第 3章 差动放大电路与集成运算放大器
3.1 差动放大电路
3.2 集成运算放大器
3.1 差动放大电路
3.1.1 零点漂移的概念在直接耦合多级放大电路中,由于各级之间的工作点相互联系,相互影响,会产生零点漂移现象 。
所谓零点漂移，是指放大电路在没有输入信号时，由于温度变化、电源电压波动、元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个变化量会被直接耦合放大电路逐级加以放大并传送到输出端，
使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。
产生零点漂移的原因，主要是晶体三极管的参数受温度的影响，所以零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。
3.1.2 差动放大电路的基本形式差动放大电路是一种具有两个输入端且电路结构对称的放大电路,其基本特点是只有两个输入端的输入信号间有差值时才能进行放大,即差动放大电路放大的是两个输入信号的差,所以称为差动放大电路 。
1.电路构成与特点图 3.1所示为差动放大电路的基本形式，
从电路结构上来看，它具有以下特点。
（ 1）它由两个完全对称的共射电路组合而成。
（ 2）电路采用正负双电源供电。
图 3.1 典型基本差动放大电路
2.差动放大电路抑制零点漂移的原理由于电路的对称性,温度的变化对 VT1、
VT2两管组成的左右两个放大电路的影响是一致的,相当于给两个放大电路同时加入了大小和极性完全相同的输入信号 。 因此,在电路完全对称的情况下,两管的集电极电位始终相同,差动放大电路的输出为零,不会出现普通直接耦合放大电路中的漂移电压,可见,差动放大电路利用电路对称性抑制了零点漂移现象 。
3.静态分析当 ui1=ui2=0时,由于电路完全对称,
VT1,VT2的静态参数也完全相同 。 以 VT1
为例,其静态基极回路由 -UEE,UBE和 Re构成,但要注意,流过 Re的电流是 VT1,VT2
两管射极电流之和,如图 3.2所示,则 VT1
管的输入回路方程为：
UEE=UBE+2IE1Re
图 3.2 基本差动放大电路的直流通路静态时,两管集电极对地电位相等,
即 UC1=UC2。 故两管集电极之间电位差为零,
即输出电压 uo=UC1-UC2=0。
4.差模信号与共模信号当两个输入信号 ui1,ui2大小和极性都相同时，称为共模信号，记为 uic，即
ui1=ui2=uic。当 ui1与 ui2大小相同但极性相反时，即 ui1= -ui2时，称为差模信号，记为 uid。
理想情况下，差放对共模信号没有放大能力。
输入信号 ui1,ui2的大小和极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共模信号。
5.差模特性分析图 3.1所示的典型基本差动放大电路，
在输入差模信号时，双端输出的交流通路如图 3.3所示。
图 3.3 基本差动放大电路差模输入时的交流通路在电路完全对称的情况下,这两个交流电流之和在 Re两端产生的交流压降为零,
因此,图 3.3的差模输入交流通路中,射极电阻 Re被短路 。
（ 1） 差模电压放大倍数 Aud
（ 2） 差模输入电阻 rid
（ 3） 差模输出电阻 rod
图 3.4 带负载的差动放大电路
6.共模特性分析输入共模信号时的交流通路如图 3.5所示 。
图 3.5 共模输入时基本差放电路的交流通路流过 Re的交流电流为单管射极电流的两倍,所以共模输入时的交流通路中,射极电阻不能被短路,其上有交流压降 。
（ 1） 共模电压放大倍数 Auc
（ 2） 共模抑制比 KCMR
3.1.3 差动放大电路的输入,输出形式当信号从一个输入端输入时称为单端输入；从两个输入端之间浮地输入时称为双端输入；当信号从一个输出端输出时称为单端输出；从两个输出端之间浮地输出时称为双端输出 。 因此,差动放大电路具有四种不同的工作状态：双端输入,双端输出；单端输入,双端输出；双端输入,
单端输出；单端输入,单端输出 。
1.单端输入单端输入和双端输入并没有本质的区别,可以直接利用双端输入时的公式进行计算 。
2.单端输出单端输出的输出信号可以取自 VT1或
VT2的集电极 。
（ 1） 单端输出时的差模电压放大倍数 Aud1
（ 2） 单端输出时的共模电压放大倍数 Auc1
（ 3） 单端输出时的共模抑制比 KCMR
（ 4） 单端输出时差动放大电路的输出电阻 rod
3.差动放大在四种工作状态下的性能特点比较
3.1.4 恒流源式差动放大电路考虑采用恒流源来代替原来的 Re,因为恒流源的内阻较大,可以得到较好的共模抑制效果,同时利用恒流源的恒流特性给三极管提供更稳定的静态偏置电流 。
恒流源式差动放大电路如图 3.8所示 。
图 3.8 恒流源式差动放大电路接入恒流三极管后,抑制了共模信号的变化 。
有时,为简化起见,常常用一个简化的恒流源符号来表示恒流管 VT3的具体电路,如图 3.9所示 。
图 3.9 恒流源式差动放大电路的简化表示法
3.2 集成运算放大器
3.2.1 集成运算放大器的基本组成集成运算放大器实质上是一个具有高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路 。
从 20世纪 60年代发展至今已经历了四代产品,类型和品种相当丰富,但在结构上基本一致,其内部通常包含四个基本组成部分：输入级,中间级,输出级以及偏置电路,如图 3.12所示 。
图 3.12 集成运放的基本组成部分图 3.13所示为集成运算放大器的电路符号。
集成运放可以有同相输入、反相输入及差动输入三种输入方式。
图 3.13 集成运算放大器的电路符号
3.2.2 集成运算放大器的主要性能指标
1.开环差模电压放大倍数 Aud
2.输入失调电压 UIO
3.输入偏置电流 IIB
4.输入失调电流 IIO
5.输入失调电压温漂 ΔUIO/ΔT和输入失调电流温漂 ΔIIO/ΔT
6.共模抑制比 KCMR
7.差模输入电阻 rid
8.输出电阻 rod
3.2.3 集成运算放大器使用中的几个具体问题
1.集成运放的选择
（ 1） 信号源的性质
（ 2） 负载的性质
（ 3） 精度要求
（ 4） 环境条件
2.集成运放参数的测试以 μA741为例,其管脚排列如图 3.14(a)
所示 。 其中 2脚为反相输入端,3脚为同相输入端,7脚接正电源 15V,4脚接负电源 -
15V,6脚为输出端,1脚和 5脚之间应接调零电位器 。 μA741的开环电压增益 Aud约为
94dB(5× 104倍 )。
图 3.14 μA741的管脚排列及估测运放的放大能力用万用表估测 μA741的放大能力时，
需接上 ± 15V电源。万用表拨至 50V挡，电路如图 3.14(b)所示。
图 3.14 μA741的管脚排列及估测运放的放大能力
3.集成运放在使用前必做的工作
（ 1） 集成运放的管脚
（ 2） 参数测量
（ 3） 调零或调整偏置电压
4.集成运放的保护集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大,使 PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接
,地,或接电源,此时,运放将因输出级功耗过大而损坏 。 因此,为使运放安全工作,也需要从这三个方面进行保护 。
（ 1） 输入保护图 3.15(a)所示是防止差模电压过大的保护电路,限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管 VD1,VD2的正向导通电压 。 图 3.15(b)所示是防止共模电压过大的保护电路,限制集成运放的共模输入电压不超过 +U至 -U的范围 。
图 3.15 输入保护电路
（ 2） 输出保护图 3.16所示为输出端保护电路,限流电阻 R与稳压管 VZ构成限幅电路,它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来,限制了运放的输出电流,另一方面也限制了输出电压的幅值 。 当然,任何保护措施都是有限度的,若将输出端直接接电源,则稳压管会损坏,使电路的输出电阻大大提高,影响了电路的性能 。
图 3.16 输出保护电路
（ 3） 电源端保护为防止电源极性接反,可利用二极管的单向导电性,在电源端串接二极管来实现保护,如图 3.17所示 。 由图可见,若电源极性接错,则二极管 VD1,VD2不能导通,
使电源被断开 。
图 3.17 电源端保护
3.1 差动放大电路
3.2 集成运算放大器
3.1 差动放大电路
3.1.1 零点漂移的概念在直接耦合多级放大电路中,由于各级之间的工作点相互联系,相互影响,会产生零点漂移现象 。
所谓零点漂移，是指放大电路在没有输入信号时，由于温度变化、电源电压波动、元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个变化量会被直接耦合放大电路逐级加以放大并传送到输出端，
使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。
产生零点漂移的原因，主要是晶体三极管的参数受温度的影响，所以零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。
3.1.2 差动放大电路的基本形式差动放大电路是一种具有两个输入端且电路结构对称的放大电路,其基本特点是只有两个输入端的输入信号间有差值时才能进行放大,即差动放大电路放大的是两个输入信号的差,所以称为差动放大电路 。
1.电路构成与特点图 3.1所示为差动放大电路的基本形式，
从电路结构上来看，它具有以下特点。
（ 1）它由两个完全对称的共射电路组合而成。
（ 2）电路采用正负双电源供电。
图 3.1 典型基本差动放大电路
2.差动放大电路抑制零点漂移的原理由于电路的对称性,温度的变化对 VT1、
VT2两管组成的左右两个放大电路的影响是一致的,相当于给两个放大电路同时加入了大小和极性完全相同的输入信号 。 因此,在电路完全对称的情况下,两管的集电极电位始终相同,差动放大电路的输出为零,不会出现普通直接耦合放大电路中的漂移电压,可见,差动放大电路利用电路对称性抑制了零点漂移现象 。
3.静态分析当 ui1=ui2=0时,由于电路完全对称,
VT1,VT2的静态参数也完全相同 。 以 VT1
为例,其静态基极回路由 -UEE,UBE和 Re构成,但要注意,流过 Re的电流是 VT1,VT2
两管射极电流之和,如图 3.2所示,则 VT1
管的输入回路方程为：
UEE=UBE+2IE1Re
图 3.2 基本差动放大电路的直流通路静态时,两管集电极对地电位相等,
即 UC1=UC2。 故两管集电极之间电位差为零,
即输出电压 uo=UC1-UC2=0。
4.差模信号与共模信号当两个输入信号 ui1,ui2大小和极性都相同时，称为共模信号，记为 uic，即
ui1=ui2=uic。当 ui1与 ui2大小相同但极性相反时，即 ui1= -ui2时，称为差模信号，记为 uid。
理想情况下，差放对共模信号没有放大能力。
输入信号 ui1,ui2的大小和极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共模信号。
5.差模特性分析图 3.1所示的典型基本差动放大电路，
在输入差模信号时，双端输出的交流通路如图 3.3所示。
图 3.3 基本差动放大电路差模输入时的交流通路在电路完全对称的情况下,这两个交流电流之和在 Re两端产生的交流压降为零,
因此,图 3.3的差模输入交流通路中,射极电阻 Re被短路 。
（ 1） 差模电压放大倍数 Aud
（ 2） 差模输入电阻 rid
（ 3） 差模输出电阻 rod
图 3.4 带负载的差动放大电路
6.共模特性分析输入共模信号时的交流通路如图 3.5所示 。
图 3.5 共模输入时基本差放电路的交流通路流过 Re的交流电流为单管射极电流的两倍,所以共模输入时的交流通路中,射极电阻不能被短路,其上有交流压降 。
（ 1） 共模电压放大倍数 Auc
（ 2） 共模抑制比 KCMR
3.1.3 差动放大电路的输入,输出形式当信号从一个输入端输入时称为单端输入；从两个输入端之间浮地输入时称为双端输入；当信号从一个输出端输出时称为单端输出；从两个输出端之间浮地输出时称为双端输出 。 因此,差动放大电路具有四种不同的工作状态：双端输入,双端输出；单端输入,双端输出；双端输入,
单端输出；单端输入,单端输出 。
1.单端输入单端输入和双端输入并没有本质的区别,可以直接利用双端输入时的公式进行计算 。
2.单端输出单端输出的输出信号可以取自 VT1或
VT2的集电极 。
（ 1） 单端输出时的差模电压放大倍数 Aud1
（ 2） 单端输出时的共模电压放大倍数 Auc1
（ 3） 单端输出时的共模抑制比 KCMR
（ 4） 单端输出时差动放大电路的输出电阻 rod
3.差动放大在四种工作状态下的性能特点比较
3.1.4 恒流源式差动放大电路考虑采用恒流源来代替原来的 Re,因为恒流源的内阻较大,可以得到较好的共模抑制效果,同时利用恒流源的恒流特性给三极管提供更稳定的静态偏置电流 。
恒流源式差动放大电路如图 3.8所示 。
图 3.8 恒流源式差动放大电路接入恒流三极管后,抑制了共模信号的变化 。
有时,为简化起见,常常用一个简化的恒流源符号来表示恒流管 VT3的具体电路,如图 3.9所示 。
图 3.9 恒流源式差动放大电路的简化表示法
3.2 集成运算放大器
3.2.1 集成运算放大器的基本组成集成运算放大器实质上是一个具有高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路 。
从 20世纪 60年代发展至今已经历了四代产品,类型和品种相当丰富,但在结构上基本一致,其内部通常包含四个基本组成部分：输入级,中间级,输出级以及偏置电路,如图 3.12所示 。
图 3.12 集成运放的基本组成部分图 3.13所示为集成运算放大器的电路符号。
集成运放可以有同相输入、反相输入及差动输入三种输入方式。
图 3.13 集成运算放大器的电路符号
3.2.2 集成运算放大器的主要性能指标
1.开环差模电压放大倍数 Aud
2.输入失调电压 UIO
3.输入偏置电流 IIB
4.输入失调电流 IIO
5.输入失调电压温漂 ΔUIO/ΔT和输入失调电流温漂 ΔIIO/ΔT
6.共模抑制比 KCMR
7.差模输入电阻 rid
8.输出电阻 rod
3.2.3 集成运算放大器使用中的几个具体问题
1.集成运放的选择
（ 1） 信号源的性质
（ 2） 负载的性质
（ 3） 精度要求
（ 4） 环境条件
2.集成运放参数的测试以 μA741为例,其管脚排列如图 3.14(a)
所示 。 其中 2脚为反相输入端,3脚为同相输入端,7脚接正电源 15V,4脚接负电源 -
15V,6脚为输出端,1脚和 5脚之间应接调零电位器 。 μA741的开环电压增益 Aud约为
94dB(5× 104倍 )。
图 3.14 μA741的管脚排列及估测运放的放大能力用万用表估测 μA741的放大能力时，
需接上 ± 15V电源。万用表拨至 50V挡，电路如图 3.14(b)所示。
图 3.14 μA741的管脚排列及估测运放的放大能力
3.集成运放在使用前必做的工作
（ 1） 集成运放的管脚
（ 2） 参数测量
（ 3） 调零或调整偏置电压
4.集成运放的保护集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大,使 PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接
,地,或接电源,此时,运放将因输出级功耗过大而损坏 。 因此,为使运放安全工作,也需要从这三个方面进行保护 。
（ 1） 输入保护图 3.15(a)所示是防止差模电压过大的保护电路,限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管 VD1,VD2的正向导通电压 。 图 3.15(b)所示是防止共模电压过大的保护电路,限制集成运放的共模输入电压不超过 +U至 -U的范围 。
图 3.15 输入保护电路
（ 2） 输出保护图 3.16所示为输出端保护电路,限流电阻 R与稳压管 VZ构成限幅电路,它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来,限制了运放的输出电流,另一方面也限制了输出电压的幅值 。 当然,任何保护措施都是有限度的,若将输出端直接接电源,则稳压管会损坏,使电路的输出电阻大大提高,影响了电路的性能 。
图 3.16 输出保护电路
（ 3） 电源端保护为防止电源极性接反,可利用二极管的单向导电性,在电源端串接二极管来实现保护,如图 3.17所示 。 由图可见,若电源极性接错,则二极管 VD1,VD2不能导通,
使电源被断开 。
图 3.17 电源端保护
