第05章 集成电路运算放大器及应用

第五章 集成电路运 算放大器及应用基本要求： 理解差动放大电路的工作原理； 掌握运算放大器的分析方法。

基本内容： 差动放大电路 复合管电路 集成运算放大器 集成电路运算放大器的应用

第五章 集成电路运算放大器

5. 1

差动放大电路

集成电路运算放大器是一种具有高放大倍 数的多级直接耦合放大电路。 当多级直接耦合放大电路的输入端短路( ui =0 ),输出端电压它并不保持恒值，而在 缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称 为零点漂移。 产生零点漂移的主要原因是三极管受温度 的影响。 抑制零点漂移有效的措施之一是 采用差动放大电路。第五章 集成电路运算放大器 2

一. 基本差动放大电路 图中所示是一个基本 差动放大电路，又称为 长尾式差动放大电路， 其结构特点是： 对称，即 Rs1=Rs2=Rs, Rc1=Rc2=Rc, β1=β2=β, UBEl=UBE2=UBE 两个输入端ui1和ui2 两个输出端uo1和uo2第五章 集成电路运算放大器/5.1 差动放大电路 3

1.静态分析(ui1= ui2=0)

∵对称 ∴IC1=IC2=IC,IB1=IB2=IB, IE1=IE2=IE/2,UC1=UC2=UC 对输入电路 RsIB+ UBE +2ReIE1= UEE 有U EE U BE U EE U BE I E1 IC Rs 2 Re 2 Re 1

UE=2IE1Re- UEE≈2ICRe- UEE

IB=IC/ β UC= UCC–RcIC uO= UC1 - U C2=04

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抑制零点漂移的作用1)电路的对称性有效抑制了零点漂移；

2)RE 引入的电 流负反馈，稳定电路工作点， 抑制单个管子的零点漂移。 3)电源(-UEE)的作用是： a)对三极管T 1、T 2 提供基极电流； b)补偿I E 在RE 上产生的直流压降，使UE = 0,则UCE = UC,输出电压有较大的变化 范围。第五章 集成电路运算放大器/5.1 差动放大电路/ 基本差动放大电路 5

2.动态分析1)输入信号分类 差动放大电路的输入信号可以分为两种类型：共模信号和 差模信号。 当两个输入端的信号为 ui1 = -ui2 = uid/2 时，输入方式称为 差模输入。uid=ui1-ui2称为差模信号。 当两个输入信号为ui1=ui2=uic, uic称为共模信号，其输 入方式称为共模输入。 uic的作用与温度影响相似，所以 常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能 力。 当两个任意的输入信号电压 ui1 和 ui2 可以分解为差模信号 和共模信号， 即 uid=ui1-ui2 uic=(ui1+ui2)/2 ui1=uic+uid/2 ui2= uic-uid/2

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2)主要技术指标的计算 (1)共模电压放大倍数

共模输入信号时的信号通路

双端输入、双端输出 若电路的完全对称有， uic=ui1=ui2 ue=ieRe=2Reie1 uoc=0 Auc= uoc/ uic=0 共

模电压放大倍数越小，说明放大电路的性能越好。第五章 集成电路运算放大器/5.1 差动放大电路/ 基本差动放大电路 7

单端输出 Auc1= Auc2= uoc1/ uic= -β Rc/(Rs +rbe +(1+β )2Re) 一般情况下， (1+β)2Re>>(rbe+Rs), β>>1 Auc1 = Auc2 ≈-Rc/ 2Re Re越大，ie的恒流性能越 好，Auc1越小，说明它抑 制共模信号的能力越强。

共模输入信号时的信号通路

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(2)差模电压放大倍数 双端输入、双端输出 ∵ui1=-ui2, ie1=-ie2 , ie=0 ∴差模信号对Re不起作用， Re可视为短路，差模电压 放大倍数与单边放大电路 的电压放大倍数相同。 Aud=uo/ uid = (uo1- uo2)/ uid = uo1/ ui1= -Rc/(Rs+rbe) 当集电极c1、c2间接入负载 电阻RL时，电压放大倍为 Aud = -R’L/(Rs+rbe) R’L = Rc //(RL/2)

差模信号通路9

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双端输入、单端输出 ∵ uo1 = uo /2 (同相 ), 或 uo2 =- uo /2 (反相 ) ∴单端输出电压放大倍数只 有双端输出时的一半 。 Aud1= uo1/ uid =Aud /2= - Aud2 = -Rc/2(Rs+rbe) 若从集电极c1或c2点与地之 间接入负载电阻RL时 Aud1 =-Aud2 = -R’L /2(Rs+rbe) R’L = Rc //RL

差模信号通路

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单端输入(设 ui2 =0)∵uid=ui1-ui2 = ui1 uic=(ui1+ui2) /2 = ui1 /2 一方面：若电路完全对称， ui1=uic+uid/ 2≈uid / 2 ui2= uic-uid / 2 ≈-uid / 2 单端输入可等效为双端输入。 另方面：若满足Re>>r b‘e ie =ue /Re ≈0 , 差模信号通路 则， uid近似地均分在两管的输入回路上。 结论：差模电压放大倍数仅与输出形式有关，双端输出， 电压放大倍数Aud与单边放大电路相同；单端输出， Aud1 =-Aud2 = Aud / 2 ,而输入电阻都是相同的。

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(3) 共模抑制比KCMR 为了衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，常 用共模抑制比作为一项技术指标来，其定义为 KCMR=|Aud /Auc | 或 KCMR=20lg |Aud /Auc| dB 若差动放大电路完全对称，双端输出时， KCMR=|Aud /Auc |→∞

单端输出时， KCMR=|Aud /Auc |= (Rs +rbe +(1+β )2Re)/2 (Rs +rbe ) 一般有 (1+β )2Re>>(rbe+Rs),β >>1 , 所以 KCMR = β Re/ (Rs +rbe ) 单端输出时，总输出电压为 uo1=uid Aud1+uic1Auc1 = uid Aud1 (1+ uic/( uid KCMR))第五章 集成电路运算放大器/5.1 差动放大电路/ 基本差动放大电路 12

(4) 输入电阻 差模输入电阻rid 无论单、双端输入 ，都有 uid=ui1–ui2= ib1(Rs+rbe)– ib2(Rs+rbe) iid = ib1= –ib2 rid=uid/iid=2 (Rs+rbe) 在对称的条件下，无论 单、双输入，rid是其单边差 模信号通路输入电阻的2倍

第五章

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共模输入电阻ric ∵uic=ui1=ui2 = ib1(Rs+rbe)+ib1(1+β )2Re iic= ib1+ ib2=2ib1 ∴ ric=uic/iic =[(Rs+rbe)+(1+β )2Re]/2 对称的条件下，共模 输入电阻ric是其单边共模 信号通路输入电阻的一半。

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(5) 差模输出电阻 差模输出电阻ro是在差模信号作用下从RL两 端向放大器看去的等效电阻。 因为差动放大电路由两边对称的共射极电路 组成，可用共射极电路来分析，所以 双端输出电阻ro=2 Rc 单端输出电阻ro= Rc

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二. 恒流源差动放大电路 长尾式差动放大电路， 因有Re提高了共模信号 的抑制能力，且Re愈大， 抑制能力愈强。 若Re增大，则Ue增大， 对静态有影响。 为此由T3构成的恒流源， 输出电阻ro3取代Re,由 微变等效电路计算。uo ro 3 io R3 1 rce 3 rbe R3 R1 // R2

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