《差动放大电路》PPT课件.ppt

1,电子技术,模拟电路部分,第三章 集成运算放大电路,差动放大器,2,主要内容,1 概述2 差动放大电路的基本形式3 射极耦合差动放大电路4 具有恒流源差动放大电路,集成运算放大电路概述,集成电路：是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成运算放大电路：最初用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等）上，故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。,集成运放的电路结构特点,一、因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。二、因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。三、因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。四、因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。,输入级：输入电阻高、静态电流小、共模抑制比高，常采用差动放大电路。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。偏置电路：为各级设置合适的静态工作点，镜像电流源，微电流源。输出级：线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等。常用互补共集放大电路构成。,集成运放的组成及其各部分的作用,6,在实践中，通常采用多级放大电路对信号进行放大,多级放大电路各级间的连接方式（耦合方式）有三种：阻容耦合，直接耦合，变压器耦合,7,阻容耦合,阻容耦合的优点：由于前后级是通过电容相连的，所以各级的静态工作点是相互独立的，不互相影响，这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。阻容耦合的缺点：不适用传送缓慢变化的信号。更不能传送直流信号；另外，大容量的电容在集成电路中难以制造，所以，阻容耦合在线性集成电路中无法采用。,8,直接耦合,为了避免电容对缓慢信号带来的不良影响，去掉耦合电容，将前级输出直接连到下一级，我们称之为直接耦合。直接耦合的缺点：适用传送缓慢变化的信号。直接耦合的缺点：前后级Q点相互影响。零点漂移。,9,变压器耦合,通过变压器，把初级的交流信号传送到次级。而直流电压和电流通不过变压器。变压器耦合主要用于功率放大电路。优点：实现交流的传送而直流不能通过。而且可变换电压和实现阻抗匹配。缺点：体积大、重量大、频率特性差。,10,直接耦合电路的特殊问题,增加R2、RE2:用于设置合适的Q点。,问题 1:前后级Q点相互影响。,2.差动放大电路的基本形式,11,问题 2:零点漂移。,前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当 ui 等于零时，uo不等于零。,有时会将信号淹没,12,一、结构,特点：结构对称。,2.基本差动放大电路,共模信号输入电压：,差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。,共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。,共模信号 与差模信号,差模信号输入电压：,14,二、抑制零漂的原理,uo=UC1-UC2=0,uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0,当 ui1=ui2=0 时：,当温度变化时：,15,三、差模电压放大倍数Aud,差模输入信号：ui1=-ui2=1/2*Uid（大小相等，极性相反）,(很大，1),因ui1=-ui2，uo1=-uo2 uo=uo1-uo2=2uo1,差模电压放大倍数：,差模输入电压：UidUi1Ui2,16,四、共模电压放大倍数AuC,共模输入信号：ui1=ui2=uiC（大小相等，极性相同）,理想情况：ui1=ui2 uC1=uC2 uo=0,共模电压放大倍数：,（很小，1),但因两侧不完全对称，uo 0,17,五.任意输入的信号:ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量。,注意：ui1=uiC+uid；ui2=uiC-uid,例:ui1=20 mV,ui2=10 mV,则：uid=5mV,uic=15mV,差模分量:,共模分量:,3.射极耦合差动放大电路,18,基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极c1、c2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂，所以，基本差动电路存在如下问题。由于电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。由于每一个管子没有采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分大时，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1或c2对地输出(单端输出)，而这时的零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。对此，我们提出射极耦合差动放大电路。,19,一、结构,由于电路不可能绝对对称。为了使左右平衡，可设置调零电位器:,3 射极耦合差动放大电路,特点：加入射极电阻RE；加入负电源-UEE，采用正负双电源供电。,20,双电源的作用：,（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。,UCE=UCC+UEE-IC(RC+2RE),射极电阻RE的作用,射极电阻RE的作用：,T C,（1）直流负反馈，稳定静态工作点,射极电阻RE的作用：,（2）RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）（3）RE对差模信号相当于短路,ui1=-ui2，设ui1,ui2 ib1,ib2 ie1,ie2 ie1=-ie2 IE不变,结论：IE具有恒流特性,用恒流源代替RE，可使电路进一步改善,23,IC1=IC2=IC=IB,UCE=UCC+UEE-IC(RC+2RE),24,三、动态分析,(1)差模(differential mode)电压放大倍数,25,26,三、共模抑制比(CMR)的定义,例:Aud=-200 Auc=0.1 KCMR=20 lg(-200)/0.1=66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMR=,KCMR(dB)=,(分贝),27,28,恒流源差动放大电路,29,30,恒流源,T:放大区,恒流源差动放大电路,恒流源差动放大电路,32,静态分析,33,34,35,1.恒流源相当于阻值很大的电阻。,2.恒流源不影响差模放大倍数。,3.恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,补充：电压增益,36,37,38,40,41,42,43,上面两图为：单端输入，双端输出,右图为：单端输入，单端输出,四种差动放大电路比较,输入电阻输入：单端或双端；双端输出输入：单端或双端；单端输出单端输入,45,46,47,四种差分放大电路比较,输入电阻双端输出单端输出单端输入,单端输出,至下一级,双端输出双端输入,3.2.5 差放电路的几种接法,接法类型：单端输入，双端输入。单端输出，双端输出。,50,补充：电流源,51,52,53,集成电路运算放大器中的电流源,一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3、电流源电路一般都加有电流负反馈，4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。,电 流 源 概 述,电 流 源 概 述,集成电路电流源,一、镜象电流源,镜象电流源,其中：基准电流 是稳定的，故输出电流 也是稳定的。,作为有源负载的应用,57,58,二、微电流源,微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。,微电流源,IC2 远小于IREF,当R取 几k 时，IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。,60,三、比例式电流源,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。,比例式电流源,62,五、多路电流源,通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。,多路电流源,例4.2.1,以电流源为有源负载的放大电路,有源负载共射放大电路,集电极的动态电流几乎全部流向负载，提高Au,有源负载差分放大电路,将T1管的集电极电流变化转换成输出电流，使所有变化电流流向负载,