1、,第四章 差分放大电路与集成运 算放大器,4.1 差分放大电路4.2 集成运算放大器及其特性4.3 运算放大器在信号运算方面的应用,一、结构,4.1.1 基本型差分放大器,基本差分放大器是由两个完全对称的单管放大器组成。,4.1 差分放大电路,零点漂移“零点”没有输入信号时的输出端直流电压（静态工作点电压）当放大器的环境温度或电源电压发生变化时，晶体管的静态工作点也要随之发生变化，所以即使在输入信号为零时，直流放大器的输出电压也会出现缓慢的不规则的变动。这种现象称为“零点漂移”，简称“零漂”。,二、抑制零漂的原理,uo=UC1-UC2=0,uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0,当
2、ui1=ui2=0 时：,当温度变化时：,+UCC,三、共模信号和差模信号,共模输入信号：ui1=ui2,uic=ui1=ui2,共模输入电压：,差模输入信号：ui1=-ui2,差模输入电压,uid=ui1 ui2,=2ui1,差模电压放大倍数,共模电压放大倍数,总输出电压,uoc=uod+uoc=Auduid+Aucuic,4.1.2 差分放大电路的工作原理,VEE=UBEQ+IEEREE,IEE=(VEE UBEQ)/REE,ICQ1=ICQ2(VEE UBEQ)/2REE,UCQ1=VCC ICQ1RC,UCQ2=VCC ICQ2RC,Uo=UCQ1 UCQ2=0,一、电路组成及静态分析
3、,1.差模输入与差模特性,=ui2,差模电压放大倍数,带RL时,Rid=2rbe,差模输入电阻,差模输出电阻,Rod=2RC,二、动态分析,例1 已知:=80,rbb=200,UBEQ=0.6 V,试求:,(1)静态工作点,(2)差模电压放大倍数Aud,差模输入电阻Rid，输出电阻Rod,解,(1)ICQ1=ICQ2(VEE UBEQ)/2REE,=(12 0.6)/2 20,=0.285(mA),UCQ1=UCQ2=VCC ICQ1RC,=12 0.285 10,=9.15(V),(2),=10/10=5(k),Rid=2rbe,=2 7.59=15.2(k),Rod=2RC,=20(k),
4、2.共模输入与共模抑制比,IEQ1+ie1,IEQ2+ie2,共模抑制比,用对数表示：,共模电压放大倍数,(2)若Aud=50、Auc=0.05,求输出电压uo，及KCMR,1.01V,0.99V,解,可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和,(1),ui1=1.01=1.00+0.01(V),ui2=0.99=1.00 0.01(V),uid=u i1 u i2=1.01 0.99=0.02(V),uiC=(ui1+ui2)/2=1(V),(2),uod=Auduid,=500.02,=1(V),uoc=Aucuic,=0.051,=0.05(V),uo=Auduid+Aucuic,=1
5、.05(V),=60(dB),(1)求差模输入电压uid、共模输入电压uic,例2,三、差分放大电路的输入、输出接法,有四种不同的接法,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。,1.双端输入、双端输出,图(a)双端输入、双端输出,2.双端输入、单端输出,uO 约为双端输出的一半，即,若由 VT2 集电极输出，uO 为“正”。,图(b)双端输入、单端输出,3.单端输入、双端输出,单端输入,则,当共模负反馈足够强时，,三极管仍然基本工作在差分状态，所以,图(c)单端输入、双端输出,4.单端输入、单端输出,若改从 VT2 集电极输出，则,这种接法比一般的
6、单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。,图(d)单端输入、单端输出,结论,(1)双端输出时，Ad 与单管 Au 基本相同；单端输出时，Ad 约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。(2)双端输出时，理想情况下，KCMR；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。(3)单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。(4)单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。(5)单端输出时，Rid 2(R+rbe)。,差分放大电路四种接法的性能比较,Ad,Rid,Ro,4.1.3 恒流源式差放电路,恒流源的作用,恒流源相当于阻
7、值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。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。,集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,4.2 集成运算放大器及其特性,4.2.1集成运算放大器的组成,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,运放的应用领域：信号处理、信号测量、波 形转换、自动控制等。,运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算
8、。,集成电路内部结构的特点：,1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4.二极管一般用三极管的发射结构成。,运算放大器的组成,输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。,中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。,输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。,1、电路组成：,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相
9、输入端,同相输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR,输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,运放符号：,国际符号,国内符号,4.2.2集成运算放大器的性能指标,集成运放的主要性能指标,四、输出电阻
10、ro,三、差模输入电阻rid,一、开环差模电压放大倍数Aod,二、共模抑制比KCMMR,ri 大:几十k 几百 k,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104 107,4.2.3集成运放的电压传输特性,1.工作在饱和区的特点,当 u+u-时，uO=+UOPP当 u+u-时,uO=-UOPP,在非线性区内，(u+-u-)可能很大，即 u+u-。“虚地”不存在,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系,理想运放工作在线性区特点：,1.理想运放的差模输入电压等于零,“虚短”,2.理想运放的输入电流等于零,由于 rid=，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,2.工作在线性区的
11、特点(引入负反馈),4.3.1 比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,4.3 运算放大器在信号运算方面的应用,一、比例运算电路,1.反相比例运算,电路组成,ui从反相输入端输入同相输入端接地,电压放大倍数,因i+=0,所以u+=0 u=u+=0-称“虚地”,i+=i=0,i1 if,结论：,Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。,Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,|Auf|可大于 1，
12、也可等于 1 或小于 1。,因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,例：求Au=?,i1=i2,虚短,虚断,虚断,2.同相比例运算,电路组成,电压放大倍数,因虚短，故 u=u+=ui,i1=if,结论：,Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因 为 ui 加在同相输入端。,Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运 放本身参数无关。,Auf 1，不能小于 1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,当 R1=且 RF=0 时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。,二、加法运算电路,1.反相加法运
13、算电路,因虚短,u=u+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以 ii1+ii2=if,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时,同理，ui2单独作用时,方法2：,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，用 u=u+的性质求解。,三、减法运算电路,由虚断和虚短可得：,分析方法1：,iR1,iRF,由虚断可得：,如果取 R1=R2，R3=RF,如 R1=R2=R3=RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,分析方法1：,分析方法2：利用叠加原理,u+,ui1单独作用时,ui2单独作用时,减法运算电路可看作是反相比例运算与同
14、相比例运算电路的叠加。,四、单运放的加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,虚短,虚断,虚断,例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,解:,(1)画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(2)求各电阻值。,uo=10ui1+8ui2-20ui3,优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,单运放的加减运算电路,改进：采用双运放电路。,五、双运放的加减运算电路,例：用集成运放实现以下运算关系,解：,比较得：,选 RF1=20 k，得：R1=1
15、00 k，R3=15.4 k；,选 RF2=100 k，得：R4=100 k，R2=10 k。,六、积分运算电路,由虚短及虚断可得 i1=if,if=?,由于“虚地”，u-=0，故,uO=-uC,又由于“虚断”，iI=iC，故,uI=iIR=iCR,得：,=RC,积分时间常数,得：,六、积分运算电路,积分电路的输入、输出波形,(1)输入电压为矩形波,t0,t1,UI,当 t t0 时，uI=0，uO=0；,当 t0 t t1 时，uI=UI=常数，,当 t t1 时，uI=0，uo 保持 t=t1 时的输出电压值不变。,即输出电压随时间而向负方向直线增长。,(二)输入电压为正弦波,可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先 90。因此，此时积分电路的作用是移相。,由于“虚断”，i-=0，故,iC=iR,又由于“虚地”，u+=u-=0，故,可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。,七、微分运算电路,若输入：,则：,微分电路的作用：实现波形变换。,
