第3章 集成运算放大器基础及负反馈电路

I REF I C1 2 I B I C1 2 I C1

I C1
Байду номын сангаасI REF I C2 2 1

当β»2时，V2管的集电极电流IC2 近似等于基准电流IREF，即
I C2 I REF VCC VBE VCC R R
图3.1.9 镜像电流源
二、微电流源(Small value current source) 微电流源是模拟集成电路中常用的一种电流源，电路如图 3.1.10所示。当基准电流IREF一定时，由图3.1.6可得
K CMR
Aud Auc
K CMR
Aud 20 lg Auc
KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。
3.1.4
共模输入信号的动态分析
二、单端输出电路的共模特性 图3.1.4a所示单端输出差动电路的共模交流通路如图3.1.5b 所示，从图中可求出单端输出的共模电压放大倍数
uoc1 RL Auc1 uic Rb rbe 2(1 ) Re
uo1 Aud1uid Auc1uic Aud1 (uid
1 K CMR
uic )
3.1.5
恒流源
为了提高单端输出差动放大电路的共模抑制比，应当提高
Re的数值。但增大Re会增加Re上的直流压降，影响电路的静态
工作点，为使电路正常工作,需提高电源电压，但电源电压又不 能任意提高，所以形成矛盾。采用恒流源代替R e可很好地解决 这一矛盾。 恒流源输出电流恒定，具有交流等效电阻很大而直流电阻 （两端电压降）不大的特点。图3.1.8所示电路就是一个采用恒 流源的差动放大电路。
由此产生以下结果：一是由于输入共模电压信号在两集 电极上产生的输出电压大小相等、方向相同，从而使得流过 RL的电流为零；二是由于两管集电极电流共同通过Re时，Re 上的电流为2ie，对于每个管子而言，相当于发射极接了一个 2Re电阻。基于上述结果，其共模交流通路如图3.15a所示。
3.1.4
共模输入信号的动态分析
三、静态分析
图3.1.2 差动放大电路直流通路
三、静态分析 静态时，IC1=IC2≈IE，UC1=UC2=VCC－IC1Rc1 。 故： Uo=UC1－UC2=0。
另一思路，忽略IB影响。UB=0，UE=－UBE，
U BE VEE VEE IE 2Re 2Re
即静态时，差动放大器具有零输入零输出的特点。不会 产生零点漂移现象，前提：电路完全对称。
电路的输入电阻则是从两个输入端看进去的等效电阻。 Ri=2(Rb+rbe) 电路的输出电阻为 Ro=2Rc
二、单端输出电路的差模特性 单端输出差动放大电路原理图如图3.1.4（a）所示 。
图3.1.4 单端输出差分电路
分析表明，该电路的共模抑制比为
Aud1
u od u od1 1 RL uid 2uid1 2 Rb rbe
若电路仅有uid作用，则输出电压为uod，电路的差模电压
放大倍数Aud＝uod/uid 。
二 、 共 模 信 号 (Common-Mode signal) 和 共 模 放 大 倍 数 (Common-Mode gain) 共模信号就是一对大小相等、极性相同的信号，即 ui1＝ui2＝uic 差动放大器只有 uic作用输出电压为 uoc；则共模电压放 大倍数Auc=uoc/uic 。
3.1.2
共模信号、差模信号及放大倍数
一、差模信号（Difference-Mode signal）和差模放大倍数 (Difference-Mode gain) 差模信号就是一对大小相等、极性相反的信号电压，即 ui1＝－ui2
uid=uid1-uid2 =2uid1 ，uid1=-uid2=uid/2 。
本章教学目标
5、熟悉反馈、反馈深度和深度负反馈的概念。掌握反馈的分 类及其判别方法。 6、熟悉负反馈对放大电路性能影响。了解负反馈电路产生 自激震振荡条件及其消除方法。熟悉深度负反馈放大电路的 闭环增益估算方法。 7、选学负反馈电路应用示例。
3.1 差分放大电路
差分放大电路(Differential amplifier)又称差动放大器，
ic1 I C1 ic
ic 2 I C 2 ic
由此产生以下结果：一是由输入差模电压产生在RL两端 的信号电压数值相等、极性相反，从而使得RL中点电位必然 交流接地；二是两管集电极电流共同通过Re时，仅有静态电 流2IE=IC1+IC2，而由输入差模电压产生的电流相互抵消，因此， 对差模信号而言，Re可看做短路。
缓慢变化的现象。 ②产生零点漂移的原因：元器件参数的变化；环境的温度 的变化(最主要的因素，因温度变化引起零漂称为温漂)。 ③零漂在 RC 耦合电路中影响不大；但在直接耦合放大电 路中会被后级电路逐级放大，且第一级的零漂影响最为严重。
抑制零漂的措施： 1、选用高稳定性的元器件。 2、电路元件在安装前要经过认真的筛选和老化处理， 以确保质量和参数的稳定性。 3、采用稳定性高的稳压电源，减少电源电压的波动的影响。 4、采用温度补偿电路。 5、采用调制型直流放大器。 6、采用差动放大电路。这是目前应用最广的电路， 它常用作集成运放的输入级。
图3.1.8 具有恒流源的差动放大电路 图中，V3组成分压式工作点稳定电路作为恒流源， 保证温度变化时，IE3基本不变，且
I C1 I C2
1 1 I C3 I E3 2 2
一、镜像电流源（Current mirror）
镜像电流源电路如图3.1.9所示，设V1、V2的参数完全相同， 由于两管具有相同的基-射极间电压（UBE1=UBE2），因此，两 管集电极电流IC1=IC2，由图可知基准电流为
uo uod uoc Aud uid Auc uic
差动放大器的性能应是差模性能和共模性能的合成。
[例3.1.1] 已知差动放大电路ui1=10.04V，ui2=9.96V，试求共 模和差模输入电压。 解：
uic (ui1 ui2 ) / 2 10V uid ui1 ui2 0.08V 80mV
第3章 集成运算放大器基础及负反馈电路 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 差分放大电路 集成运算放大器 负反馈电路 反馈的一般表达式 负反馈对放大电路性能的影响 深度负反馈放大电路的估算 负反馈电路应用示例
本章教学目标
1、了解直接耦合电路存在问题、零点漂移产生原因及其抑制 措施。 2、掌握差分放大器组成、抑制零漂原理。熟悉差模信号与 共模信号及其放大倍数、共模抑制比概念。会对任意信号进 行分解。 3、选学常见恒流源电路组成。 4、熟悉集成运放特点及其内电路框图、电路符号、理想运 放概念。了解集成电路分类、外形、命名方法。
3.1.3
差模输入信号的动态分析
差动电路有两个输入端、两个输出端，它具有双端输入 双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输 入单端输出四种组态。
一、双端输出电路的差模特性
图3.1.3 双端输出差分电路
双端输出差分电路原理图如图3.1.3（a）所示，其中输 出负载RL接在两管集电极之间。在差模输入电压下，两管集 电极电流产生电流数值相等、极性相反的变化。即
Auc1 RL 2Re
RC // RL . RL
单端输出差动电路的共模抑制比为：
K CMR Aud1 Re Auc1 Rb rbe
3.1.4
共模输入信号的动态分析
除了上述双端输入双端输出、双端输入单端输出方式以外， 它还有单端输入双端输出、单端输入单端输出的工作方式，如 图3.1.6a、b所示。不论采用哪一种工作方式，需注意：单端输 入时，应将单端输入电压ui分解为差模输入uid=ui1－ui2=ui，和 共模输入电压uic=(uc1+uc2)/2=ui/2，并分别求出差模输出电压和 共模输出电压。单端输出时，输出电压uo1(或uo2)应为差模输出 和共模输出之和，即
RC // RL . 式中, RL
差模输入电阻和输出电阻为： Ri=2(Rb+rbe) Ro=Rc
3.1.4
共模输入信号的动态分析
一、双端输出电路的共模特性 如果图3.1.3 a所示差动电路电路完全对称，在输入共模 信号作用下，两管集电极电流产生大小相等、方向相同的电 流变化，即
ic1 I C1 ic ic2 I C 2 ic
三、任意信号的分解 ui1和ui2输入的两个任意信号。此时，若将ui1和ui2改写成 u u i2 u i1 u i2 u i1 i1 2 2 u i1 u i2 u i1 u i2 ui2 2 2 由此可知，一对任意信号均可以分解为一对共模信号和一对 差模信号之和，即 uic (ui1 ui2 ) / 2 ui1 uic uid / 2 其中 uid ui1 ui2 ui2 uic uid / 2 任意信号输入时，分解成uid和 uic ，分别放大再叠加。即
简称差放，是集成运算放大器(Intergrated operational
amplifier)中常用的一种单元电路，具有优越的抑制零点漂 移性能。
3.1.1 差动放大器的电路组成和静态分析
一、直接耦合放大电路需要解决的问题： 1. 各级静态工作点相互影响，相互牵制。
2. 存在零点漂移(Zero drift)。 ①零漂定义：在输入信号为零时，出现输出端的直流电位
图3.1.11 电流源用作有源负载
图中V1是放大管，V2、V3组成电流源作为V1的集电极有源负载。
3.1.6
失调、温漂及调零电路
一个完全对称的差动放大器，静态时应该具有“零输 入零输出”的性能，即输入电压为零（ui1=ui2=0）时，双端 输出电压也为零。然而实际的放大器由于存在元器件失配， 很难做到完全对称，因此在输入电压为零时，双端输出电压 不一定为零，这种现象称为零点漂移，也称为差动放大器的 失调。 失调随温度的变化值称为温漂(Temperature drift)，环境 温度是产生温漂的外部因素，而晶体管参数随温度变化是内 部因素。差分放大器的温漂一般为几μV/℃。一般来讲，差 分放大电路的失调可通过适当的调零电路(Zero regulating circuit)给予补偿，使之达到零输入零输出。