第4章差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)算放大器4.1差動(dòng)放大電路4.2集成運(yùn)算放大器

1、第4章 差動(dòng)放大電路與集成運(yùn)算放大器,,,4.1差動(dòng)放大電路,,,,,4.2集成運(yùn)算放大器,4.1 差動(dòng)放大電路,4.1.1 直接耦合放大中的特殊問題1.在實(shí)際應(yīng)用中，對于信號的放大，一般都采用多級放大電路，以達(dá)到較高的放大倍數(shù)。 2.多級放大電路中，各級之間的耦合方式有三種， 即阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合。3.對于頻率較高的交流信號進(jìn)行放大時(shí)，常采用阻容耦合或變壓器耦合。但是， 在生產(chǎn)實(shí)際中，需要放大的信號往往是變

2、化非常緩慢的信號，甚至是直流信號。對于這樣的信號，不能采用阻容耦合或變壓器耦合， 而只能采用直接耦合方式。 4.所謂直接耦合，就是放大器前級輸出端與后級輸入端以及放大器與信號源或負(fù)載直接連接起來，或者經(jīng)電阻等能通過直流的元件連接起來。,5.由于直接耦合放大器可用來放大直流信號，所以也稱為直流放大器。實(shí)際上，直接耦合放大器不僅能放大直流信號， 也能放大交流信號。因此，隨著集成電路的發(fā)展，直接耦合放大器正得到越來越廣泛的應(yīng)用。 6.在

3、集成電路中要制作耦合電容和電感元件相當(dāng)困難，所以近些年來發(fā)展起來的很多集成電路（如集成運(yùn)算放大器），其內(nèi)部電路多采用直接耦合方式。 7.然而，在多級放大器中采用直接耦合存在兩個(gè)特殊問題必須加以解決。一是級間直流量的相互影響問題，二是零點(diǎn)漂移問題。 ,圖4.1.1（a）是一個(gè)簡單的直接耦合放大器， 后級輸入端（V2的基極）直接接在前級的輸出端（V1的集電極）。在這種電路中就存在前后級間直流量的相互影響問題。首先， 兩級放大器的靜態(tài)工

4、作點(diǎn)是相互影響的。當(dāng)V1的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，這個(gè)偏移量會經(jīng)過V2放大，使V2的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生更大的偏移。其次，由于V1的集電極與Ｖ2的基極為同一電位，因而V1的UCE1受到V2的UBE2的鉗制而只有0.7V左右 致使信號電壓的動(dòng)態(tài)范圍很小。為了克服這一不足，可在V2發(fā)射極接電阻，使V2的發(fā)射極電位升高， 則其基極（V1的集電極）電位也可升高。,如圖4.1.1（b）所示。不過，若采用圖4.1.1（b）所示電路，后級的集電極電位逐級高于

5、前級的集電極電位，經(jīng)過幾級耦合之后， 末級的集電極電位便會接近電源電壓，這實(shí)際上也是限制了放大器的級數(shù)。  所謂零點(diǎn)漂移，就是當(dāng)輸入信號為零時(shí)，輸出信號不為零， 而是一個(gè)隨時(shí)間漂移不定的信號。零點(diǎn)漂移簡稱為零漂。產(chǎn)生零漂的原因有很多，如溫度變化、電源電壓波動(dòng)、晶體管參數(shù)變化等。其中溫度變化是主要的，因此零漂也稱為溫漂。 在阻容耦合放大器中，由于電容有隔直作用，因而零漂不會造成嚴(yán)重影響。但是，在直接耦合放大器中，由于前級

6、的零漂會被后級放大，因而將會嚴(yán)重干擾正常信號的放大和傳輸。比如，圖4.1.1所示直接耦合電路中，輸入信號為零時(shí)（即ΔUi=0），輸出端應(yīng)有固定不變的直流電壓Uo = UCE2。,但是由于溫度變化等原因，V1、V2的靜態(tài)工作點(diǎn)會隨之改變，于是使輸出端電壓發(fā)生變化，也就是有了輸出信號。特別是V1工作點(diǎn)的變化影響最大，它會像信號一樣直接耦合到V2， 并被V2放大。 因此，直接耦合放大器的第一級工作點(diǎn)的漂移對整個(gè)放大器的影響是

7、最嚴(yán)重的。顯然，放大器的級數(shù)越多，零漂越嚴(yán)重。 由于零漂的存在，我們將無法根據(jù)輸出信號來判斷是否有信號輸入，也無法分析輸入信號的大小。對于級間直流量的相互影響問題， 一般采用降低前級輸出電壓、抬高后級發(fā)射極電位、采用NPN與PNP組合電路等方法加以解決。,除圖4.1.2（b）之外， 圖4.1.2（a）亦為抬高后級發(fā)射極電位的直接耦合電路，圖4.1.2（b）則為NPN管與PNP管組合的直接耦合電路。 在圖4.1.2（a

8、）中，由于二極管D的靜態(tài)電阻大，靜態(tài)電流流過時(shí)產(chǎn)生的壓降大，故可有效地提高V2的發(fā)射極電位； 但二極管的動(dòng)態(tài)電阻小，故信號電流流過時(shí)產(chǎn)生的壓降小， 因而對信號的負(fù)反饋?zhàn)饔眯?，不會引起放大倍?shù)顯著下降。 這里是利用了非線性元件的靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻不相等的特性來適應(yīng)直接耦合放大器對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的不同要求的。而圖4.1.2（b）所示電路則沒有這種作用。在圖4.1.2（b）中，由于V1、V2兩管所需的電壓極性相反，V1的集電極電位比基極電位高

9、，V2的集電極電位比基極電位低，這樣的兩個(gè)管子配合使用，兩級電路便都能得到合適的工作電壓。,對于零點(diǎn)漂移問題，不能通過增加級數(shù)、提高放大倍數(shù)的辦法來解決，因?yàn)檫@樣做雖然提高了放大和分辨微弱信號的能力，但同時(shí)第一級的零漂信號也被放大了。為了減小零點(diǎn)漂移， 常用的主要措施有：采用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源； 采用高質(zhì)量的電阻、晶體管，其中晶體管選硅管（硅管的ICBO比鍺管的小）； 采用溫度補(bǔ)償電路；采用差動(dòng)式放大電路，等等。在上述這些措施中，采用差

10、動(dòng)放大電路是目前應(yīng)用最廣泛的能有效抑制零漂的方法。下面將對這種方法作重點(diǎn)介紹。 ,4.1.2基本差動(dòng)放大器 1. 工作原理 圖4.1.3是基本的差動(dòng)放大器， 它由兩個(gè)完全相同的單管放大器組成。由于兩個(gè)三極管V1、V2的特性完全一樣， 外接電阻也完全對稱相等，兩邊各元件的溫度特性也都一樣，因此兩邊電路是完全對稱的。輸入信號從兩管的基極輸入， 輸出信號則從兩管的集電極之間輸出。 

11、 靜態(tài)時(shí)，輸入信號為零，即Ui1=Ui2=0，由于電路左右對稱，即Ic1=Ic2，Ic1Rc=Ic2Rc或Uc1=Uc2，故輸出電壓為Uo=Uc1Uc2=0。 ,當(dāng)電源波動(dòng)或溫度變化時(shí)，兩管集電極電位將同時(shí)發(fā)生變化。比如，溫度升高會引起兩管集電極電流同步增加，由此使集電極電位同步下降?？紤]到電路的對稱性，兩管集電極電位的減少量必然相等，即ΔUc1=ΔUc2，于是輸出電壓為Uo=(Uc1ΔUc1)(Uc2ΔUc2)=0。

12、 由此可見，盡管每只管子的零漂仍然存在，但兩管的漂移信號（ΔUc1、ΔUc2）在輸出端恰能互相抵消，使得輸出端不出現(xiàn)零點(diǎn)漂移， 從而使零漂受到了抑制。這就是差動(dòng)放大器抑制零點(diǎn)漂移的基本原理。 ,由上述分析可知， 差動(dòng)放大電路是利用兩邊電路相同的零漂互相抵消的辦法來抑制輸出端零漂的。顯然，兩邊電路的對稱性將直接影響這種抵消的效果。 電路對稱性越好，這種抵消效果越好，對零漂的抑制能力越強(qiáng)。為了減小零漂，應(yīng)盡量提高電路的對稱程

13、度。在集成運(yùn)放等集成電路中，其輸入級采用差動(dòng)放大形式，由于集成工藝上可實(shí)現(xiàn)很高的電路對稱性， 因而其抑制零漂的能力都很強(qiáng)。  2. 共模信號與差模信號 差動(dòng)放大器的輸入信號可以分為兩種， 即共模信號和差模信號。在放大器的兩輸入端分別輸入大小相等、極性相同的信號即Ui1=Ui2時(shí)，這種輸入方式稱為共模輸入，所輸入的信號稱為共模（輸入）信號。,共模輸入信號常用Uic來表示，即Uic=Ui1=Ui2。在共模

14、輸入時(shí)，輸出電壓與輸入共模電壓之比稱為共模電壓放大倍數(shù)， 用Ac表示。在放大器的兩輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號，即Ui1=Ui2時(shí)，這種輸入方式稱為差模輸入，所輸入的信號稱為差模輸入信號。差模輸入信號常用Uid來表示， 即 Ui1= 在差模輸入時(shí)，輸出電壓與輸入差模電壓之比稱為差模電壓放大倍數(shù)， 用Ad表示。差動(dòng)放大器兩種輸入方式如圖4.1.4所示。 ,由圖

15、4.1.4（a）可以看出，當(dāng)差動(dòng)放大器輸入共模信號時(shí)， 由于電路對稱，其輸出端的電位Uc1和Uc2的變化也是大小相等、極性相同，因而輸出電壓Uoc保持為零。可見，在理想情況下（電路完全對稱），差動(dòng)放大器在輸入共模信號時(shí)不產(chǎn)生輸出電壓，也就是說，理想差動(dòng)放大器的共模電壓放大倍數(shù)為零，或者說，差動(dòng)放大器對共模信號沒有放大作用，而是有抑制作用。實(shí)際上，上述差動(dòng)放大器對零漂的抑制作用就是它抑制共模信號的結(jié)果。因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，兩個(gè)晶體管的電流都

16、要增大，這相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加上了大小相等、 極性相同的共模信號。換句話說，產(chǎn)生零漂的因素可以等效為輸入端的共模信號。顯然，Ac越小，對零漂的抑制作用越強(qiáng)。 ,由圖4.1.4（b）可以看出，當(dāng)差動(dòng)放大器輸入差模信號(Ui1=1/2Uid，Ui2=1/2Uid）時(shí)，由于電路對稱，其兩管輸出端電位Uc1和Uc2的變化也是大小相等、極性相反。若某個(gè)管集電極電位升高ΔUc，則另一個(gè)管集電極電位必然降低ΔUc。設(shè)兩管的電壓放大倍數(shù)均為A（兩管對

17、稱， 參數(shù)相同），則兩管輸出端電位增量分別為ΔUc1=ΔUc= ， ΔUc2=ΔUc=差動(dòng)放大器總的輸出電壓為 Uod=ΔUc1ΔUc2=2ΔUc=UidA,差模電壓放大倍數(shù)為,式（4.1.1）表明，差動(dòng)放大器的差模電壓放大倍數(shù)等于組成該差動(dòng)放大器的半邊電路的電壓放大倍數(shù)。  由單管共射放大器的電壓放大倍數(shù)計(jì)算式，有,一般,應(yīng)當(dāng)說明，

18、當(dāng)兩管的輸出端（即集電極）間接有負(fù)載RL時(shí)，上式應(yīng)為,其中R′L=Rc∥(1/2RL)。這里R′L≠Rc∥RL，其原因是由于兩管對稱，集電極電位的變化等值反相， 而與兩集電極相連的RL的中點(diǎn)電位不變，這點(diǎn)相當(dāng)于交流地電位。因而對每個(gè)單管來說， 負(fù)載電阻（輸出端對地間的電阻）應(yīng)是RL的一半，即RL/2，而不是RL。  差動(dòng)放大器對共模信號無放大，對差模信號有放大，這意味著差動(dòng)放大器是針對兩輸入端的輸入信號之差來進(jìn)行放大的

19、， 輸入有差別，輸出才變動(dòng)，即為“差動(dòng)”。在更一般的情況下， 兩個(gè)輸入信號電壓既非共模，又非差模，而是任意的兩個(gè)信號， 這種情況稱為不對稱輸入。不對稱輸入信號可以視為差模信號與共模信號的合成。,分析這類信號時(shí)，可先將它們分解成共模信號和差模信號，然后再去處理。其中差模信號是兩個(gè)輸入信號之差。  上述放大器的輸入回路經(jīng)過兩個(gè)管子的發(fā)射結(jié)和兩個(gè)電阻Rs，故輸入電阻為 rid=2(Rs+

20、rbe) (4.1.3)放大器的輸出端經(jīng)過兩個(gè)Rc，故輸出電阻為　　　　Ro≈2Rc (4.1.4) 3. 共模抑制比 如上所述， 差動(dòng)放大器的輸入信號可以看成一個(gè)差模信號與一個(gè)共模信號的疊加。,對于差模信號，我們要求放大倍數(shù)盡量地大； 對于共模信號，我們希望放大倍數(shù)盡量地小。為了全面衡量一個(gè)差動(dòng)放大器放大差模信號、抑制共模信號的能力，

21、我們引入一個(gè)新的量——共模抑制比，用來綜合表征這一性質(zhì)。共模抑制比KCMRR的定義為有時(shí)用對數(shù)形式表示 這個(gè)定義表明， 共模抑制比愈大， 差動(dòng)放大器放大差模信號（有用信號）的能力越強(qiáng)，抑制共模信號（無用信號）的能力也越強(qiáng)。,4.1.3 實(shí)際差動(dòng)放大器 1. 帶射極公共電阻的差動(dòng)放大器 上述基本差動(dòng)放大器是利用電路兩側(cè)的對稱性抑制零漂等共模信號的。但是它還存在兩方面

22、的不足。首先，各個(gè)管子本身的工作點(diǎn)漂移并未受到抑制。若要其以單端輸出（也叫不對稱輸出），則其“兩側(cè)對稱，互相抵消”的優(yōu)點(diǎn)就無從體現(xiàn)了； 另外，若每側(cè)的漂移量都比較大，此時(shí)要使兩側(cè)在大信號范圍內(nèi)作到完全抵消也相當(dāng)困難。針對上述不足，我們引入了帶射極公共電阻的差動(dòng)放大器，如圖4.1.5所示。 ,帶射極公共電阻Re的差放電路也叫長尾式差動(dòng)放大器。 接入公共電阻Re的目的是引入直流負(fù)反饋。比如，當(dāng)溫度升高時(shí)，兩管的IC1和IC2同時(shí)增大，由于

23、有了Re，便有以下負(fù)反饋過程：  IC1↓ IC1↑ →UBE1↓→IB1↓ →IE↑→URe↑→UE↑→ IC2↑

24、 → UBE2↓→IB2↓ IC2↓,t(℃)↑→,,,,,,,,,,,可見，這個(gè)負(fù)反饋過程與第2章討論過的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的工作原理是一樣的，都是利用電流負(fù)反饋改變?nèi)龢O管的 UBE從而抑制 I的變化。顯然，Re越大，則負(fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，抑制溫漂的效果越好。 然而，若Re過大，會使其直流壓降也過大，由此可能會使靜態(tài)電流

25、值下降。為了彌補(bǔ)這一不足，圖 4.1.5 中在 Re下端引入了負(fù)電源UEE，用來補(bǔ)償Re上的直流壓降，從而保證了放大器的正常工作。 下面我們對圖4.1.5所示電路作動(dòng)態(tài)分析。首先將輸入信號分解為共模信號Uic和差模信號Uid兩部分，再分別說明Re對這兩種信號放大倍數(shù)有何影響。,對于共模輸入信號，由于電路對稱，兩管的射極電流IE（約等于集電極電流IC ）變化量大小相等、極性相同（即同增同減），ΔIE1=ΔIE2=ΔIE

26、，使流過Re的總電流變化量為2ΔIE，這個(gè)電流變化量在Re上產(chǎn)生的電壓變化量（2ΔIERe）構(gòu)成負(fù)反饋信號， 可使共模放大倍數(shù)降低。 可見，Re對共模信號具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，能夠抑制共模信號的輸出?這個(gè)抑制過程實(shí)際上就是上述抑制零漂的過程。 ,對于差模信號，Re卻沒有抑制作用。當(dāng)輸入差模信號時(shí)， 兩管的電流IE 變化量數(shù)值相等，但極性相反，一個(gè)管IE增加， 另一個(gè)管IE 減少，即ΔIE1=ΔIE2， 因而流過Re的總電流

27、不變， Re上的電壓降便不改變。這樣，對差模信號而言，Re上沒有信號壓降，如同短路一般。當(dāng)然，不起負(fù)反饋?zhàn)饔茫?也就不會影響差模放大倍數(shù)。  具有射極電阻Re 的差動(dòng)放大器，既利用電路的對稱性使兩管的零漂在輸出端互相抵消，又利用Re 對共模信號的負(fù)反饋?zhàn)饔脕硪种泼總€(gè)管自身的零漂。由于這種放大器對零漂具有雙重抑制作用，所以它的零漂比未接入Re的基本形式差動(dòng)放大器要小得多。而且，由于每側(cè)的漂移都減小了，信號可以從單端輸出,

28、例4.1.2 在圖4.1.5電路中，Rs=5 kΩ，Rc=10kΩ，Re=10kΩ，UCC=UEE=12V，兩管電流放大倍數(shù)均為β=50。試計(jì)算：  （1） 靜態(tài)工作點(diǎn)；  （2） 差模電壓放大倍數(shù)；  （3） 輸入、 輸出電阻。  解（1） 計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。 靜態(tài)時(shí)，無信號輸入，Ui1=Ui2=0。設(shè)單管的發(fā)射極電流為IEQ，則Re上流過電流

29、為2IEQ。對單管的基極回路可列出如下關(guān)系：,IBQRs+UBE+2IEQReUEE=0 又由 IEQ=(1+β)IBQ所以 代入數(shù)據(jù)得 ICQ=βIBQ=50×0.011=0.55 mA UCEQ=UCC+UEEICQRc2IEQRe

30、 =12+120.55×102×0.55×10=7.5 V,（2）計(jì)算差模電壓放大倍數(shù)。 圖4.1.6為圖4.1.5所示電路的差模輸入交流通路。 由于差模信號在Re上沒有壓降，故將其視為交流短路。所以，其差模電壓放大倍數(shù)的計(jì)算與未引入Re 時(shí)基本差動(dòng)放大器差模電壓放大倍數(shù)的計(jì)算相同，也由式（4.1.2）計(jì)算。 在未接電阻RL 時(shí)，

31、式中,所以,若接有負(fù)載電阻RL(如圖4.1.6中虛線所示）， 則有 Ad=式中 R′L=Rc∥(RL/2) （3） 計(jì)算輸入輸出電阻。 差模輸入電阻及輸出電阻的計(jì)算也與基本差放電路相同， 即可分別由（4.1.3）式和（4.1.4）式計(jì)算。  由（4.1.3）式， 差模輸入電阻為,rid=2(Rs+rbe)=2

32、15;(5+2.7)=15.4kΩ由（4.1.4）式， 輸出電阻為 ro≈2Rc=2×10=20kΩ 應(yīng)當(dāng)說明， 這里計(jì)算的差模電壓放大倍數(shù)及輸出電阻都是對雙端輸出來說的。雙端輸出即從兩個(gè)管的集電極之間輸出信號。后面還會看到單端輸出的情況，即從一個(gè)管子的集電極與地之間輸出信號， 單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)及輸出電阻不能用（4.1.2）式及（4.1.4）式計(jì)算。 ,

33、2. 帶恒流源的差動(dòng)放大器 從上述分析中可以看到，欲提高電路的共模抑制比，射極公共電阻Re 越大越好。 不過，Re大了之后，維持相同工作電流所需的電源電壓UEE的值也必須相應(yīng)增大。顯然，使用過高的電源電壓是不合適的。此外，Re 值過大時(shí)直流能耗也大。   為了解決這個(gè)矛盾， 我們先對Re的作用從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)角度作一分析。從加強(qiáng)對共模信號的負(fù)反饋?zhàn)饔每紤]，只要求Re的動(dòng)態(tài)電阻值大

34、，而不是要求其靜態(tài)電阻值大。,的動(dòng)態(tài)電阻值大時(shí)，當(dāng)其流過的電流IRe 有微小變化ΔIRe 時(shí), 便會在Re上產(chǎn)生較大的電壓變化ΔIRe·Re，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)反饋。從減小電源電壓UEE及降低直流壓降考慮，要求Re的靜態(tài)電阻小。所以，只要Re的動(dòng)態(tài)電阻大、靜態(tài)電阻小就可以解決上述矛盾。不過，普通線性電阻的靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻相同，無法達(dá)到我們的要求。為此，我們要選用一種動(dòng)態(tài)電阻大、靜態(tài)電阻小的非線性元件來代替Re。

35、 晶體三極管恒流源電路就具有這種特性。 由三極管的輸出特性曲線可知，在放大區(qū)工作時(shí)，三極管的動(dòng)態(tài)電阻rce比靜態(tài)電阻RCE大得多。若將三極管接成第2章所學(xué)過的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路， 如4.1.7所示， 則由于存在電流負(fù)反饋， 其輸出電流IC基本恒定，故這種電路稱為恒流源電路。,從集電極與地之間看進(jìn)去， 恒流源電路的輸出電阻比三極管本身的動(dòng)態(tài)電阻rce要大得多。正因?yàn)楹懔髟措娐份敵鲭娮韬艽螅?因此用它代替圖4.1.5中的Re是相當(dāng)理想的。圖4

36、.1.8所示即帶恒流源的差動(dòng)放大器。 圖（b）是圖（a）的簡化表示圖。 在圖4.1.8電路中，V3是一個(gè)恒流源，它能維持自身集電極電流IC3恒定。而IC3=IC1+IC2，所以IC1與IC2也就保持恒定， 它們不能同時(shí)增加或同時(shí)減少，也就是不隨共模信號的增減而變化，這就大大抑制了共模信號。這種抑制作用相當(dāng)于用恒流源的很大的輸出電阻（嚴(yán)格來講，恒流源的輸出電阻為∞）對共模信號引入了很強(qiáng)的負(fù)反饋。,在圖4.1.8電路中，V3

37、是一個(gè)恒流源，它能維持自身集電極電流IC3恒定。而IC3=IC1+IC2，所以IC1與IC2也就保持恒定，它們不能同時(shí)增加或同時(shí)減少，也就是不隨共模信號的增減而變化， 這就大大抑制了共模信號。這種抑制作用相當(dāng)于用恒流源的很大的輸出電阻（嚴(yán)格來講，恒流源的輸出電阻為∞）對共模信號引入了很強(qiáng)的負(fù)反饋。而對于差模信號，則不受IC3恒定的影響，因?yàn)楫?dāng)差模信號使一側(cè)管的集電極電流IC1增大時(shí)，另一側(cè)管的集電極電流IC2必將減少同樣的值，兩者互相抵

38、消， 恰與IC3恒定相符。也就是說，恒流源的恒流性質(zhì)對于差模信號是起不到負(fù)反饋?zhàn)饔玫摹?為了彌補(bǔ)電路不對稱造成的失調(diào)， 往往在差放電路中引入調(diào)零電路，以電路形式上的不平衡來抵消元件參數(shù)的不對稱。 調(diào)零電路分為射極調(diào)零和集電極調(diào)零， 如圖4.1.9所示。圖中電位器RＰ為調(diào)零電位器，調(diào)節(jié)RP的滑動(dòng)端位置，可使輸出為零。 比如，（a）圖中，若輸入為零時(shí)輸出Uo為正，則可將RP的滑動(dòng)端向左移動(dòng)， 使Ic1↑，Ic2↓，便使Uo趨于零。同樣的情況

39、， 若發(fā)生在（b）圖，則應(yīng)將電位器中點(diǎn)向右移動(dòng)，以增加V1的集電極負(fù)載電阻，降低其集電極電位，使Uo降為零。 ,例4.1.3 圖4.1.10（a）為帶恒流源及調(diào)零電位器的差動(dòng)放大器，二極管VD的作用是溫度補(bǔ)償，它使恒流源IC3基本不受溫度變化的影響。設(shè)UCC=UEE=12V，Rc=100kΩ，RP=200 Ω，R1=6.8kΩ，R2=2.2kΩ，R3=33kΩ，Rs=10kΩ，E3=UVD=0.7 V，各管的β值均為72，求靜態(tài)時(shí)的

40、UC1，差模電壓放大倍數(shù)及輸入輸出電阻。 解（1） 靜態(tài)分析。 由R1與R2的分壓關(guān)系有 ,所以,IC3≈IE3=,IC1=IC2,于是,UC1=UCCIC1Rc=120.0865×100=3.35V,（2） 求差模電壓放大倍數(shù)及輸入輸出電阻。 圖4.1.10（b）為（a）圖的差模交流通路，圖中RP中點(diǎn)（V3的集電極）為交流電位的地。根據(jù)（4.1.2）式并考慮到電

41、位器RP對放大倍數(shù)的影響，差模電壓放大倍數(shù)為,因?yàn)楠И?rbe1=300+(1+β),故,差模輸入電阻為,輸出電阻為,4.1.4 差動(dòng)放大器的幾種接法  1. 雙端輸入、 雙端輸出; 2. 雙端輸入、 單端輸出; 這種接法如圖4.1.11（a）所示。 由圖可見， 輸出信號Uo只從一個(gè)管子（V1）的集電極與地之間引出， 因而Uo只有雙端輸出時(shí)的一半，電壓放大

42、倍數(shù)Ad也只有雙端輸出時(shí)的一半，即,輸入電阻不隨輸出方式而變， 而輸出電阻變?yōu)楠И?ro≈Rc,3. 單端輸入、雙端輸出; 這種接法如圖4.1.11（b）所示。 信號只從一只管子（這里是V1）的基極與地之間輸入，而另一只管子的基極接地。 表面看來，似乎兩管不是工作在差動(dòng)狀態(tài)。但是，若將發(fā)射極公共電阻Re換成恒流源，那么，Ic1的任何增加都將等于Ic2的減少，也就是說，輸出端

43、電壓的變化情況將和差動(dòng)輸入（即雙端輸入）時(shí)一樣。此時(shí)，V1、V2 的發(fā)射極電位Ue將隨著輸入電壓Ui而變，變化量為Ui/2，于是，V1管的Ube1=UiUi/2=Ui/2， V2管的Ube2=0Ui/2=Ui/2，故還是屬于差動(dòng)輸入。,即使Re不是由恒流源代替， 只要Re足夠大，上述結(jié)論仍然成立。這樣，單端輸入就與雙端輸入的情況基本一樣。電壓放大倍數(shù), 輸入、輸出電阻的計(jì)算也與雙端輸入相同。實(shí)際上， V2 的輸入信號是原輸入信號Ui通過

44、發(fā)射極電阻Re耦合過來的， Re 在這里起到了把Ui的一半傳遞給V2的作用。  單端輸入、雙端輸出的接法可把單端輸入信號轉(zhuǎn)換成雙端輸出信號，作為下一級的差動(dòng)輸入，以便更好地利用差動(dòng)放大的特點(diǎn)。這種接法還常用于負(fù)載是兩端懸?。ㄈ魏我欢硕疾荒芙拥兀┣乙筝敵稣?、負(fù)對稱性好的情況。例如，電子示波器就是將單端信號放大后，雙端輸出送到示波管的偏轉(zhuǎn)板上的。,4. 單端輸入、 單端輸出; 這種接法如圖4.1.11（c）

45、所示， 它既具有（a）圖單端輸出的特點(diǎn)，又具有（b）圖單端輸入的特點(diǎn)。它的Ad、ro的計(jì)算與雙端輸入、單端輸出的情況相同，可用（4.1.8）式及（4.1.9）式計(jì)算。這種接法與第2章所講的單管基本放大電路不同，其主要優(yōu)點(diǎn)是抑制零漂的能力比單管基本放大電路強(qiáng)， 而且通過改變輸入或輸出端的位置，可以得到同相或反相輸出。 輸入、 輸出在同一側(cè)（如圖4.1.11(c)中那樣均在V1一側(cè)）的為反相放大輸出，若由V1基極輸入而由V2集電極輸出，則

46、變?yōu)橥噍敵觥?總起來講，差動(dòng)放大器的幾種接法中，只有輸出方式對差模放大倍數(shù)和輸出電阻有影響， 也就是說，不論何種輸入方式， 只要是雙端輸出，其差模放大倍數(shù)就等于單管放大倍數(shù)，輸出電阻就等于2Rc；只要是單端輸出，差模放大倍數(shù)及輸出電阻均減少一半。 另外， 輸入方式對輸入電阻也無影響。 ,4.2 集成運(yùn)算放大器,4.2.1集成運(yùn)算放大器概述 運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)高增益的多級直接耦合放大器，集成運(yùn)算放大器則是利用

47、集成工藝，將運(yùn)算放大器的所有元件集成制作在同一塊硅片上，然后再封裝在管殼內(nèi)。集成運(yùn)算放大器簡稱為集成運(yùn)放。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成運(yùn)放的各項(xiàng)性能不斷提高，目前，它的應(yīng)用領(lǐng)域已大大超出了數(shù)學(xué)運(yùn)算的范疇。使用集成運(yùn)放，只需另加少數(shù)幾個(gè)外部元件， 就可以方便地實(shí)現(xiàn)很多電路功能?？梢哉f，集成運(yùn)放已經(jīng)成為模擬電子技術(shù)領(lǐng)域中的核心器件之一。 ,(1) 所有元件都是在同一硅片上， 在相同的條件下， 采用相同的工藝流程制造，因而各元件參數(shù)具有同

48、向偏差，性能比較一致。 這是集成電路特有的優(yōu)點(diǎn)， 利用這一優(yōu)點(diǎn)恰恰可以制造像差動(dòng)放大器那樣的對稱性要求很高的電路。實(shí)際上， 集成電路的輸入級幾乎都無例外地采用差動(dòng)電路，以便充分利用電路對稱性， 使輸出的零漂得到較好的抑制。  (2) 由于電阻元件是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成的，高阻值電阻在硅片上占用面積很大，難以制造，而制作晶體管在硅片上所占面積較小。例如，一個(gè)5 kΩ電阻所占用硅片的面積約為一個(gè)三極管所占面積的三倍。所以，

49、常采用三極管恒流源代替所需要的高值電阻。,(3) 集成電路工藝不宜制造幾十微微法以上的電容，更難以制造電感元件。為此，若電路確實(shí)需要大電容或電感，只能靠外接來解決。由于直接耦合可以減少或避免使用大電容及電感，所以集成電路中基本上都采用這種耦合方式。  (4) 集成電路中需用的二極管也常用三極管的發(fā)射結(jié)來代替，只要將三極管的集電極與基極短接即可。這樣做的原因主要是這樣制作的“二極管”的正向壓降的溫度系數(shù)與同類型三極管的

50、UBE 的溫度系數(shù)非常接近，提高了溫度補(bǔ)償性能。由此可見，集成電路在設(shè)計(jì)上與分立元件電路有很大差別，這在分析集成電路的結(jié)構(gòu)和功能時(shí)應(yīng)當(dāng)予以注意。 ,4.2.2 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路簡介 集成運(yùn)放型號繁多，性能各異，內(nèi)部電路各不相同， 但其內(nèi)部電路的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同。本節(jié)主要從使用的角度來介紹典型集成運(yùn)放內(nèi)部電路的組成、工作原理和性能，從而對集成運(yùn)放有個(gè)全面而深入的了解。  集成運(yùn)放的內(nèi)部電路可

51、分為輸入級、偏置電路、中間級及輸出級四個(gè)部分。輸入級由差動(dòng)放大器組成，它是決定整個(gè)集成運(yùn)放性能的最關(guān)鍵一級，不僅要求其零漂小，還要求其輸入電阻高，輸入電壓范圍大, 并有較高的增益等。偏置電路用來向各放大級提供合適的靜態(tài)工作電流,決定各級靜態(tài)工作點(diǎn)。 在集成電路中，廣泛采用鏡像電流源電路作為各級的恒流偏置。,中間級主要是提供足夠的電壓放大倍數(shù)，同時(shí)承擔(dān)將輸入級的雙端輸出在本級變?yōu)閱味溯敵?，以及?shí)現(xiàn)電位移動(dòng)等任務(wù)。 輸出級主要是給出較大的輸

52、出電壓和電流，并起到將放大級與負(fù)載隔離的作用。常用的輸出級電路形式是射極輸出器和互補(bǔ)對稱電路，有些還附加有過載保護(hù)電路。下面以國產(chǎn)第二代通用型集成運(yùn)放F007(5G24、 μA741)為例，對各部分電路的功用作以分析。  F007的電原理圖如圖4.2.1所示。電路共有九個(gè)對外引線端： ②、 ③為信號輸入端， ⑥為信號輸出端，在單端輸入時(shí)，②和⑥相位相反，③和⑥相位相同， 故稱②為反相輸入端，③為同相輸入端；⑦和④為正、負(fù)電源

53、端； ①和⑤為調(diào)零端； ⑧和⑨為（消除寄生自激振蕩的）補(bǔ)償端。 ,1. 輸入級 輸入級的性能好壞對提高集成運(yùn)放的整體質(zhì)量起著決定性作用。很多性能指標(biāo)，如輸入電阻、輸入電壓（包括差模電壓、 共模電壓）范圍、 共模抑制比等，主要由輸入級的性能來決定。  在圖4.2.1中，V1～V7以及R1、R2、R3 組成F007的輸入級。其中， V1～V4 組成共集—共基復(fù)合差動(dòng)放大器（V1、V2為共集電路，V3、V4

54、為共基電路），構(gòu)成整個(gè)運(yùn)放的輸入電路。 差模信號由V1、V2的基極（②、③端）輸入，經(jīng)放大后由V4、 V6的集電極以單端形式輸出到中間級V{16} 的基極。 V5、V6、V7 構(gòu)成V3、 V4 的有源負(fù)載。,由V1、V2 組成的共集電路輸入電阻已經(jīng)很高，它們的發(fā)射極又串有V3、V4 共基電路的輸入阻抗，使輸入端②、③之間的差模輸入阻抗比一般差動(dòng)電路提高一倍， 可高達(dá)1 MΩ。由于兩只PNP管V3、V4的基射結(jié)之間的反向

55、擊穿電壓較高，因而差模輸入電壓范圍較寬，可達(dá)+30V。V1、V2的集電極經(jīng)V8接到+15V，Uc1=Uc2=150.7=14.3V?？梢姡?dāng)共模輸入電壓為13V時(shí)，V1、V2的集基之間仍可有1.3V的反偏電壓，仍可正常工作，故可輸入的共模電壓較高。,由于有源負(fù)載比較對稱，使共模抑制比可以很高。V7的作用除了向V5、V6提供偏流外，還將V3、V5 集電極電壓的變化傳遞到V6的基極，使V6的集電極電壓變化量提高一倍， 從而使單端輸出的電壓接

56、近于雙端輸出的電壓。  2. 偏置電路 在集成運(yùn)放中，為了減少靜耗、限制溫升，必須降低各管的靜態(tài)電流。而集成工藝本身又限制了大阻值偏置電阻的制作，因此，集成運(yùn)放多采用恒流源電路作為偏置電路。這樣既可使各級工作電流降低，又可使各級靜態(tài)電流穩(wěn)定。,3. 中間級 中間級是由V16、V17組成的復(fù)合管共射放大電路， 其輸入電阻大，對輸入級的影響?。黄浼姌O負(fù)載為有源負(fù)載（由恒流源V13組成），

57、而V13的動(dòng)態(tài)電阻很大，加之放大管的β很大，因此中間級的放大倍數(shù)很高。 ,此外，在V16、V12的集電極與基極之間還加接了一只約30 pF的補(bǔ)償電容， 用以消除自激。  4. 輸出級 F007的輸出級主要由三部分電路組成：由V14、V18、V19組成的互補(bǔ)對稱電路；由V15、R7、R8組成的UBE擴(kuò)大電路； 由VD1、VD2、R9、R10組成的過載保護(hù)電路。（關(guān)于互補(bǔ)對稱電路及UBE 擴(kuò)大電路的工作原理， 請

58、看第5章中的有關(guān)內(nèi)容。） 信號從中間級的V13、V16（V17）的集電極加至互補(bǔ)對稱電路兩管基極， 放大后從⑥端輸出。過載保護(hù)電路是為防止功放管電流過大造成損壞而設(shè)置的。,正常工作時(shí)，VD1、VD2不通。當(dāng)V14導(dǎo)通（V18、V19截止）且導(dǎo)通電流過大時(shí)，會引起UR9增大而使VD1導(dǎo)通，VD1對IB14分流，從而限制V14的輸出電流。同樣，當(dāng)V18、V19導(dǎo)通（V14截止）且導(dǎo)通電流過大時(shí)，會引起UR10增大而使VD2導(dǎo)通，ID2對IB

59、18分流，從而限制了復(fù)合管V18、V19的輸出電流。這就是過載保護(hù)功能。,4.2.3 集成運(yùn)放的基本技術(shù)指標(biāo) 衡量集成運(yùn)放質(zhì)量好壞的技術(shù)指標(biāo)很多，基本指標(biāo)有10項(xiàng)左右。實(shí)用中可通過器件手冊直接查到各種型號運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)。不過，并不是一種運(yùn)放的所有各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都是最優(yōu)的， 往往各有側(cè)重。即使是同一型號的組件在性能上也存在一定的分散性，因而使用前常需要進(jìn)行測試和篩選。為此， 必須了解各項(xiàng)性能參數(shù)的含義。 

60、 1. 輸入失調(diào)電壓UOS 實(shí)際的集成運(yùn)放難以做到差動(dòng)輸入級完全對稱，當(dāng)輸入電壓為零時(shí), 輸出電壓并不為零。 規(guī)定在室溫（25℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，為了使輸出電壓為零，需在集成運(yùn)放兩輸入端額外附加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓UOS。UOS越小越好， 一般約為0.5～5mV。 ,2. 輸入失調(diào)電流IOS IOS是當(dāng)運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的偏置電流之差，IOS=|IB1IB2|。它是

61、由內(nèi)部元件參數(shù)不一致等原因造成的。 IOS越小越好，一般為1 nA～10μA。  3. 輸入偏置電流 IB  IB是當(dāng)輸出電壓為零時(shí)， 流入運(yùn)放兩輸入端靜態(tài)基極電流的平均值IB=(IB1+IB2)/2。該值越小，信號源內(nèi)阻變化時(shí)引起輸出電壓的變化越小， 因此，IB越小越好，一般為1nA～100 μA。 ,4. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 集成運(yùn)放在開環(huán)時(shí)（無外加反饋時(shí)）輸出

62、電壓與輸入差模信號電壓之比稱開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod。它是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的重要因素，常用分貝（dB）表示，目前最高值可達(dá)140 dB以上。  5. 共模抑制比KCMRR KCMRR是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比， 即KCMRR=|Aod/Aoc| ，其含義與差動(dòng)放大器中所定義的KCMRR相同，高質(zhì)量的運(yùn)放KCMRR可達(dá)160 dB。,6. 輸入失調(diào)電壓溫漂dUOS/dt和輸入失調(diào)電

63、流溫漂dIOS/dt 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓對溫度的變化率稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，用以表征UOS受溫度變化的影響程度， 一般為1～50μV/℃，好的可達(dá)0.5 μV/℃。  在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流對溫度的變化率稱為輸入失調(diào)電流溫漂，用以表征IOS受溫度變化的影響程度， 一般為1～5nA/℃，好的可達(dá)pA/℃數(shù)量級。  7. 最大共模輸入電壓UIcmax 

64、 UIcmax是在線性工作范圍內(nèi)集成運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過此值，集成運(yùn)放的共模抑制比、差模放大倍數(shù)等會顯著下降。 ,8. 最大差模輸入電壓UIdmax  UIdmax是運(yùn)放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。 輸入差模電壓超過UIdmax時(shí)，可能使輸入級的管子反向擊穿。  9. 差模輸入電阻rid  rid是集成運(yùn)放在開環(huán)時(shí)， 輸入電壓變化量