《线性电子线路》PPT课件.ppt

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1、差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级，是另一类基本放大器。,4.4差分放大器,电路结构,由两完全对称的共发电路，经射极电阻 REE 耦合而成。,采用正负双电源供电：VCC=|VEE|。,具有两种输出方式：双端输出、单端输出。,第 4 章放大器基础,由于电路采用正负双电源供电，则 VBQ1=VBQ2 0,估算电路 Q 点,令 vi1=vi2=0，画出电路直流通路。,因此,第 4 章放大器基础,差模信号和共模信号,电路性能特点,差模信号：指大小相等、极性相反的信号。,表示为 vi1=-vi2=vid/2,差模输入电压vid=vi1-vi2,共模信号：指大小相等、极性相同的信号

2、。,表示为 vi1=vi2=vic,共模输入电压 vic=(vi1+vi2)/2,任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。,第 4 章放大器基础,差放半电路分析法,因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。,分析步骤：,差模分析,画半电路差模交流通路 计算 Avd、Rid、Rod。,共模分析,画半电路共模交流通路 计算 Avc、KCMR、Ric。,根据需要计算输出电压,双端输出：计算 vo。,单端输出：计算 vo1、vo2。,第 4 章放大器基础,差模性能分析,双端输出电路,REE 对差模视为

3、短路。,RL 中点视为交流地电位，即每管负载为 RL/2。,直流电源短路接地。,1)半电路差模交流通路,注意：关键在于对公共器件的处理。,第 4 章放大器基础,2)差模性能指标分析,差模输入电阻,差模输出电阻,差模电压增益,注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到 提高。,第 4 章放大器基础,单端输出电路,与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。,不变,减小,减小,第 4 章放大器基础,共模性能分析,双端输出电路,每管发射极接 2REE。,RL 对共模视为开路。,直流电源短路接地。,1)半电路共模交流通路,因此 REE 上的共模电压：2iC REE,因此流过 RL 的共模电流为

4、 0。,第 4 章放大器基础,2)共模性能指标分析,共模输入电阻,共模输出电阻,共模电压增益,电路特点,无意义,双端输出电路利用对称性抑制共模信号。,利用对称性抑制共模信号(温漂)原理：,第 4 章放大器基础,单端输出电路,与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。,不变,第 4 章放大器基础,单端输出电路特点,单端输出电路利用 REE 的负反馈作用抑制共模信号。,利用 REE 抑制共模信号原理：,一般射极电阻 REE 取值较大,结论,无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。,第 4 章放大器基础,差放性能指标归纳总结,Rid 与电路输入、输出方式无关。,

5、Rod 仅与电路输出方式有关。,Avd 仅与电路输出方式有关。,Avc仅与电路输出方式有关。,双端输出,单端输出,双端输出,单端输出,双端输出,单端输出,其中,其中,第 4 章放大器基础,共模抑制比,KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力的一项重要指标，其值越大越好。,定义,双端输出电路,单端输出电路,第 4 章放大器基础,普通差放存在的问题：,采用恒流源的差分放大器,REE,KCMR 抑制零点漂移能力,但 IEE Q 点降低 输出动态范围,其中,很大,第 4 章放大器基础,双端输出时,单端输出时,任意输入时，输出信号的计算,其中,其中,第 4 章放大器基础,例：图示电路，已知=10

6、0，vi=20sint(mV)，求 vo。,解：,(1)分析 Q 点,(2)分析 Avd2、Avc2,由于,则,(3)计算 vo,由于,则,第 4 章放大器基础,电路两边不对称对性能的影响,实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：,双端输出时的 KCMR,理想情况,实际情况,由于,则,因此,第 4 章放大器基础,由两管参数不对称(如 VBE(on)、IS、RC 不等)引起失调。,失调及其温漂,输入失调电压 VIO,VO 0,零输入时,从等效的观点看：,VIO 就是使 VO=0 时，在实际差放输入端所加的补偿电压。,失调电压,VIO 产生原因：,第 4 章放大器基础,两管 不等，造成 ICQ1

7、ICQ2,输入失调电流 IIO,从等效的观点看：,IIO 就是使 ICQ1=ICQ2 时，在实际差放输入端所加的补尝电流。,失调电流,IIO 产生原因：,若取,第 4 章放大器基础,失调模型,当 RS 较大时：,当 RS 较小时：,失调以 IIO为主，为减小 VIO，应选 IIO 小的差放。,失调以 VIO 为主，为减小 VIO，应选 VIO 小的差放；,第 4 章放大器基础,调零电路,调节电位器 RW，改变两端发射极电位或集电极电阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。,第 4 章放大器基础,VIO 和 IIO 的温漂,若环境温度、电源电压等外界因素变化：,其中温度变化引起的温漂最大。,可以证

8、明：,注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。,MOS 差放的失调,因IG 0,则,(mV 量级),由两管参数(如 W/l、VGS(th)及 RD 不匹配引起失调。,VIO 产生原因：,注意：MOS 管差放的 VIO 三极管差放的 VIO。,第 4 章放大器基础,差模传输特性,完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。,双极型差放的差模传输特性,假设电路对称,得,第 4 章放大器基础,差模传输特性曲线,可以证明：,当|vID|26 mV 时，差放线性工作(单管电路 vI 2.6 mV)。,|vID|100 mV 后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。,说明：,若在两管发射极上串

9、联电阻 RE，则利用 RE 的负反馈 作用，可扩展线性范围。,RE 线性范围 但 Avd,第 4 章放大器基础,最大差模输入电压范围：,最大共模输入电压范围：,受 VBR(BEO)限制的最大差模输入电压。,保证 T1、T2、T3 管工作在放大区，所对应的最大共模输入电压。,要保证 T1、T2 管放大区工作：,要保证 T3 管放大区工作：,第 4 章放大器基础,MOS 差放-差模传输特性,假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：,得,第 4 章放大器基础,可以证明：,当|vID|2(VGSQ-VGS(th)时，MOS 差放线性工作。,MOS 差放进入非线性限幅区。,与双极型差放不同：,线性范围

10、与非限幅范围,一般，MOS 差放的线性与非限幅范围均比双极型差放大。,第 4 章放大器基础,4.5电流源电路及其应用,直流状态工作时，可提供恒定的输出电流 I0。,交流工作时，具有很高输出电阻 Ro，可作有源负载使用。,电流源电路特点：,对电流源电路要求：,直流状态工作时，要求 I0 精度高、热稳定性好。,交流状态工作时，要求 Ro 大(理想情况 Ro)。,利用 iB 恒定时，iC 接近恒流特性而构成。,电流源电路原理：,第 4 章放大器基础,镜像电流源电路,假设 T1、T2 两管严格配对，,基本镜像电流源,由于vBE1=vBE2,根据,得知,因此，称 iC2 是 iC1 的镜像。,参考电流,

11、由于,第 4 章放大器基础,因此,IR(2),当温度变化时，由于、VBE(on)的影响，I0 热稳定性降低。,IO 精度及热稳定性,由,当 较小时，I0 与 IR 之间不满足严格的镜像关系，I0 精度降低。,输出电阻 RO,当考虑基宽调制效应时，根据,VA 除了降低 I0 精度外，还造成 Ro 较小，I0 恒流特性变差。,RO=rce2,第 4 章放大器基础,得知，,则,得,减小 影响的镜像电流源,结构特点,T1 管 c、b 之间插入一射随器 T3。,电路优点,减小分流 i，提高 I0 作为 IR 镜像的精度。,由图,整理得,式中,输出电阻Ro=rce2,第 4 章放大器基础,比例式镜像电流源

12、,结构特点,两管射极串接不同阻值的电阻。,电路优点,R 增大，I 恒流特性得到改善。,得,得,式中,第 4 章放大器基础,微电流源,令比例镜像电流源中的 R1=0。,由,式中,根据集成工艺的要求，电阻 R 不易做太大，故前述电流源的 I0 只能做到 mA 量级。,得,输出电阻,电路优点：可提供 A 量级的电流，且 Ro 大，精度高。,第 4 章放大器基础,MOS 镜像电流源,MOS 镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻 T3 取代。,得,其中,第 4 章放大器基础,有源负载差分放大器,T1、T2 构成的镜像电流源代替 RC4。,电路组成：,T3、T4

13、 构成双端输入单端输出差放。,电路特点：,由镜像电流源知,当差模输入时,则差模输出电流,当共模输入时,则共模输出电流,第 4 章放大器基础,性能分析：,结论：,该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。,由于,则,差模增益,差模输入电阻,差模输出电阻,第 4 章放大器基础,4.6集成运算放大器,集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。,集成运放性能特点,Av 很大：(104 107 或 80 140 dB),Ri 很大：(几 k 105 M),Ro 很小：(几十),静态输入、输出电位均为零。,集成运放电路符号,第 4 章放大器基础,集成运放电路组成,由于实

14、际电路较复杂，因此读图时，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。,第 4 章放大器基础,F007 集成运放内部电路,输入级组成：由 T1、T3 和 T2、T4 组成的共集共基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7 组成的改进型镜像电流源作 T4 管的有源负载。T8、T9 组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻 REE。输入级特点：改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。,中间级组成：T17 构成共发放大器。T13B、T12 组成的镜像电流源作有源负载，代替集电极电阻 RC。电路特点：中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，电

15、压增益很高。隔离级：T16 管构成的射随器作为隔离级，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。,输出级组成：T14 与 T20 组成甲乙类互补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合而成。电路特点：输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。过载保护电路：T15、R6 保护 T14管，T21、T22、T24、R7 保护 T20 管。正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护电路才启动。,隔离级：T23A 管构成的有源负载射随器作为隔离级，可提高中间级电压增益。T13A 与 T12 组成的镜像电流源作有源负载，代替 T23A 的发射极电阻 RE。,偏置电路：偏置电路一般包含在各级电路中，采用多路偏置的

16、形式。T10、T11构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。,电平位移电路：输入级共集共基组合电路中，采用极性相反的 NPN与 PNP 管进行电平位移。不专门另设电平位移电路。,将上述单元电路功能综合起来可见，F007 是实现高增益放大功能的一种集成器件。它具有高 Ri、低 Ro、高 Av、高 KCMR、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。,第 4 章放大器基础,4.7放大器的频率响应,从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。,传递函数和极零点,复频域分析法,在初始条件为零时，定义系统的传递函数：,(m n),式中：标尺因子 H0=bm/an，z 为零点，p 为极点。,第

17、4 章放大器基础,在可实现的稳定有源线性系统中，分母多项式各系数恒 为正实数，极点必为负实数或实部为负值的共轭复数。,零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也可以是 正实数或实部为正值的共轭复数。,在仅含容性电抗元件的系统中：,只要不出现由电容构成的闭合回路，则极点数=电容数。,若出现闭合回路，则极点数=独立电容数。,第 4 章放大器基础,1)写出电路传递函数表达式 A(s),频率响应分析步骤,复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：,2)令 s=j，写出频率特性表达式 A(j),设极点均为负实数(p=-p)，则,4)确定上、下限角频率,3)绘制渐近波特图,第 4 章放大器基础,RC 低通

18、电路频率响应,由图，传递函数表达式：,时间常数,令 s=j，则频率特性表达式：,幅值：,或,相角：,第 4 章放大器基础,绘制渐近波特图：,渐近波特图画法：,幅频,p 时，,p 时，,=p 时，,相频,0.1p 时，,10p 时，,=p 时，,-20 dB/10 倍频,-45/10 倍频,第 4 章放大器基础,确定上限角频率：,-20 dB/10 倍频,-45/10 倍频,归纳一阶因子渐近波特图画法：,幅频渐近波特图：,已知,自 0 dB水平线出发，经 p 转折成斜率为(20 dB/10 倍频)的直线。,相频渐近波特图：,自 0 水平线出发，经 0.1p 处转折，斜率为(45/10 倍频)，再

19、经 10p 处转折为-90 的水平线。,因=p 时，,H=p,第 4 章放大器基础,RC 高通电路频率响应,由图，传递函数表达式：,时间常数,令 s=j，则频率特性表达式：,幅值：,相角：,下限角频率：,因=p 时，,L=p,第 4 章放大器基础,绘制渐近波特图：,20 dB/十倍频,-45/十倍频,幅频渐近波特图：,p：0 dB 水平线；p：斜率为(20 dB/十倍 频)的直线。,相频渐近波特图：,10p：0 水平线。,第 4 章放大器基础,多极点系统频率响应,利用 RC 低通电路分析结果，得传递函数表达式：,式中,如图所示的三级理想电压放大器，Ri，Ro 0。试画渐近波特图，并求 H。已知

20、 R1 C1 R2 C2 R3 C3。,第 4 章放大器基础,频率特性表达式：,幅频及相频表达式：,均为单阶因子波特图的叠加。,-20 dB/10 倍频,-40 dB/十倍频,-60 dB/十倍频,-45/10 倍频,-90/十倍频,-45/十倍频,第 4 章放大器基础,归纳多极点系统渐近波特图画法：,幅频渐近波特图：,自中频增益 AvI(dB)的水平线出发，经 pn 转折成斜率为(20 dB/十倍频)的直线。,相频渐近波特图：,自 0 水平线出发，经 0.1p1 处开始转折，斜率为：(45/十倍频)乘以(单阶因子重叠的段数)，再经 10pn，转折成-90 的折线。,已知,第 4 章放大器基础

21、,确定上限角频率：,根据定义，当=H 时：,即,整理并忽略高阶小量得到上限角频率为,若 p2 4p1，则称 p1 为主极点，p2、p3 为非主极点。,上限角频率取决于主极点角频率：,第 4 章放大器基础,高频工作，考虑三极管极间电容影响时，为频率的复函数。,三极管频率特性参数,根据定义,经推导得,其中,共发电路截止角频率,第 4 章放大器基础,当=T 时,因此 T=,指()下降到 1 时，对应的角频率。,特征角频率 T,根据 T,T 是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。,及,第 4 章放大器基础,共基电路截止角频率,T,根据,及,整理得,其中,三个频率参数中应用最广、最具代表性的是特征角

22、频率 T。通常，T 越高，三极管高频性能越好，构成的放大器上限频率越高。,第 4 章放大器基础,设原四端网络传递函数：,密勒定理,共发放大器的频率响应,密勒定理等效后：,第 4 章放大器基础,单向化近似,整理得,则,第 4 章放大器基础,共发高频等效电路及密勒近似,第 4 章放大器基础,简化等效电路中：,密勒效应倍增因子：,由简化等效电路得,式中,共发电路频率响应,第 4 章放大器基础,共发电路增益带宽积 GBW,定义,其中,1)选 rbb 小、Cbc 小、T 高的三极管 使 GBW。,若 D 1，则 H T，此时上限角频率最高。,2)管子选定后,采用恒压源(RS 0)激励：,采用恒流源(RS

23、)激励：,D 1 时，H，上限频率降低。,3)RL D H，但 AvsI。需兼顾两者。,第 4 章放大器基础,提高共发电路上限频率的方法：,此时，共发电路上限角频率 H 最高，且接近管子特征角频率 T。,第 4 章放大器基础,共集放大器,共集和共基放大器的频率响应,由于,因此，Cbc 可忽略不计。,令 RL=rce/RE/RL,第 4 章放大器基础,由简化等效电路：,式中,极点角频率：,并联在 Cbe 两端的总电阻,第 4 章放大器基础,共基放大器,由图,整理得,受控源,其中,第 4 章放大器基础,由简化等效电路：,式中,由于 Cbc 很小，因此当 RL 较小时：p2 p1,由主极点概念：,H

24、 P1,结论：三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。,第 4 章放大器基础,电子设备中，为改善电路频率响应，常要求放大器具有很高的上限频率(几 MHz 几千 MHz)。,宽带放大器,扩展上限频率的方法：,改进集成工艺，通过提高管子特征频率 fT 扩展 fH。,在放大电路中引入负反馈扩展上限频率 fH。,利用电流模技术扩展上限频率 fH。,利用组合电路扩展上限频率 fH。,第 4 章放大器基础,组合电路宽带放大器,共发共基组合电路,三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。,共集共发组合电

25、路,由于共基电路 Ri2 小，,因此扩展了上限频率。,则共发电路具有低阻输出节点，,由于共集电路 Ro1 小，,因此扩展了上限频率。,则共发电路具有低阻输入节点，,第 4 章放大器基础,CA3040 集成宽带放大器：,Av=30 dB，fH=55 MHz,T1,VCC,vi1,VEE,vi2,R5,T4,T2,T3,T5,T6,vo1,vo2,R6,T7,T8,R7,R8,R9,R2,R1,T9,R3,R4,第 4 章放大器基础,电流放大器,跨导线性环电流放大器,由图,则,化简得,改变输入输出偏置电流，即可改变电流增益。,两输入节点 B1、B2 均为低阻节点，故上限频率高。,第 4 章放大器基础,二级宽带放大器,第 4 章放大器基础,电流模电路,以电压作为电路中的处理变量 电压模电路。,两者主要区别：表现在节点阻抗电平的高低上。,电流放大器、跨导线性电路、开关电流电路、动态电流镜等。,低阻节点上的变量：主要表现为电流量。,以电流作为电路中的处理变量 电流模电路。,高阻节点上的变量：主要表现为电压量。,利用低节点阻抗的特点，电流模电路特点：,频带宽、速度高、动态范围大、非线性失真小。,常用的电流模电路：,第 4 章放大器基础,