管的结构53.1.2 3.1.2 集成运放的基本结构集成运放的基本结构差动输入级差动输入级中间放大级中间放大级输出级输出级偏置电路偏置电路输入级输入级输入级输入级:由可以抑制零点漂移的:由可以抑制零点漂移的:由可以抑制零点漂移的:由可以抑制零点漂移的差动放大器差动放大器差动放大器差动放大器组成组成组成组成中间级中间级中间级中间级:采:采:采:采用用用用用用共射电路共射
5、电路共射电路共射电路可获较大的可获较大的可获较大的可获较大的 输出级输出级输出级输出级:射极跟随器射极跟随器射极跟随器射极跟随器,增加带负载能力,增加带负载能力,增加带负载能力,增加带负载能力偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路:供给各级电路合理的偏置电流:供给各级电路合理的偏置电流:供给各级电路合理的偏置电流:供给各级电路合理的偏置电流(差动放大器差动放大器)(共射电路共射电路)(射极跟随器射极跟随器)63.2 3.2 差动放大电路差动放大电路差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差值差值 时,才能时,才能进行放大,即进行放大,即 称为差模电压放大倍数称
6、为差模电压放大倍数差动差动放大电路放大电路73.2 3.2 差动放大电路差动放大电路o3.2.1 3.2.1 为什么选用为什么选用“差动差动”的电路形式的电路形式o3.2.2 3.2.2 基本差动放大电路的分析基本差动放大电路的分析o3.2.3 3.2.3 差动放大电路的输入、输出形式差动放大电路的输入、输出形式o3.2.4 3.2.4 差动放大电路的改进形式差动放大电路的改进形式83.2.13.2.1为什么选用为什么选用“差动差动”的电路形式的电路形式?1 1、集成电路级与级之间采用直接耦合,而直接耦合、集成电路级与级之间采用直接耦合,而直接耦合电路必然会产生电路必然会产生“零点漂移零点漂移
7、”。零点漂移零点漂移:当输入信号为:当输入信号为0 0,由于电源波动、温,由于电源波动、温度变化等原因,使工作点发生变化,使放大器输度变化等原因,使工作点发生变化,使放大器输出电压偏离起始点做上下漂动,成为零点漂移。出电压偏离起始点做上下漂动,成为零点漂移。如图如图3-33-3中,当中,当 时,由于某种原因使时,由于某种原因使 ,设,设 ,则,则 这这种缓慢变化的信号将淹没有用的信号,这是不允许的。种缓慢变化的信号将淹没有用的信号,这是不允许的。2 2、为了有效抑制零漂,输入级必须采用、为了有效抑制零漂,输入级必须采用差动放大器差动放大器。93.2.2 3.2.2 差动放大电路的分析差动放大电
8、路的分析图图3-4 3-4 基本差动放大电路构成原理基本差动放大电路构成原理 要想实现要想实现“有差能动有差能动”电路如图所示,电路最大特点是电路如图所示,电路最大特点是电电路完全对称路完全对称,其中,其中V1V1、V2V2 两管特性相同,元件参数之值相等。两管特性相同,元件参数之值相等。有两个输入端称有两个输入端称双入双入,两个输出端称,两个输出端称双出双出。当两个输入信号相。当两个输入信号相同时,由于电路对称性,两管集电极电位相同,所以同时,由于电路对称性,两管集电极电位相同,所以u u0 0=0=0103.2.2 3.2.2 差动放大电路的分析差动放大电路的分析抑制零点漂移的原理抑制零点
9、漂移的原理:当温度变化时,对两管的影响是一致的,当温度变化时,对两管的影响是一致的,相当给两管电路同时加入大小相等、极性相同的输入信号,因此,相当给两管电路同时加入大小相等、极性相同的输入信号,因此,当电路特性完全对称的情况下,两管的集电极电位始终相同,当电路特性完全对称的情况下,两管的集电极电位始终相同,不会出现普通直接耦合放大器那样的漂移电压,这就是为什么差不会出现普通直接耦合放大器那样的漂移电压,这就是为什么差动放大电路能够抑制零点漂移的原因。动放大电路能够抑制零点漂移的原因。11图图3-5 3-5 典型基本差动放大电路典型基本差动放大电路仅靠电路的仅靠电路的对称性对称性来来抑制抑制“零
10、漂零漂”是有限是有限度的,对两个单管度的,对两个单管本本身集电极身集电极电位的漂移电位的漂移并未加限制,所以实并未加限制,所以实用电路为图用电路为图3-5,在,在图图3-4的基础上加的基础上加RE 和和-UEE121 1、静态分析、静态分析 (ui1=ui2=0)图图3-5 3-5 典型基本差动放大电路典型基本差动放大电路 直流通路直流通路(对地的电位对地的电位)13两个输入信号大小相等、极性相反两个输入信号大小相等、极性相反,即即ui1=-ui2,称差模输入,称差模输入.如如ui1为正、为正、ui2为负为负所以,差动放大电路输入差模信号时的输出电压是两管各自输出所以,差动放大电路输入差模信号
11、时的输出电压是两管各自输出电压变化量的电压变化量的两倍两倍2 2、差模差模信号输入信号输入143 3、共模共模信号输入信号输入两个输入信号大小相等、两个输入信号大小相等、极性相同,即极性相同,即ui1=ui2,这这时时uo=uc1-uc2=0。差动放大。差动放大电路对共模信号的抑制能电路对共模信号的抑制能力很强。力很强。温度变化对差动温度变化对差动放大电路来说相当于一对放大电路来说相当于一对共模信号。所以差动放大共模信号。所以差动放大电路对其零点漂移的抑制电路对其零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一就是对共模信号抑制的一种特例。种特例。154 4、任意任意信号输入信号输入在实际应用中,加给差动
12、放大电路输入信号的大小在实际应用中,加给差动放大电路输入信号的大小和极性往往是任意的,既不是一对差模信号,也不是和极性往往是任意的,既不是一对差模信号,也不是一对共模信号,为了分析方便通常,通常将一对任意一对共模信号,为了分析方便通常,通常将一对任意输入信号分解为差模信号输入信号分解为差模信号 和共模信号和共模信号 两部两部分分别定义差模信号和共模信号为分分别定义差模信号和共模信号为:差模信号差模信号:共模信号共模信号:164 4、任意信号输入、任意信号输入差模信号加到电路上差模信号加到电路上,两管两管 V1 和和 V2 的基极获得差模信号为的基极获得差模信号为:共模信号加到电路上共模信号加到
13、电路上,两管两管 V1 和和 V2 的基极获得共模信号为的基极获得共模信号为:ui1=ui2=uic174 4、任意信号输入、任意信号输入例例:则则 18当差模输入信号和共模输入信号都存在的当差模输入信号和共模输入信号都存在的情况下,根据叠加原理可以得出任意输入信号情况下,根据叠加原理可以得出任意输入信号下总的输出电压,即下总的输出电压,即 越大,电路差模放大能力越强越大,电路差模放大能力越强 越小,电路抑制共模信号的能力越强越小,电路抑制共模信号的能力越强195 5、差模特性动态分析、差模特性动态分析图图3-7 差差模模输输入入时时基基本本差差动动放放大大电电路路的的交交流流通路通路图为差模
14、输入时图图为差模输入时图3-7所示所示双入双出双入双出差动放大电路的差动放大电路的交流通路交流通路。ui1=-ui2 Ie1、Ie2大小相等,方向相反大小相等,方向相反这两个这两个交流电流交流电流之和之和为为0,因此在因此在Re 上产生交流电压降为上产生交流电压降为0。所以把。所以把 Re 视为交流短路视为交流短路20可见:差动放大电路双端可见:差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍输出时的差模电压放大倍数和单边电路的电压放大数和单边电路的电压放大倍数相同,差动放大电路倍数相同,差动放大电路为了实现同样的电压放大为了实现同样的电压放大倍数,必须用二倍于单边倍数,必须用二倍于单边电路的元器件数,
15、电路的元器件数,但是换但是换来了对零点漂移的抑制来了对零点漂移的抑制。(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数AudA.A.无负载无负载:21B.带有负载电阻带有负载电阻RL:由于电路对称,由于电路对称,RL 中点始终为零电位中点始终为零电位(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud中点零电中点零电位位22(2)差模输入电阻差模输入电阻rid双入双出差动放大电路的交流通路双入双出差动放大电路的交流通路23(3)差模输出电阻差模输出电阻rod双入双出差动放大电路的交流通路双入双出差动放大电路的交流通路246 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析共模信号输入共模信号输入时交流通路时交流通路(1)
16、共模信号输入时交流通路共模信号输入时交流通路如如图图ui1=ui2=uicie1和和ie2大小相等,方向相同大小相等,方向相同 ie=2ie1256 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析温温度度(2)Re对对差模差模信号不起信号不起负反馈作用负反馈作用,Re对对共模共模信号起强烈的负反馈信号起强烈的负反馈.Re越大负反馈越强,抑越大负反馈越强,抑制漂移越好制漂移越好266 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(3)Re 过大,当电源电压过大,当电源电压一定时,使三极管静一定时,使三极管静 态电态电流变小,影响静态工作点及流变小,影响静态工作点及电压放大倍数,为此,加电压放大倍数,为此,加-
17、UEE 来抵消来抵消Re 上的压降获上的压降获得合适的静态工作点。还可得合适的静态工作点。还可以考虑用恒流源来替代以考虑用恒流源来替代 Re,恒流源的动态电阻更大,恒流源的动态电阻更大,得到更好的负反馈效果。得到更好的负反馈效果。276 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(4)共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc(理想理想)286 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(5)共模抑制比共模抑制比 越大,越大,越小,越小,越大,差动放大电路越大,差动放大电路的性能越好。理想情况下,的性能越好。理想情况下,为为 。实际上是一个很大的数值,为了方便,用分贝实际上是一个很大的数值,为了方便,用分
18、贝(dB)形式表示)形式表示 。(3-12)(3-13)293.2.3 3.2.3 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式1、单端输入、单端输入 单端输入可以看成双端输入的一种特例。即单端输入可以看成双端输入的一种特例。即ui1=ui,ui2=0可以有如图所示可以有如图所示 对输入方式来说,单入和双入并没有本质区别对输入方式来说,单入和双入并没有本质区别差模信号差模信号共模信号共模信号30差动放大电路的两种单端输出形式差动放大电路的两种单端输出形式:(a)反相输出形式反相输出形式2 2、单端输出、单端输出(b b)同相输出形式同相输出形式312 2、单端输出、单端输出(1(1)单
19、端输出时的)单端输出时的(2(2)单端输出时的)单端输出时的差模信号差模信号共模信号共模信号322 2、单端输出、单端输出(3)单端输出单端输出KCMRR(4)单端输出时的)单端输出时的ro 仅从一管的集电极输出仅从一管的集电极输出 rod=RC33 表表3-1 3-1 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式34 表表3-1 3-1 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式353.2.4 3.2.4 差动放大电路的改进形式差动放大电路的改进形式1、带电流源的差动放大电路带电流源的差动放大电路 (1)为了得到为了得到Re大,又要使大,又要使 UEE不致增加,用恒流源替代
20、不致增加,用恒流源替代Re (2)因为当因为当 IB 一定时,工作于一定时,工作于放大区的放大区的 IC 的基本恒定。其交的基本恒定。其交流电阻流电阻较大,抑制零漂效果好,但较大,抑制零漂效果好,但V3的的UCE电压又不大(只要大于饱电压又不大(只要大于饱和压降),所以和压降),所以 UEE 的电压不的电压不致增加。致增加。Rb31 和和Rb32构成分压式构成分压式偏置电路。偏置电路。(3)Rp为调零电位器,一般为为调零电位器,一般为几十到几百欧姆之间。几十到几百欧姆之间。36例例3-1 图图3-11(a)中双入双出的差动放大电路参数为:)中双入双出的差动放大电路参数为:1=2=3=50,UC
21、C=UEE=9 V,Rc=4.7 k,Rb31=10 k,Rb32=3.3 k,Rb1=Rb2=1 k,Re=2 k,Rp=220且动端且动端在中点,在中点,三极管发射结导通压降为三极管发射结导通压降为0.7 V。求:求:(1)静态时的集电极电位静态时的集电极电位UC1;(2)差模电压放大倍数;差模电压放大倍数;(3)差模输入电阻和差模输出电阻差模输入电阻和差模输出电阻372 2、共集共基复合差动放大电路、共集共基复合差动放大电路(1)共共集集共共基基复复合合差差动动放放大大电电路路如如图图所所示示。图图中中纵纵向向 NPN 管管 V1 和和 V2是是基基极极输输入入、射射极极输输出出,组组成
22、成共共集集电电极极电电路路,可可以以提提高高输输入入阻阻抗抗。横横向向 PNP 管管 V3 和和 V4 则则组组成成射射极极输输入入、集集电电极极输输出出的的共共基基极极电电路路,有有利利于于提提高高输输入入级级的的电电压压放放大大倍倍数数、最最大大差差模模输输入入电电压压和和最最大大共共模模输输入入电电压压范范围围,同同时时可可以以改改善善频频率率响响应应。在在需需要要PNP管管输输入入级级与与提提高高输输入入电电阻时,可采用此种电路形式。阻时,可采用此种电路形式。382 2、共集共基复合差动放大电路、共集共基复合差动放大电路(2)用复合管构成的差分放用复合管构成的差分放大电路大电路 电路为
23、图电路为图3-14,V1和和V3、V2和和V4分别构成了复合管分别构成了复合管的电路形式。的电路形式。利用复合管利用复合管可以获得很高的电流放大可以获得很高的电流放大系数。系数。图3-14 复合管差动放大电路39综上所述,综上所述,我们可以得到如下结论我们可以得到如下结论A A、差差动动放放大大电电路路具具有有放放大大差差模模信信号号、抑抑制制共共模模信信号号的的能能力力,因因此此,在在普普遍遍采采用用直直接接耦耦合合的的集集成成运运算算放放大大器器中中,广广泛泛采采用用差差动动放放大大电电路路作作为为输输入入级级,以以起起到到抑抑制制零零点点漂漂移的作用。移的作用。B B、差动放大电路的射极
24、电阻不影响差模信号的放大,但射、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大,但射极电阻越大,极电阻越大,抑制共模的能力就越强,一般采用恒流抑制共模的能力就越强,一般采用恒流源电路来替代射极电阻,源电路来替代射极电阻,以获得较好的共模抑制能力。以获得较好的共模抑制能力。C C、差动放大电路共有两种输入形式和两种输出形式,可以、差动放大电路共有两种输入形式和两种输出形式,可以组合成四种典型电路,组合成四种典型电路,它们具有不同的特点,在实际它们具有不同的特点,在实际应用中可根据需要选择合适的电路形式。应用中可根据需要选择合适的电路形式。403.3 3.3 电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电
25、路o3.3.1 3.3.1 基本电流源电路基本电流源电路o3.3.2 3.3.2 其他电流源形式其他电流源形式o3.3.3 3.3.3 输出级电路输出级电路413.3.1 3.3.1 基本电流源电路基本电流源电路1、镜像电流源、镜像电流源 (1)基本镜像电流源如图基本镜像电流源如图3-15所示。所示。由于由于V1和和V2是特性完全相同的对管,并且是特性完全相同的对管,并且 二者二者的的发射结发射结偏置电压相同,偏置电压相同,因此可以认为两管的因此可以认为两管的参数完全相同,参数完全相同,IB1=IB2,IC1=IC242(参考电参考电流流)1 1、镜像电流源、镜像电流源当当参参考考电电流流I
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