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阅读运算放大器电路图的方法
阅读运算放大器电路图的方法时间： 23:13:09 来源： 作者：集成运算放大电路的一般组成及其单元结构，如恒流源电路、差 分放大电路、CC-CE、CC-CB 电路和互补输出电路等。 运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四 部分组成，如图 1 所示。图1 运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很 大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源 电路是阅读运放电路的基础。 运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑 制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用 CC-CB 复合管， 以便拓展通频带； 运算放大器的中间级采用共射或共源电路，并采用恒流源负 载和复合管以增加电压放大倍数。双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能 是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。 二只输出管轮流 导通，每管工作在乙类状态。为消除交越失真，通常会给输出管提供 适当的偏置电流，让其工作在甲乙类状态。 由于集成电路工艺的限制，各级之间采用直接耦合。为保证 输入短路时，输出直流电平为零，有时还需要在级间加入电平移动电 路。 运算放大器的读图过程如下： 运算放大器的读图过程如下： （1） 运放电路结构分解 根据运放结构特点， 将运放分解成输入级、 中间级和输出级、 基准电流源等四个基本部分。 （2） 基准电流分析 运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准 参考电流 。（3） 静态偏置分析 在基准电流基础上， 通过镜像直流电流或微镜像直流电流源， 产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源， 这些直流恒流源提供放 大用晶体管的静态偏置。 将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通 路，用于分析各级直流偏置。 （4） 交流分析运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附 加功能电路，如交流镜像电流源电路，输出保护电路，交越失真补偿 电路，电平移动电路等， 这些电路为保证放大功能提供辅助作用， 通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交 流分析。 得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代， 就可以计算放大电路的动态指标。 图 2 是 uA741 运算放大电路的等效电路图， 试分析其基本工作原 理。图2 （1） 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路， 主要由 、 （共集-共基组合） 和 、 组成。中间放大级由 出级由 、 、 、 组成共集―共射电路；输组成互补输出电路。（2） 基准电流分析、 流为、组成运放的基准电流源，中得到的基准电（3） 静态偏置分析 与 构成微镜像电流源， 一方面给 、 的基极提供偏置， 构成的镜像电流源给 、 、 、 的集电极提供另一方面由 、恒流偏置，同时作为 、 的恒流负载。 是多集电极管，它与 提供偏置电流， 同时作为 同时作为 的有源负载。 构成镜像电流源。 则是给 一方面给 提供偏置电流，的有源负载。将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直 流通路如图 3 所示。图3 （4） 交流分析差分输入级中的 、 、 管构成高精度交流镜像电流源， ，因而提供给 的电流为 ，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。 、 同时分别作为 、 的有源负载。 电容 C 的作用是进行相位补偿，用于防止该运放可能产生的 自激振荡。 输出级中的 以消除交越越失真。 、 或 是输出限流保护用取样电阻， 当输出电流过大时， 、 组成的镜像电流源，将该电流镜像至 的另 ， ， 给互补输出管 ， 提供静态偏置，导通，通过一个基极，通过负反馈抑制输出电流的增大。 将辅助电路简化后的等效交流通路如图 4 所示。图4 其中， 是恒流源 的内阻。例 2，图 5 是 CMOS 运放 C14573 的等效电路图，试分析其 基本工作原理。图5 （1） 运放电路的结构分解 输入级是差动放大电路，主要由增强型 MOS 管 、 组成。 输出级是一个简单的共源电路，由 实现。 （2） 基准电流分析 和外接电阻 R 产生运放的基准电流 （3） 静态偏置分析 与 构成镜像电流源，且 作为 、 源极上的恒流源， 并为它们提供直流偏置， 、 是 、 的恒流源负载。 。与 构成镜像电流源，且 给 漏极提供直流偏置，同时 作为 的恒流源负载。 将镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如 图 6 所示。图6 （4） 交流分析 差分输入级中的 、 管构成交流镜像电流源， 而提供给 的电流为 分电路达到双端输出的效果。 电容 C 的作用是相位补偿，用于防止自激振荡。 将辅助电路简化后的等效交流通路如图 7 所示。 ，因， 使单端输出的差图7 其中， 是恒流源 的内阻。实验 8 集成运算放大器组成的基本运 算电路一、实验目的 1. 熟悉由集成运算放大器组成的反相比例运算电路、 同相比 例运算电路、加法运算电路、减法运算电路、积分运算电路。 2. 验证以上几种电路的性能，掌握它们的调试方法。 二、实验原理 1. 关于运算放大器 集成运算放大器实际上是高增益的多级直流放大器。在其输 出端和输入端之间接入不同的负反馈网络， 就能实现各种不同的 电路功能。 本实验只讨论由运算放大器组成的信号放大和模拟运 算电路。 一般运算放大器都设有相位补偿端。因此，在使用时，首先 要进行相位补偿， 以消除可能产生的自激振荡。 具体使用方法是， 在运放的相位补偿端按要求接入一个阻容网络，进行相位补偿。 本实验若采用运算放大器 F007 或 LM324 , 由于这两种运放已 在内部电路中进行了相位补偿，因此，不需要在外部进行相位补 偿。 在利用运算放大器对含有直流分量的信号进行放大时，还应 对运放进行调零。其目的是使运算放大器构成闭环电路以后，当 输入为零时输出也为零。因此，一般的运放都设有调零端。调零 的具体方法是： 将运算放大器接成具体的运算电路并在运放的调 零端按要求接入一个电位器作为调零电路。 再将电路的输入端对 地短路，调节调零电位器，使输出电压为零（用万用表测试）。 最后将输入端与地断开， 进行其它测试。 每当实验电路有变化时， 都需要重新调零。本实验若采用运算放大器 LM324 , 则不需要 在外部进行调零。实验室中常用的通用运算放大器 F007 的引脚如图 1.8.1 (a) 所示。其中 2 脚为反相输入端，3 脚为同相输入端，4、7 脚为 电源端，1、5 脚为调零端，6 脚为输出端, RW 为调零电位器。 当实验电路接好后, 接通正、负电源电压，将实验电路的输入 端短接，使 Vi = 0 ，调节 RW 使输出直流电压 VO = 0 。 这样 就完成了调零工作。 为简便起见，在后面 的实验电路中，电源 端和调零端不再画 出。 实验室中常用的 另一种通用运算放大 器 LM324 的引脚如 图 1.8.1 (b) 所示。 2. 反相比例运算电路 由 F007 组成的反相比例运算电路如图 1.8.2 所示。 其闭环 增益为 其输入电阻为 在选择元件参数时应注意， F 一般在几十千欧至几百千欧之 Ｒ 间选取。ＲF 太大，则由式（1.8.1） 可知会使Ｒ1 也较大，这 将会引起较大的失调温漂。若 ＲF 太小，Ｒ1 也会较小，这时往 往不能满足电路高输入阻抗的要求。如果输入阻抗一定，则可以 先根据式 1.8.2 选Ｒ1，然后根据式 1.8.1 确定 ＲF 。在放大 含有直流分量的信号时，还应选取 Ｒ' = Ｒ1 // ＲF 。3. 同相比例运算电路 同相比例运算电路如图 1.8.3 所示。其闭环增益为同相比例运算电路属电压串联负反馈，具有输入阻抗高，输 出阻抗低的特点。在多级放大电路中，常做缓冲或隔离级。特别 是当 Ｒ1 开路ＲF 短路时，同相放大器就变成了同相跟随器。 其用途与射极跟随器相同。 4. 加法运算电路对两个输入信号进行相加运算的电路如图 1.8.4 所示。 它实 际上是两个反相比例运算电路的组合。该电路的输出为：（1.8.4）当 Ｒ1 = Ｒ2 = Ｒ时，电路的输出为:（1.8.5）实现了对两个输入信号 vi1 和 vi2 的加权相加。特别地，当 ＲF = Ｒ1 =Ｒ2 =Ｒ 时就实现了对两个输入信号的直接相加。根据 图 1.8.4 的工作原理，可以很方便地实现多个输入信号的相加 电路。 5. 减法运算电路 用运算放大器组成的减法运算电路如图 1.8.5 所示。 其输出 为(1.8.6）当Ｒ1 =Ｒ2、Ｒ3 = ＲF 时， 输出为:(1.8.7)电路实现了对vi2 和 vi1 的加权相减。当满足Ｒ1 =Ｒ2 =Ｒ3=ＲF 的条件时，输出为这时，电路实现了对输入信号 vi2 和 vi1 的直接相减关系。 6. 积分运算电路(1.8.8)图 1.8.6积分器电路图 1.8.7阶跃输入时积分器的输出波形用运算放大器组成的积分器电路如图 （1.8.6） 所示。该电 路的输出电压为(1.8.9)当输入信号为图 1.8.7 所示的阶跃电压时， 其输出电压为(1.8.10)这时，输出是一个线性变化的斜坡电压， 其幅度受到运放饱 和输出电压Ｖ0 (sat) 的限制。 由于矩形波可以看成是多个阶跃信号的组合，因此，根据叠 加原理，当输入信号为矩形波时，积分器的输出波形为三角波。 7. 微分运算电路图 1.8.8微分运算电路原理图图 1.8.9微分运算电路实验电路图由于微分和积分互为反运算， 故将图 1.8.6 所示积分运算电 路中的电阻 Ｒ 和电容Ｃ 的位置互换，就可以得到微分运算电 路。如图 1.8.8 所示，其输出为(1.8.11)图 1.8.8 所示的微分运算电路在高频时不稳定， 很容易产生 自激。 在实验中可以采用图 1.8.９ 所示的电路。 与图 1.8.8 不 同之处是实验电路中在微分器的输入端串接了一个小电阻 Ｒ １，并在反馈回路里并联了一个小电容ＣＦ。这样可以消除自激并 抑制电路的高频噪声。 当微分运算电路的输入为方波时，其输出为尖脉冲波，如图 1.8.10 所示。当输入为三角波时，其输出为方波，如图 1.8.11 所示。图 1.8.10 输入为方波时微分器的输出波形图 1.8.11输入为三角波时微分器的输出波形三、实验内容及步骤 1. 反相比例运算电路 (1) 连接电路 按照图 1.8.2 所示电路原理图，在面包板上插好电路。并按 照图 1.8.1 所示电路连接调零电路。检查无误后，接通电源。 电源电压ＶCC = +12 V ，ＶEE = －12 V 。 (2) 调零 将电路的输入端对地短路，调节调零电位器，使 v0 = 0 。 然后将输入端与地断开。本实验若采用运算放大器 LM324 , 则 不需要调零。 (3) 测量 在输入端与公共地之间分别加入 Vi = +0.5 V 或 Vi = －0.5 V 直流电压 ，测量相应的输出电压 v0 ，计算电路的增益ＡVf 。 测量运放同相输入端电压Ｖp 和反相输入端电压ＶN ，理解“虚 地”的概念。产生直流电压 Vi 的电路如图 1.8.12 所示. 输入频率为 1 kHz 、幅值为 0.5 V 的正弦信号，测量相应 的输出电压，计算ＡVf 。图 1.8.122. 同相比例运算电路 (1) 按照图 1.8.3 所示电路进行实验。 (2) 实验内容和方法与反相比例运算电路相同。 3. 加法运算电路 (1) 连接电路. 按照图 1.8.4 连接电路。 (2) 调零 将两个输入端对地短路， 调整调零电位器， v0 使 = 0，然后将两个输入端与地断开。 (3) 在两个输入端分别加入 vi1 = vi2 = 0.5 V 的直流信号，测量输出电压 v0 。与理论值进行 可调直流信号源 比较。 4. 积分运算电路 (1) 调零 按照图 1.8.6 接好电源并调零。 (2) 输入频率为 1kHz 、幅度为 1V 的方波信号，用示波器 观察输出信号 v0 的波形。 5. 微分运算电路 按照图 1.8.9 接好电路，输入频率为 1 kHz、幅度为 1 V 的 方波信号，用示波器观察输出信号 v0 的波形。 四、实验仪器与设备 1. 2. 3. 4. 低频信号发生器 双踪示波器 直流稳压电源 万用表 1台 1台 1台 1块五、实验报告要求 1. 整理反相比例运算电路、同相比例运算电路、加法运算电 路的实验数据。与理论值比较。 2. 比较反相比例运算电路、同相比例运算电路、加法运算电 路 在 实 验 中 测 得 的 电 压 ＶP 、v i 、ＶN 的数值。进一步理解运放的“虚断”和“虚短” 的概念。 3. 绘制积分运算和微分运算实验中的输入、输出波形。集成运算放大器（简称运放） 第四章 集成运算放大器（简称运放）4.1 集成运放的基本组成及功能 4.2 集成运放的基本组成电路集成电路：一种半导体器件。是利用半导体工艺将晶体管、场效应、二极管、电阻、电 容以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上， 封装在一个管壳内， 构 成的一个完整的具有一定功能的半导体器件。 集成电路：模拟集成电路――处理模拟信号的集成电路，种类繁多。 数字集成电路――处理数字信号的集成电路，单纯，发展快。 模拟集成电路的代表（发展最早、应用最广） ；集成运算放大器（简称集成运放）]§4.1一、基本组成： 典型的组成框图集成运放的基本组成及功能以 F007 为例介绍各部分组成：P225，图 4.3.21、输入级：由差分放大器，有源负载为主要组成，任务是：放大、双入一单出，具有 很高的输入阻抗以及很高的增益。 2、中间级：由复合管共射放大电和及有源负载组成。任务是：放大与输入级相配合，使电压增益做到 10 万倍。 3、输出级：互衬对称功率放大器及过载保护电路所组成，任务：实现功率放大。 4、偏置电路：由镜像电源源和微电流源电路组成。任务是：同时为输入级、中间级和 输出级提供所需要的偏流。 从介绍基本组成中可以看到一些未知电路， 在第四章中主要学习掌握差分放大器， 有源 负载、复合管、各类电流源等电路知识，功放将在第九章介绍。 二、功能：高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、直接耦合多级放大。不仅用于数字 运算，更是一种通用放大电路集成器件，用途很广。集成运放的基本组成电路 §4.2 集成运放的基本组成电路一、 偏置电路（电流源电路） 1、镜像电流源（电流镜） ①电路特点：1）T1 与 T2 特性相同； UBE1= UBE2= UBE β1=β2=β Ic1= Ic2 IB1= IB2= IB2）R 和 T1 共同构成 T2 的偏置电路； 3）T1 管的 c-b 相连，使 Ucb1=0，这是一个临界饱和状态，Ic=βIβ的 关系仍然存。②电路分析：IR =Vcc ? U BE 2 2 = I c1 + 2 I B1 = I C1[1 + ] = I C 2 [1 + ] R β β∴ IC 2 =β β +2IR = IR（即二者之间如同“镜像”般的关系）这样， I C 2 的大小即可由IC 2 = I R =& Vcc ? U BE R 来决定。这个电路有一个基准电流 I R ，由电路参数和管参数很容易确定，当找出 I C 2 与基准电 流 I R 的“镜像”关系后，很容易知道该电路提供出的偏流大小。 ③优缺点分析： 优点：结构简单，可以提供毫安级电流。β缺点：U BE 是温度的函数，所以 I C 2 不“恒流” β 值不大时， β + 2 ； 误差。 2、比例电流源=1易造成较在的①电路特点：在两发射极上分接两个电阻 R1 和 R2②电路分析： U BE1 + I E1R1 = U BE 2 + I E 2 R2QU BE1 = U BE 2 ∴ I E1 R1 = I E 2 R2I B1 = I B 2( I B1 + I C1 ) R1 = ( I B 2 + I C 2 ) R2∴ Ic2 =R1 R R V ? U BE I c1 = 1 I R = 1 ? cc R2 R2 R2 R（忽略两管的基流而得近似式）R1 即：该电流源所提供的电流由 R2 比值决定，故称比例电流源。3、微电流源从镜像电流源中获得的电流为IC 2 =Vcc ? U BE ( mA) R6 要获得微小的电流，如微安级，R 就需 10 ? ，这样大的电阻不能集成，所以，当需要小电流时，用微 电源流。 ①电路特点，在 T2 管的射级接一个电阻 Re2②电路分析：I c2 = I E 2 =U BE1 ? U BE 2 ?U BE = Re 2 Re 2由于 U BE 的数值很小，所以 Re 2 的阻值不大就能获得微电流。 进一步分析： ?U BE 无法确定，故需找到一种能够计算的方法。 当 U BE ≥ U T 时，根据二级管方程， I C = I s (eU BE UT? 1) = I s eU BE UTU BE1 ? U BE 2 = U T ( I s1 = I s 2 I c1 =I C1 I C 2 ? ) = I c 2 ?Re 2 I S1 I S 2 I c1 I = I c 2 Re 2 = U T ln R Ic2 Ic2设则 : U T ln（取Vcc ? U BE R 忽略了两基极分流： I c1 = I R ）4、多路电流源：① T1 和 T2 组成微电流源：Ic2 =?U BE Re 2② T1 和 T3 组成微电流源：I c3 =?U BE Re 3Vcc ? U BE R③ T1 和 T4 组成镜像电流源：I c4 = I R =图示电路是 F007 偏置电路的一部分， 所有管子的 U BE = 0.7VR5 = 39k? ，其中NPN 型管的 β ≥ 2 ，PNP 型管的 β = 2 ①估算基准电流 I R 先看 I R 的流通电路： + Vcc → T12 或TB管的U BE → R5 → T11的U BE → ?VEE∴ I R = (Vcc ? ( ?VEE ) ? 2 U BERs=30 ? 1.4 ? 0.73mA 39k②有何种电源？T12 和 T13 组成镜像电流源，T11 和 T10 及 R4 组成微电流源。 ③估算 ICB ，因为是镜像电流源，所以可按IR =β +2 β +2 IC 2 =1 β 来求，因为 PNP 型管的 β = 2 ，不满足 β 的要求。2 ? I R = [0.73 × ] = 0.365mA β +2 4I c13 =β④若要求 I C10 = 28uA ，试估算电阻 R4 的阻值。式子：I C10 ? R4 = U T ln R4 =IR I C10 其中： I C10 = 28uA U T = 26mvI R = 0.73mA代入：UT I 26 × 10 ?3 ln R = = 3k? I C10 I C10 28 × 10 ?6二、差分放大器（集成运放的输入级） *为什么要在集成运放的输入级采用差分放大器？ 因为集成运放是一种高增益的直接耦合放大器。直接耦合放大器存在两个突出的问 题：一是极间直流电位的配置问题，解决办法：一是采用指高射极电位法，二是采用 NPN 型管与 PNP 型管来实现电位移动，称为电位移动法。 第二个问题是零点漂移问题。采用直接耦合放大器，电路中任一点的直流电位改变都 会引起输出电压的变化，这就是零点漂移。零点漂移是一种现象，是由于晶体管特性易受温 度影响和电源电压不稳定等因素的存在， 使得直接耦合放大器的输入信号为零时， 输出端也 会有缓慢变化的电压输出的现象。级数愈多放大倍数愈大，零点漂移愈严重。 一般，直接耦合放大器的零漂指标有两种。 ①漂度漂移（简称温漂） ：指温度每变化 1℃时所产生的零漂折合到输入端的值。定义为：AU ip =?U op Au ?Tα (°C )含义为：输出端的漂移电压除以放大器的总电压放大倍数及温度变化量后折合到输入 端的值。 ②时间漂移（简称时漂） ：指在给定的时间内产生的零漂折合到输入端的值。在差分 电路中谈到的零漂信号主要指温漂，时漂暂不考虑。 解决零漂的方法通常有三种：①采用热敏元件进行温度补偿；②采用调制型直流放大 器；③采用差分放大电路。 *差分放大器为什么能解决零漂问题？ 从最简单的差分放大器分析起： 电路特点：①电路对称Rb1 = Rb 2RC1 = RC 2R1 = R2β1 = β 2②信号从两基极输入，从两集电极输出 （双入-双出） 理想对称时： ① 无输入信号时，该放大器的输出为 0，Q I c1Q = I c 2QU c1Q = U c 2 Q ∴U 0 = U C1Q ? U C 2Q = 0② 无输入信号时，该放大器的零漂为 0，∵零漂产生的增量??I C1 = ?I C 2 ∴U 0 = ?U C1 ? ?U C 2 = 0 ? ??U C1 = ?U C 2③当输入信号为U i1 = ?U i 2 时，该放大器输出为 2U oAu 2 = ? U o2 Ui2 ∴U o = U o1 ? U o 2 = Aui ? U i1 ? ( ? Au 2U i 2 ) = 2 Au1U i1 = 2U 0Q Au1 = Au 2Au1 =U o1 U i1对这一简单的差分放大器的分析指出：差分放大器可以区别对待两种信号：相同的输 入信号，输出相互抵消；等大反相的输入信号，输出相加：即输入无差别。输出就不动，输 入有差别，输出才变动――故亦称差动放大器。 *差分放大电路的两种信号及共模仰制比。 差分放大电路的性质被我们所用。 客观存在在电路中的零漂信号由于电路对称可以折合到输入端为一对等大同相的信号，称为共模信号，用 U ic 表示，特征是： “大小相等，极性相同” 。 人为输入需要放大的信号（有用）按“大小相等，极性相反”输入，即可与共模信号 区别开来，称为差模信号，用 U id 表示。 为 了反映 差分 放大电 路的 质量 ， “态 度”优 劣，引 入差抑 制比 的概念 。定 义为BMBR =Aud Auc ，CMRR 愈大，对差模信号的放大能力强，对共模信号的抑制能力愈强，当Auc → 0 时， CMRR → ∞ 。 K CMR = 20 lg | Aud | Auc若用对数单位分贝表示，则为Auc → 0 的程度，反映电路的对称程度。*上述简单的差分放大电路是基于理想对称，由于实际上做不到；再则电路是大双入双出状态：若是双入-单出状态呢，失去前提条件后简单的差分放大器就不适用了。 1、典型的差分放大器（长尾或差分放大器） ①电路特点： 1）增加了射极公共电路 Re――长尾电阻。 2）增加辅助电源-VBE ，双电源供电。 3）仍为双入-双出形式。 ②根据电路组成特点，定性分析该电路工作原理。 一是对差模信号的态度：当输入一对“等大反相”的信号时。U id 1 = U id 2两管集电极电流变化“一增一减” ，?I E = ?I C1 + ?I C 2 = 0?U E = ?I E ? Re = 0两管集电极电压变化“一高一低” ，?U C1 = ? ?U C 2?U o = 2?U C输出是单管输出的 2 倍。二是对共模信号的态度：与“输入”一对“等大同相”的信号时。U iC1 = U iC1 两管集电极电流变化相同： ?I E = ?I C1 + ?I C 2 = 2?I C两管集电极电压变化相同： “态度”是：由于?U E = 2?I E Re?U L = ?U C1 ? ?U C1 = 0Re 的存在对共模信号有较强烈的负反馈乘积；负反馈过程为? I C1 ↑ ?U BE1 ↓→ I B1 ↓→ I C1 ↓ ? ? T ↑? → I E ↑→ U E ↑→ ? ?I C 2 ↑ ?U BE 2 ↓→ I B 2 ↓→ I C 2 ↓ ? ?这一负反馈称为电流串联负反馈，从而可以稳定输出电流不变。定性分析结果指出：典型的差分放大器能够区别对待两种信号的关键在于 Re，Re 对差 模信号没有影响， 但对共模信号有很强的负反馈作用。 从而使差分放大器成为比较理想地解 决放大与漂移之间矛盾的好方法。 ③定量分析该电路的工作原理。 目的：掌握电路的静态和动态情况。 要点：将双管电路分成单管电路。 关键：处理好公共元件 Re , RL 还有 RW ――调零电位器等。 方法：? ?共模(包括静态) Re单 = 2 Re ? ? Re ? Re单 = 0 ? ?差模 ? ? ?共模(包括静态) RL单 = ∞ ? ? ? ? RL ? 1 RL单 = RL ? ?差模 2 ? ? ? ?共模(包括静态) 1 ? RW ? 均可认为电位器调至中点, 两边各为 RW 2 ? ?差模 ?静态分析：从基极回路入手，先求 I E1 或 I B1 单管化电路：I B1 =VEE ? U BE 1 RS + (1 + β )( Rw + 2 Re ) 2U B1 = ? I B1 RsI E1 =或VBE ? U BE R 1 Rw + 2 Re + s 2 1+ β1 Rw 2I C1 = βI BU cE1 = Vcc + VEE ? I C1 ( RC1 + 2 Re +总的 I E = I E1 + I E 2 = 2 I E1 差模分析：这时单管输入的情况，实际上是双管双输入，得证明。1 β ( RC // RL ) U od 1 2 Aud 1 = =? 1 U id 1 Rs + [ rbe + (1 + β ) Rw ] 2 1 ' Rid 1 = rbe1 + (1 + β ) Rw Rod 1 = RC 2 1 Rid 1 = Rs + rbe1 + (1 + β ) Rw 2? U od 2U od 1 U od 1 = = ? Aud = U id 2U id 1 U id 1 ? ? U id 2U id = = 2rid ? Rid = I id I id ? ? U od 2U od = = 2rod ? Rod = I od I od 1 ?共模分析：双管差模输入与单管差模的相同U ? β I b RC ? AuC1 = oc1 = ? U ic1 I [ R + r + (1 + β )( 1 R + 2 R )] ? b s be w e 2 ? ? 1 ? RiC1 = R + rbe + (1 + β )( Rw + 2 Re ) 2 ? ? RoC1 = RC1 ? ? ? β RC ? ?单出 : Auc = ? 1 Rs + rbe + (1 + β )( Rw + 2 Re ) ? 2 ? ? U oc =0 ?双出 : Auc = U ic ? 同样可以证明：双管输入U U 1 ? Ric = iC = iC1 = RiC1 ? I iC 2 I iC1 2 ? ? ? R = U oC = U oC1 = 1 R ? oC I bC 2 I oC 2 oC1 ?前面我们已经介绍了简单的差分放大器和典型的差分放大器。 从分析中我们亦看到差分 放大器之所以能够抑制零点漂移，有两个重要因素：一是电路对称；二是长尾电阻 Re 在起CMRR =作用。 从差分放大电路的性能指标共模抑制比来看，Aud AuCAuC愈小， CMRR 愈大。AuC 要小，有两个途径：①使电路尽可能的对称； AuC →0 CMRR→∞ ②尽可能的增大射极共模反馈电阻 ReQ Auc = ?R + rbe + (1 + β ) RReβRC=?RC 2 Re相应问题：任意增大 Re 是不现实的，直流工作点，I c1 =VEE ? U BE V = EE R + rbe + 2 Re 2 Re 1+ β∴ Ic =VEE 2 Re当保持工作点不变时， Re 提高多少倍，VEE 就要增大多少倍。结论：要增大 Re 而工作点保持不变，将面临 VEE 过大的困难。? Re的交流阻值很大以提高CMRR; ? 改进电路的愿望是： ? Re的直流阻值很小以节省辅助电源VEE能够帮助我们实现上述愿望的元器件即三极管。 从三极管的输出特性曲线可以看出：集电极电流 I C 基本上由 I B 所决定。 在某一工作点上，RCE =U CE I C 即 c-e 间的直流电阻比较小， （几百欧~几千欧） 。r Ce =?U Ce ?I C，c-e 间的交流阻值非常大， （几百 K 欧~几 M 欧）因此，用晶体管取代 Re ，就能在 VEE 不高的情况下增大 CMRR。 *恒流源式差分放大电路 1、电路特点： ① 用 T3 , Re 3 , Rb1 , Rb 2 组成的恒流电路取代了 Re ； ② 双电源供电， VEE 不需很大，一般情况下取| VEE |=| Vcc |2、定性分析：关键在于恒流源能否提供一个恒流I c 3 , ∴ I C1 + I C 2 = I C 3就半会被抑制。 这个过程可描述为：I C 3 不变， I C1 和 I C 2 的变化T↑I C1 ↑ IC 2 ↑ I C1 ↓ IC 2 ↓→ I C 3 = I E 3 ↑→ U E 3 ↑→ U B 3 =Rb (Vcc + VEE )不变 → U BE 3 ↓ Rb1 + Rb 2I C 3 ↓← I B 3 ↓3、定量分析：I 1 VB 3 → VE 3 → I C 3 → I C1 = I C 2 = I C 3→ I B1 = I B 2 = C1 → U C1 = U C 2 2 β ① 静态分析 Rb1 ? ?U B 3 = R + R (Vcc + VEE ) b1 b2 ? ?U E 3 = U B 3 ? U BE 3 = U B 3 ? ?I E 3 = U E 3 = U B3 ? Re 3 Re 3 ? ?I = I = I + I = 2 I = 2I C3 C1 C2 C1 C2 ? E3 I C1 ? ? I B1 = I B 2 = β ? ?VC1 = VC 2 = Vcc ? I C1 RC1 ? Rb1 U E 3 = U B 3 ? U BE 3 = (Vcc + VEE ) ? U BE 3 Rb1 + Rb 2IC3 = I E3 = Rb1 (Vcc + VEE ) / Re3 Rb1 + Rb 2该式说明： I C 3 取决于电路参数，受管参数、受温度影响很小，基本上不受温度影响， 故称为“恒流” ，所以将 T3 , Re 3 , Rb1和Rb 2 共同组成的电路称为“恒流源” 。 ② 差模量的计算， 因恒流源电路对差模信号无负反馈作用， 故对差模信号而言可视为短路。' ? 1 βRL ' RL = RC1 // RL ? Aud 1 = ? R1 + rbe 2 ? ?R = R + r Rod1 = RC1 1 be ? id 1③共模量的计算：因 *恒流源式差分放大器的简化表示法。 恒流源的简化符号：Auc = ?RC 2 Rce 很小，而不再进行分析，视 Auc → 0*如何将单管化电路分析结果统一到双管电路。 （以双入-双出为例） ①静态时， 得到的 I B1 = I B 2I c1 = I c 2 U c1 = U c 2 仍为双管电路中相应的电流电压值，但双管电路中的 I E = I E1 + I E 2 = 2 I E1 = 2 I E1 ②共模分析时：由于模信号是折合到两输入端的值，U C1 ? U C 2 U oC = U iC1 + U iC 2 U iC 双端输出时，QU o = 0, ∴ Auc = 0 R AuC1 = ? C 2 Re 意味着单端输出才可能具有 Auc 单管化电路时， ∴ Auc =③差模分析时，由于信号输入时Aud =U od U od 1 ? (?U od 2 ) = U id U id 1 2U od 1 U od 1 U od 2 = = = 2U id 1 U id 1 U id 2即：对于双入-双出电路、单管化分析得出的差模电压放大倍数亦即双管电路的差 模电压增益。1 ? ?共模输入电阻是 : 并联关系, ∴ RiC = RiC1 // RiC 2 = RiC1 2 ? ?差模输入电阻是 : 串联关系, ∴ Rid = Rid 1 + Rid 2 = 2 Rid 1 ④输入电阻 ? ? ?共模信号而言 : 输出电阻是并联关系 , ? ? ⑤输出电阻 ?差模信号而言 : 输出电阻是串联关系 ,*差分放大电路的四种接法 双入-双出 单入-双出 双入-单出 ――着重介绍单端输入的工作原理 当信号单端输入时，没信号的瞬时 极 性 为
， 则 单入-单出1 Roc 2 Rod = 2 Rod 1 Roc =iB1 ↑→ iC1 ↑→ iE1 ↑→ U E ↑→ U B接地不变→ U BE 2 ↓→ iB 2 ↓→ iC 2 ↓→ iE 2 ↓可见，在单端输入时，另一端的管电流、电压变化如同接“等大反相”信号一样。且 因恒流源电流不变，∴ ic1 = ?ic 2 iB1 = ?iB 2 态，所以单端输入和双端输入效果一样。 ――单端输出时，U BE1 = ?U BE 2 ，两个管子仍然工作在差分状Aud =U od 1 1 = Aud 1 R → RL 2U id 1 2 RL 有变化，从 2 L ，只不过另外，根据单端输出是从输出还是从 T2 输出，来判断是反相还是同相。单端输出时的 输出电阻只有一倍。见 P214 性能比较表。 *差分放大器的输入、输出接法 差分放大器的四种接法：双入-双出；双入-单出；单入-双出；单入-单出。 1、双入-双出：' ? βRL Aud = ? ? R + rbe ? ? ? Rid = 2( R + rbe ) ?R = 2 R C ? od ? ? ' ( RL = RC //RL ) 2AuC = 0 CMRR = ∞)2、双入-单出：βRC 1 β ( RC // RL ) U od 1?2 1 ? = = Aud 1?2 AuC = ? 很小 ? Aud = ? 2 R + r R + rbe + (1 + β )2 Re 2U id 1?2 2 be ? ? ∴ CMRR仍较大 ? Rid = 2( R + rbe ) ?R = R C ? od ? ?3、单入-双出： 单端输入时，另一输入端接地，将基极电位箱制在“地”电位。 当输入信号的瞬时极性为时，将导致： （设信号从 T1 管的基极输入）iC1 ↑→ iE ↑→ U E ↑ ?因U B? →U BE 2 ↓→ iB 2 ↓→ ic 2 ↓ ? 2不变 ?即： 单端输入时， 电路的工作情况仍然是一个管子的电流增大， 一个管子的电流减小， 当长尾电阻或恒流源的共模负反馈作用足够强时，两个电流的增、减量基本上相等，相互抵 消， iC 3 不变。这时的情况和双端输入时的情况基本相同。差分放大器的单入和双入分析结 果基本上是一致的。' ? βRL 1 ' Aud = ? ( RL = RC // RL ) ? R + rbe 2 ? ? ? Rid = 2( R + rbe ) ?R = 2 R C ? od ? ?4、单入-单出：1 β ( RC // RL ) ? ? Aud = ? 2 R + r be ? ? ? Rid = 2( R + rbe ) ?R = R C ? o ? ?（这是从 T1 管集电极输出的情况，若从 T2 管集电极输出，则输入与输出同相，没有 负号） P213 几点结论 P214 四种接法的性能比较。 例 ： 如 图 所 示 电 路 ： 已 知 ：β = 40 rbe = 8.2 k ? Vcc = VBE = 15VR = 1.8k ? Rw = 1k ?RC = 75k ?Re = 56k ?Rw 的滑动端处于中点，负载电阻 RL = 30k ? 。①求静态工作点；②求差模电压放大倍数；③求差模输入电阻。 ①求 Q ，作出单管化直流电路。I B1 = I B 2 =15 15 = = 3.3uA 1.8 + 41× 2 × 56 4593.8k I c1 = I c 2 = β I B1 = 0.13mAU C1 = U C 2 = 15 ? 0.13 × 75.5k = 5V U B1 = U B 2 = ? I B1 R = ?3.3uA × 1.8k = 10.7mv I E = I E1 + I E 2 = 2 I E1 = 0.266mA②求 Aud 作出单管化等效电路其中' RC = RC +1 Rw = 75.5k 21 1 ' ' RL = 15k? ∴ RL = RC // RL = 75.5 // 15 = 12.5( k ) 2 2 ' 40 × 12.5k 500k βRL Aud = Aud 1?2 = ? =? =? = ?49.5 R + rbe 1.8k + 8.3k 10.1k[rbe = rbb ' + (1 + β )26(mV ) 26 = 300 + 41 × = 8.3(k?)] I E1 (mA) 0.133Rid③求 该部分作业为 4-7 4-9 P252 三、中间级（有源负载，复合管） 任务：提供足够大的电压放大倍数。要有很大的电压放大倍数，电阻负载做不到。? Rid 1 = R + rbe = 10.1k = Rid 2 ? ? Rid = 2 Rid 1?2 = 20.2kAu = ?' βRLrbe' RL = Re // RL或Au = ?βRCrbe增大RC 可使Au ↑但 RC ↑将影响直流工作点， 同时，集成电路也不便制作大电阻。所以，通常利用三极管代替 RC ，组成有源负载。 1、有源负载 电路组成特点：?T1 放大管 ? ?T2 取代RC的有源负载 ?T 和R作为T 的偏置电路 2 ? 3镜像电流源的基准电流二者组成镜像电流源IR =Vcc ? U BE 3 = I c1 R(镜像关系)Au = ?β rCe 2rbe(很高 10 4 ~ 10 5 )采用有源负载后，放大器的电压放大倍数为： 2、采用有源负载可以同时解决双入-单出的问题 如常恒流源及有源负载的差动放大器如图示。 电路组成① T1 和 T2 为差分对管； ② T4 为差分放大的有源负载； ③ 3 4 组成镜像电流源，共同 作为差分放大的有源负载； ④电流为双入-单出方式。T T当 T1 和 T2 输入差模信号时，两管的集电极电流变化量大小相等、 方向相反；即?I C1 = ? ?I C 2 镜像电流源的电流关系为 I C 4 = I C1 ∴ ?I C1 = ?I C 4∴ ?I L = ?I C 4 ? ?I C 2 = ?I C1 ? ( ? ?I C1 ) = 2?I C1这样，就把差模电压引起的两管集电极电流的增量全部输出给负载，同时实现了双入 -单出的目标。 3、复合管?复合管是将两个以上的三极管经过适当连接所构成的一个新的三极管. ? ?作用是可以获得很高的电流放大系数β , 而且能够提高放大管的输入电阻.组成原则：①必须保证两管的电流顺利流通； ②复合管的类型取决于第一只管子的类型。rbe = rbe1 + (1 + β1 )rbe 2NPN 型复合管rbe = rbe1 + (1 + β1 )rbe 2PNP 型复合管r be = rbe1复合管的电流放大系数和输入电阻可以推导得出：rbe = rbe1iC = iC1 + iC 2 = β1ib1 + β 2ib 2 = β1ib1 + β 2ie1 = β1ib1 + β 2 (1 + β1 )ib1 = ib1 ( β1 + β 2 + β1 ? β 2 ) = β1 β 2ib1 = β1 β 2ib 即：复合管的电流放大系数大于两管 β 的乘积。 rbe = rbe1 + (1 + β1 )rbe 2 rbe = rbe1 （异型管）?若要增大输入电阻, 可在异型管的射极接一小电阻R.? ? ? ?使rbe = rbe1 + (1 + β1 ) R , 这样很容易使复合管相匹配. ?