第六章 差分式放大電路

6

模擬集成電路重點：差分放大電路的構(gòu)成及分析方法；難點：理解差模信號和共模信號；差放電路抑制共模信號的原理；差放電路的分析；

重點難點6

模擬集成電路6.1

模擬集成電路中的直流偏置技術6.2

差分式放大電路6.3

差分式放大電路的傳輸特性6.4集成電路運算放大器6.5實際集成運算放大器的主要參數(shù)6.1模擬集成電路中的直流偏置技術

BJT電流源電路1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCET1與T2參數(shù)完全相同T1對T2具有溫度補償作用IC2↑→IC1↑→R壓降↑→VBE↓→IC2↓1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCEIO與IREF相等，構(gòu)成鏡像關系，改變R值，可以獲得不同的IO，不受T2負載變動的影響較小時，IB對IREF的分流作用影響鏡像對稱度。若需減小輸出電流，必要求R的值很大動態(tài)輸出電阻2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路

利用發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的影響作用。T2的射極電阻使其發(fā)射結(jié)電壓減小，從而減小其集電極電流IC2

+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB-VEE2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB例題：VCC=30V，現(xiàn)要求IC2

＝10μA。若采用鏡像電流源：2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB選Re2

＝11.97kΩ，利用公式：若采用微電流源：代入數(shù)據(jù)，多路電流源(multipleoutputs)又稱比例電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T1RRe1IREFIC1IC1IBReT0IC2Re2T2T3Re3IC33.高輸出阻抗電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1IC22IB-VEET3IC3威爾遜電流源電路利用電流負反饋原理來進一步提高鏡像輸出電流的溫度穩(wěn)定性和增大動態(tài)輸出電阻A1、A3為T1、T3得相對結(jié)面積當溫度或負載變化使IO(IC2)增大時，IE2隨之增大，IC3及其鏡像電流IC1亦隨之增大，促使VC1(VB2)減小、IB2減小，IO減小，穩(wěn)定了IO4.組合電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2R1IREFI2I3R3T3-VEET4T5I5I6R2T6電流源電流阱5.電流源作有源負載6.1.1BJT電流源電路IREFT2T3T1RvOvi+VCC可使電路在不提高電源電壓的條件下，獲得較高的電壓增益與較大的動態(tài)范圍有源負載是模擬集成電路的重要特征。采用有源負載的運放，有時中間只需兩級放大，就可以滿足高增益的要求。這樣，放大器級數(shù)減少，有利于提高多級放大器的穩(wěn)定性鏡像電流源作為T1的集電極負載6.2差分式放大電路

直流信號放大中存在的問題

基本電路

6.2.0

概述

6.2.1

差分式放大電路一般結(jié)構(gòu)

6.2.2

射極耦合差分式放大電路

6.2.3

源極耦合差分式放大電路差分式放大電路中的一般概念主要技術指標的計算帶有源負載的射極耦合差分式放大電路

工作原理§

6.2.0概述(1)級間耦合不能采用阻容耦合方式(2)出現(xiàn)零點漂移直流放大器直流信號放大中存在的問題tvo零漂現(xiàn)象：輸入vi=0時，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計算。+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述

若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓。假設第一級是關鍵減小零漂的措施：用非線性元件進行溫度補償。采用差動放大電路。等效100uV漂移1V+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述§

6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1.用三端器件組成的差分式放大電路a.差分放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入—從兩輸入端同時加信號單端輸入—僅從一個輸入端對地加信號b.差分放大電路可以有兩個輸出端：雙端輸出—從vO1

和vO2輸出單端輸出—從vO1或vO2對地輸出vi1R1T1R2vi2V+V-vO1vO2IOroT2O1O2I1I2+-+-e差模輸入電流共模輸入電流共模輸入電流差模信號：大小相等相位相反的兩個信號：vid共模信號：大小相等相位相同的兩個信號：vic任意兩個信號總可以分解成差模與共模兩個分量：差模電壓增益共模電壓增益2.差模信號和共模信號的概念§

6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)§

6.2.2射極耦合差分式放大電路1.基本電路++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1射極耦合（Emitter-coupled)方式§

6.2.2射極耦合差分式放大電路2.工作原理靜態(tài)分析：++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動態(tài)分析：僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。

溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。§

6.2.2射極耦合差分式放大電路流過恒流源的電流不變，故BJT的射極電位不變；負載中點電位不變，以上各點對差模信號視為短路。（1）差模電壓放大倍數(shù)－+－2+Eid2TvTi1id－－1RRvcc+i22vvvEv++o1ovo2－－§

6.2.2射極耦合差分式電路3.主要技術指標計算有負載時：無負載時：RL/2rbeRCrbeRCRL/2§

6.2.2射極耦合差分式電路－+－2+Eid2TvTi1id－－1RRvcc+i22vvvEv++o1ovo2－－以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出RL/2rbeRCrbeRCRL/2<B>雙入、單出接入負載時§

6.2.2射極耦合差分式放大電路（２）共模電壓放大倍數(shù)i2－v++_－－rT+TCC1REEvO2VRccV+vi1oicvicvI0Eo2v++vo1LR－－vvcic－－1Ricci1T2RRvvT+i2+LOr2Or2+－vOC§

6.2.2射極耦合差分式電路rbeRC2rorbeRC2ro§6.2.2射極耦合差分式電路vvcic－b－1Ricci1T2RRvvT+i2+LOr2Or2+－vOC<A>雙端輸出<B>單端輸出抑制零漂能力增強rbeRC2rorbeRC2ro§

6.2.2射極耦合差分式放大電路§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

單端輸入等效雙端輸入:

因為ro＞＞從T2發(fā)射結(jié)電阻，故ro可視為開路，于是有vi1=－vi2=vid/2

計算同雙端輸入雙端輸出：單端輸入、雙端輸出的方式rT+T1O2－idviei1v+-i2v+-RRcc衡量差分式放大電路抑制共模信號的能力。差分式放大電路雙端輸出時：KCMR為無窮大；單端輸出時：（３）共模抑制比§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

高頻響應同共射極放大電路，由于采用了直接耦合，故低頻響應很好。

不同輸入輸出方式下的差分放大電路的性能比較，見p.270表。（４）頻率響應§

6.2.1基本差分式放大電路§

6.2.1基本差分式放大電路(1)恒流源相當于阻值很大的交流電阻，直流電阻并不大(2)恒流源不影響差模放大倍數(shù)(3)恒流源影響共模放大倍數(shù)，使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比是無窮大恒流源的作用幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+TCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－例1：＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'=300，VBEQ=0.6V求：靜態(tài)時IB1、IC1、VCE1；雙端輸出時Avd、Avc、KCMR、差模輸入輸出電阻ans：浮地入、浮地出的工作狀態(tài)。靜態(tài)時，兩只BJT的集電極電位相等，RL對靜態(tài)無影響；Re中電流為2IE，差模信號下，Re相當于短路；差模交流負載為RL的一半vovi+12VRcRbRcRbRe–12Vvovi+12VRcRbRcRbRe–12V＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'

=300，VBEQ=0.6V例2：R1=R6=1k，R2=2k，RL=4k，R4=48k，R5=32k，

=100，rbb'=300，VBEQ=0.7V恒流源負載Ro3=1M分析電路的直流工作狀態(tài)；雙、單差模增益；單端共模抑制比；差模輸入輸出電阻分壓求VB3恒流源電流IC3差分管集電極電流IC1差分管VCE=VC-VE雙、單差模增益求算同前vi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2單出共模增益：負載對共模相當于開路單端輸出共模抑制比加大Ro3，可以提高共模抑制比。為此用恒流源T3來代替Revi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2例1：已知下圖所示差分放大電路的UCC=UEE=12V，RC=3kΩ，RE=3kΩ，硅晶體管的β=100，求：（1）靜態(tài)工作點；（2）Ui=10mV，輸出端不接負載時的UO

；（3）Ui=10mV,輸出端接RL=6kΩ

負載時的UO

。（3）接負載時的差模放大倍數(shù)當Ui=10mV時，【解】靜態(tài)時例2：下圖是利用差分放大電路組成的晶體管電壓表的原理電路。設電壓表的滿標偏轉(zhuǎn)電流為100A，電壓表支路的總電阻為2k

。要使電表的指針滿偏，需加多大的輸入電壓？設晶體管為硅管。總負載電阻差模電壓放大倍數(shù)要使電壓表滿偏時的輸出電壓則輸入電壓

例3：求下圖所示電路中的靜態(tài)工作點和放大電路的差模電壓放大倍數(shù)。設晶體管為硅管。(3)差模電壓放大倍數(shù)§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負載的射極耦合差分式eRRe6Re5T6-VEE(-6V)T5IREFIC5=IOIE6IE5vid/2VCC(6V)iOT1T2iC1vO2iC3iC2iC4-vid/2T3T42N39062N3904511004.7kIC6vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負載的射極耦合差分式vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2rce4ic4=gmvid/2rce2vo2e4e2c2ic2=-gmvid/2ic4ic2+-§

6.3差分式放大電路的傳輸特性

傳輸特性描述電路的輸出量隨輸入量變化的函數(shù)關系。由此了解差放電路在大信號輸入和小信號輸入時的輸出量的變化。定性分析：2VT-2VT4VT6VT-4VT-6VTvidiC/I00.10.30.50.70.9線性過渡限幅定量分析請參閱有關參考書動畫演示6.4集成電路運算放大器

6.4.1

CMOSMC14573運算放大器

6.4.2

BJTLM741集成運算放大器集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小§

6.4集成電路運算放大器§

6.4集成電路運算放大器§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器分析：1.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準電流：

其他偏置電流都與基準電流有關。

T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。

T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負載。A路為輸出級提供偏置。§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器2.輸入級：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器3.中間級：

T16和T17是復合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負載。

T14和T20管組成互補對稱輸出級，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護T20管在負向電流過大時不致燒壞。4.輸出級：5.相位分析：用“瞬時極性法”判定，3號腿為同相端；2號腿為反相端?！?/p>

6.4.2BJTLM741集成運算放大器6.5實際集成運算放大器

的主要參數(shù)和對應用電路的影響

6.5.1

實際集成運放的主要參數(shù)

6.5.2

集成運放應用中的實際問題§

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號特性、電源特性VOIBNIBPIBNIBP

2.輸入偏置電流IIB

輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小?！?/p>

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)3.輸入失調(diào)電流IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

§

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)4.溫度漂移輸入失調(diào)電壓溫漂

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。輸入失調(diào)電流溫漂在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。§

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)

5.開環(huán)差模電壓增益AVO和帶寬BW

：無反饋時的差模電壓增益。一般Avo在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)§

6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)

開環(huán)帶寬BW(fH)

：

運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所對應的帶寬fH

。fHf/Hz20lgAVO/dB020406