第三章 集成运算放大器基础及负反馈电路

uid=uid1-uid2 =2uid1 ，uid1=-uid2=uid/2 。
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 。
（a)
（b)
图3.1.1 差动放大电路 （a)电路图 （b) 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 2 Re 2 Re
上式表明，Re越大，对共模信号的抑制能力越强。 单端输入双端输出、单端输入单端输出差动电路分析 方法与双端输入相同。
3.1.4
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3.1.4所示电路就是一个采用恒 流源的差动放大电路。
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3.1.2（a）所示电路其共模交流通路如图3.1.2（c）所示。
因在输入共模信号时，流过 Re 中的电流为2 i E ， 发射极电阻等效为2 Re 。电路完全对称，在输入共模信号 时，总有
u c1 u c 2
R L 中没有电流流过，可视为开路，故 u oc Auc 0 u ic
从上式可知，差动放大电路对共模信号具有抑制作用。
2．输入失调电流(Input offset current) 由于β1≠β2 ，ICQ1≠ICQ2,为使ICQ1=ICQ2 ，就必须在输入端引入 电流，使相应的IBQ1≠IBQ2。通常将这种因两管β不相等而在输入 端 引 入 的 差 值 电 流 称 为 输 入 失 调 电 流 ， 用 IIO 表 示 ， 定 义 为 ICQ1=ICQ2时两基极电流之差的绝对值，即
图3.1.3 双端输入单端输出电路
分析表明，该电路的共模抑制比为
Aud1
u od u od1 1 RL u id 2u id1 2 Rb rbe
式中, RL RC // RL .
RL Auc 2 Re
K CMR
Aud1 Re Auc1 Rb rbe
二、差动放大电路组成
典型的差动放大器电路如图3.1.1所示，它具有两个输入 端，两个输出端。该电路采用发射极电阻Re耦合的对称共射 电路，其中V1、V2称为差分对管，两边的元器件采用相同 的温度特性和参数，使之具有很好的对称性，双电源供电， 且VCC=VEE，输出负载可以接到两输出端之间（称为双端输 出），也可接到任一输出端到地之间（称为单端输出）。
为反映电路对共模信号的抑制能力，引入共模抑制比的概念， 定义为
K CMR Aud Auc
或
K CMR 20 lg
Aud Auc
KCMR越大，差动放大电路的抑制共模信号的能力越强。在理想 情况下，双端输出差动电路的
K CMR
二、单端输出电路的共模抑制比
双端输入单端输出电路及其差模交流通路、共模交流通路 如图3.1.3所示。
图3.1.8 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。
3.1.5
失调及温漂
1．输入失调电压(Input offset voltage) 一个完全对称的差动放大器， ui1 ui 2 0 ，双端输出 U O U C1 U C 2 0 。然而实际中存在元器件失配，很难做到完 全对称。 ui1 ui 2 0 ，UO≠0，这种现象称为零点漂移， 也称为差动放大器的失调，相应的输出电压称为失调电压， 用UOO表示。 一般把UOO折算到输入端，称为输入失调电压，用UIO 表示 UIO=UOO/Aud
当差模信号单独作用的情况下，两管发射极电流 i E1 和 i E 2 一个增大，一个减小，而且变化的幅度相同，因此流过电阻
Re 的电流大小不变。又因电阻 Re 下端接直流电源 VEE ，
故两管发射极电压为固定的直流量，即对于差模信号，两管 发射极交流电压值为零。另外，两管集电极电压 u c1 u c 2 ，
3.2
集成运算放大器
3.2.1 集成运算放大器简介 集成运算放大器是模拟集成电路的一个重要分支，它实 际上是用集成电路工艺制成的具有高增益、高输入电阻、低 输出电阻的直接耦合放大器。 它具有通用性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗小、 性能优越等特点，而且外部接线很少，调试极为方便。现在 已经广泛应用于自动测试、自动控制、计算技术、信息处理 以及通讯工程等各个电子技术领域。
U BE1 U BE2 U BE I E2 Re2
I C2 I E2 U BE Re2
可见，用很小的Re2即可获得 微小的工作电流，称为微电流源。 图3.1.6 微电流源
三、电流源用作有源负载（Active load） 在模拟集成电路中，恒流源也广泛地作为负载电阻使用以 代替集电极电阻RC，称为有源负载。
图3.1.4 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3.1.5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
3.1 差分放大电路
差分放大电路(Differential amplifier)又称差动放大器，
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。
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 ui 2 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 u ic (u i1 u i2 ) / 2 u i1 u ic u id / 2 其中 u id u i1 u i2 u i2 u ic u id / 2 任意信号输入时，分解成uid和 uic ，分别放大再叠加。即
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。
3.1.2
共模信号、差模信号及其放大倍数
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
一、集成电路的特点 集成电路由于制造工艺上的原因，具有以下特点： (1)集成电路的工艺对制造电感器和容量大的电容器有困 难，所以大都采用直接耦合电路。 (2)集成电路制造工艺表明，制造半导体二极管或三极管 占用硅片面积小，且工艺简单、成本低。制造电阻、电容比 较困难，尤其是阻值大（大于300Ω ）的电阻和容量大（大于 400pF）的电容，更不经济。为此，应尽量避免内接电容，并 尽可能用阻值低的电阻或以三极管代替电阻。
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、双端输出差分放大电路动态分析及共模抑制比
图3.1.2 双端输入双端输出差分电路 （a）电路原理图 （b）差模交流通路 （c）共模交流通路
u 式中， od 为双端输出时差模输出电压，它等于两管输出信号电压之 / 差；Au1 为单管共射电路电压放大倍数；RL RC //(RL / 2) 。上式说明双 端输出差动当大电路的电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放 大倍数相同。
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
第三章 集成运放基础及负反馈电路
3.1 差分放大电路 3.2 集成运算放大器 3.3 反馈的基本概念
3.4 反馈的分类及判别方法 3.5 负反馈对放大电路性能的影响
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。
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。