第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路

第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路 第3章 电流源电路和差动,又称差分,放大电路 内容提要: 本章首先讨论常用在集成运放中的几种电流源的形式及其主要应用～然后讨论差动放大电路的工作原理及计算。 本章重点: 1(镜像电流源、比例电流源、微电流源、I和I的计算。 oR 2(典型差动放大电路的工作原理及计算。 学习要求: 1(掌握电流源电路结构及基本特性～主要包括基本镜像电流源、比例电流源、微电流源～会分析其镜像关系及其输出电阻。 2(掌握差模信号、共模信号的定义与特点。 3(掌握长尾型和恒流源共模负反馈两种射极耦合～差动放大器的电路结构、特点～会熟练计算电路的静态工作点～熟悉电路的4种连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。 4. 要求会熟练分析差动放大器对差模小信号输入时的放大特性～共模抑制比。会画出微变等效电路～会计算A、R、R、K。 VdidodCMR 5(会运用晶体管工作在有源区时的大信号特性方程i=Iexp(V/V)分析研究csbet差动放大器的差模传输特性。了解基本的差动放大器线性放大的输入动态范围和扩大线性输入动态范围的。 6(定性了解差动放大器的各种非理想特性～如输入失调特性、共模输入电压范围等。 3.1 电流源电路 3.1.1 三极管电流源 电流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，如 图3.1.1所示。 对电流源的主要要求是: (1)能输出符合要求的直流电流I。 o (2)交流电阻尽可能大。 图3.1.1 三极管电流源电路 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?129? 三极管射极偏置电路由V、R、R和R组成，当V、R、R、R确定之后，基CCb1b2eCCb1b2e极电位V固定(I一定)，可以推知I基本恒定。从三极管的输出特性曲线可以看出:三Bbc VCEQR,极管工作在放大区时，I具有近似恒流的性质。当I一定时，三极管的直流电阻，cbCEICQV一般为几伏，所以R不大。 CEQCE ,vCE交流电阻为，为几十千欧至几百千欧。 r,ce,IC 3.1.2 MOS单管电流源 耗尽型MOS管组成单管电流源，如图3.1.2所示。 由交流等效电路图3.1.3得: ,i,iso,v,,iR ,gss,(i,gv)r，iR,vsmgsdsso, voR,,R，(1，gR)romdsio ? (1，gR)rmds 在分立元件电路中和某些模拟集成电路中，常用JFET接成的电流源。 图3.1.2 耗尽型MOS管电流源 图3.1.3 交流等效电路 3.1.3 基本镜像电流源 基本镜像电流源电路如图3.1.4所示。 T、T参数完全相同(即β=β，I=I)。 1212CEO1CEO2 原理:因为V=V，所以I=I BE1BE2C1C2 IC1 I,I，2I,I，2REFC1BC1, 模拟电子技术 ?130? IREFI——基准电流: I,,IREFC1C21，2/, V,VVCCBECC推出，当β>>2时，I= I?I,? C2C1REFRR 优点: (1)I?I，即I不仅由I确定，且总与IC2REFC2REFREF相等。 (2)T对T具有温度补偿作用，I温度稳定性12C2 能好(设温度增大，使I增大，则I增大，而IC2C1REF 图3.1.4 基本镜像电流源电路 一定，因此I减少，所以I减少)。 BC2 缺点: (1)I(即I)受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。 REFC2 (2)适用于较大工作电流(mA数量级)的场合。若要I下降，则R就必须增大，C2这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。 (3)交流等效电阻R不够大，恒流特性不理想。 o (4)I与I的镜像精度决定于β。当β较小时，I与I 的差别不能忽略。 C2REFC2REF 1. 带有缓冲级的基本镜像电流源,改进电路一, 图3.1.5是带有缓冲级的基本镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点(4)进行的 改进，两者不同之处在于它增加了三极管T，其目的是减少三极管T、三极管T的I对312B I的分流作用，提高镜像精度，减少β值不够大带来的影响。 R IE3,，,，,，,,IIIIIIRC1B31B1B31B1，1,3 2I2B,，,，II(),,1BB1，，11,,33 ，，，，(1)2(1)2I1313o,,,,,,,,IB，，11331,,, 1III,oC2R，，12/[(1)]图3.1.5 基本镜像电流源 13,, 此时镜像成立的条件为β(β+1)>>2，这条件比较容 13 易满足。或者说，要保持同样的镜像精度，允许T的β值相对低些。 2. 比例电流源,改进电路二, 图3.1.6是带有发射极电阻的镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点(3)进行的 改进，其中R=R，两管输入仍有对称性，所以: e1e2 1I,IoR1，2/, IR，V，IR,VRBEE1e1CC V,VCCBEI? ,IRoR，Re1 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?131? 求T的输出电阻R: 2o ,,，v(ii)riR,,oobceee2,,，,RR//(Rr)R//R? ,Be1De1 ,，，,i(Rr)iR0,bBbeee2 ,,，iiiebo, Re2 R,r，R，(,r,R)ocee2cee2r，R，R beBe2 R,e2?r， (1)cer，R，RbeBe2 输出阻值较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性。温度稳定性比基本的电流源好得多。 若此电路R不等于R，则: e1e2 V+IR=V+IR BE1E1e1BE2E2e2 (式中，I即I，I即I) E1RE2o (V,V)，IRBE1BE2Re1I? o图3.1.6 镜像电流源及其等效电路 Re2 参数对称的两管在I相差10倍以内时，C |V-V|<60mV。 BE1BE1 所以，如果I与I接近，或I较大，则ΔV可忽略。 oRRBE Re1? IIoRRe2 即只要合理选择两T射极电阻的比例，可得合适的I、R。因此，此电流源又称为比oo 例电流源。 3.1.4 微电流源 有些情况下，要求得到极其微小的输出电流I，这时可C2令比例电流源中的R=0，如图3.1.7即可以在R不大的情况e1e2下得到微电流I。 C2 原理:当I一定时，I可确定为: Ro V,V,IR,,V BE1BE2E2e2BE V,V,VBE1BE2BEI,,? IoE2RRe2e2 可见，利用两管基-射电压差ΔV可以控制I。由于ΔVBEBEo 图3.1.7 微电流源电路 的数值小，用阻值不大的R即可得微小的工作电流——微电e2 流源。 R,e2R,r， (1)ocer，R，Rbe15e2 微电流源特点: 模拟电子技术 ?132? VCC(1)T，T是对管，基极相连，当V、R、R已知时，?(略去V)，I12CCe2BEREFR ,VBE当V、V为定值时，也确定了。 I,BE1BE2C2Re2 (2)当V变化时，I、ΔV也变化，由于R的值一般为千欧级，变化部分主要CCREFBEe2降至R上，即ΔV<<ΔV，则I的变化远小于I的变化。因此电源电压波动对工作e2BE2BE1C2REF电流I影响不大。 C2 (3)T管对T管有温度补偿作用，I的温度稳定性好。总的说来，电流“小”而“稳”。12C2 小——R不大时I可以很小(微安量级)。稳——R(负反馈)使恒流特性好，温度特性C2e2好，受电源变化影响小。进一步，电流的数学关系为: IR=V-V oe2BE1BE2 V/VBET而 I?Ie Cs IC V,VlnBETIs IIC1C2IR,V(ln,ln)oe2TIIss IC1,26(mV)lnIs I26(mV)C1 I,lnoRIe2C2 IC1若 ,10IC2 则 I R=26ln10?60mV C2e 即电流每增加10倍，IR总是增加60mV。因此得到电流每增加10倍，R上的电压C2ee 增加60mV的简单数学关系式，使计算十分方便。 思考:若要求提供10µA的输出电流，使用V=6V的电源，R=19kΩ，你如何设计这CC个电流源, V,V263006,0.7CCBE1R,ln,8.8kΩ， I,,,0.3mA2REF,3310，1010R19，10 3.1.5 串接电流源 为获得更高的输出电阻，利用T，T组成的基本电流源代替R，R，主要是用T34e1e24 的输出电阻代替R。由图3.1.8得: e2 VV,2CCBEI, RR IIoo,I,(，1)I，,I， RB1E1,, 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?133? IC4,,I,2I，I,(2，)I,(2，) E1BC3B, Io,,I,(1，)I,(1，)C4B2 , I1,,II?on421，4/, ，2,, 再由电路图及等效电路图3.1.9可求出输入电流I及输出电阻R。 oo 图3.1.8 串接电流源电路图 图3.1.9 等效电路图 r,ce4r(1，)?? (1，,)rRce2oce2R，r，rBbe2ce4 3.1.6 电流源的主要应用 前面曾提到，增大R可以提高共射放大电路的电压增益，但是，R不能很大，因为在cc 集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，R越大，导致输出c幅度越小。那么，能否找到一种元件代替R，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态c 电阻较小，因而不致于减小输出幅度呢,自然地，可以考虑晶体管恒流源。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中较为广泛地把它作负载使用——有源负载，如图3.1.10所示。 其等效电路如图3.1.11所示。 图3.1.10 镜像电流源作为T集电极R 图3.1.11 等效电路图 1c 从等效电路可知，电流源提供了比较大的R，这样，可使A达到甚至更高。 cV 模拟电子技术 ?134? ,(r//r//R)ce1ce2L R,r//r,,AVoce1ce2rbc1 电流源也可用作射极负载(R)。 e 练习题 1. 在图3.1.12的小镜像恒流源电路中，已知V=30V，电阻R=30kΩ，V=0.6V，T=300K，CCbe要求输出电流I为10µA。试确定R的值。 oe 答案 R=11.9kΩ e 2. 在图3.1.13镜像恒流电路中，三极管T、T、T完全对称。 123 (1)试求输出电流I与参考电流I之间的关系; oR (2)已知R=13.8kΩ，V=15V，V=0.6V，β很大，试求输出电流I的数值。 CCbeo 图3.1.12 小镜像恒流源电路 图3.1.13 镜像恒流电路 答案 2,,，I=1mA II(1)ooR2,，,，22 3.2 差动放大电路 3.2.1 基本差动放大电路 在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题，抑 制零漂的方法一般有如下几个方面: (1)选用高质量的硅管。 (2)采用补偿的方法，用一个热敏元件，抵 消I受温度影响的变化。 C (3)采用差动放大电路。 本节详细讨论差动放大器的工作原理和基本 性能，如图3.2.1所示。 基本差动式放大器如图3.2.1所示。 图3.2.1 基本差动式放大器 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?135? T、T——特性相同的晶体管。电路对称，参数也对称，如: 12 V=V=V，R=R=R， BE1BE2BEc1c2c =R=R， R=R=R，Rb1b2bs1s2s β=β=β; 12 电路有两个输入端:b端，b端;有个输出端:c端，c端。 1212 在分析电路特性之前，必须熟悉两个基本概念——共模信号和差模信号。 1. 差放有两输入端,可分别加上输入信号v、v s1s2 若v=-v——差模输入信号，大小相等，对共同端极性相反的两个信号，用v示。 s1s2sd 若v=v——共模输入信号，大小相等，对共同端的极性相同，按共同模式变化的信s1s2 号，用v表示。 sc 实际上，对于任何输入信号和输出信号，都是差模信号和共模信号的合成，为分析简便，将它们分开讨论。 考虑到电路的对称性和两信号共同作用的效果有: 1111vsdv v,v，v，v,v,v，s1?s1s1s2s1s2sc22222 1111vsdv v,v，v,v，v,v,s2?s2s1s2s1s2sc22222 于是，此时相应的差模输入信号为: v=v-v差模信号是两个输入信号之差，即v、v中含有大小相等极性相反的一对sds1s2s1s2 信号。 共模信号:v=(v+v)/2 共模信号则是二者的算术平均值，即v、v中含有大小相s2scs1s2s1等，极性相同的一对信号。即对于差放电路输入端的两个任意大小和极性的输入信号vs1和v均可分解为相应的差模信号和共模输入信号两部分。 s2 例:如图3.2.2所示，v=5mV，v=1mV，则v=5-1=4mV，v=0.5(5+1)=3mV。 s1s2sdsc 也就是说，两个输入信号可看作是 1v,v，v s1scsd2 1v,v,v s2scsd2 v=5mV?3mV+2mV s1 v=1mV?-3mV+2mV s2 差模输入信号v=4mV和共模输入信号sd v=3mV叠加而成。 sc 2,差模信号和共模信号的放大倍数 放大电路对差模输入信号的放大倍数称为 差模电压放大倍数A:A=v/v。 VDVDosd 放大电路对共模输入信号的放大倍数称为图3.2.2 差动式放大电路 共模电压放大倍数A:A=v/v。 VCVCosc 模拟电子技术 ?136? 在差、共模信号同存情况下，线性工作情况中，可利用叠加原理求放大电路总的输出电压v。 o v=Av+Av oVDsdVCsc 例:设有一个理想差动放大器，已知:v=25mV，v=10mV，A=100，A=0。差模s1s2VDVC输入电压v=___mV;共模输入电压v=___mV;输出电压v=___mV。 sdsco 答案 v=v-v=15mV sds1s2 v=(v+v)/2=35/2=17.5mV，v=Av+Av scs1s2oVDsdVCsc =100×15+0×17.5 =1500mV 3.2.2 差放电路的工作原理 1(静态分析，因没有输入信号，即v=v=0s1s2 时，由于电路完全对称: ii,i,i,c1c2c2 Ri,Ri c1c1c2c2 v,v,v,0oc1c2 所以输入为0时，输出也为0。 vsd2. 加入差模信号时，即。 v,,v,s1s22 从电路看:v增大使得i增大，使i增大b1b1c1 使得v减小。v减小使得i减小，又使i减小，c1b2b2c2图3.2.3 差动式放大电路 使得v增大。 c2 由此可推出: v=v-v=2v(v为每管变化量)。若在输入端加共模信号，即v=v。由于电路的对oc1c2s1s2称性和恒流源偏置，理想情况下，v=0，无输出。 o 这就是所谓“差动”的意思:两个输入端之间有差别，输出端才有变动。 3. 在差动式电路中，无论是温度的变化，还是电流源的波动都会引起两个三极管的ic及v的变化。这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，理想情况下，v不变从而抑co制了零漂。当然实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的，但输出漂移电压将大为减小。 综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的基本特征。通常情况下，我们感兴趣的是差模输入信号，对于这部分有用信号，希望得到尽可能大的放大倍数;而共模输入信号可能反映由于温度变化而产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰信号，对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。 常见的有: 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?137? (1)v不等于-v，信号中含有共模信号;(2)干扰信号(通常是同时作用于输入端); i1i2 (3)温漂。 ii,i,i,c1c2c2 v,v,V,iRc1c2CCcc 静态估算: iici,i,,i,b1b2b,2, v,v,,iRb1b2bs 3.2.3 差放电路的动态分析 差放电路有两个输入端和两个输出端。同样，输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来，有4种连接方式:双端输入双端输出、双入单出、单入双出、单入单出。 1,双入双出 vsd(1)输入为差模方式:，若i上升，而i下降。电路完全对称时，则v,,v,c1c2S1S22 |Δi| =|Δi|因为I不变，因此Δv=0(v=v，v=v)。 c1c2eo1c1o2c2 vv,v2vvR,oo1o2o1o1cA,,,,,, VDvv,v2vvR，rsds1s2s1s1sbe 即A=A(共发射单管放大电路的放大倍数)。 VC1 有负载R时 L R',LA',,VDR，rsbe (R',R//R/2)LcL 图3.2.4 差动放大器共模输入交流通路及其等效电路 因为R的中点是交流地电位，因此在其交流通路中，电路中线上各点均为交流接地，L 由此可画出信号的交流通路如图3.2.4所示，由上面的计算可见，负载在电路完全对称，双入双出的情况下，A=A，可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。 VD1 差模输入电阻R——从两个输入端看进去的等效电阻R=2r。 iibe 差模输出电阻R的值为R=2R ooc 模拟电子技术 ?138? R、R是单管的两倍。 oi (2)输入为共模方式:v=v，此时变化量相等，v=v s1s2c1c2 vv,vv,voo1o2c1c2 A,,,,0VCvvvscscsc 实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样，A也很小，放大电路的抑制共模VC能力还是很强的。 2,双入单出 对于差模信号: 由于另一三极管的c极没有利用，因此v只有双出的一半。 o R'11,LA,A,,VD122R，r sbe (R',R//R)LcL 差模输入电阻: 由于输入回路没变， R=2r ibe 差模输出电阻: R=R。 oc1 对于共模信号，因为两边电流同时增大或同时减小，因此在e处得到的是两倍的i。e v=2iR，这相当于其交流通路中每个射极接2R电阻。(R——恒流源交流等效电阻) eeeee vo1A,VCvsc ,R'L ,,,R，r，(1，)2Rsbee R'L,,2Re 当R上升，即恒流源越接近理想的情况，A越小，抑制共模信号能力越强。 eVC 3,单入双出、单出 若v=v,0，则i增大，使i也增大，v增大。由于T的b级通过R接地，如图3.2.6s1ic1e1e2s所示，则v=0-v=-v，所以有v减小，i也减小。整个过程，在单端输入v的作用下，BE2eeBE2c2s两T的电流为i增加，i减少。所以单端输入时，差动放大的T、T仍然工作在差动 c1c212状态。 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?139? 图3.2.5 2R为等效电阻 图3.2.6 单端输入、双端输出电路 e 从另一方面理解:v=v，v=0将单端输入信号分解成为一个差模信号v和共模信号vs1is2sdsc v,v,v,vsds1s2i ()v，vvs1s2iv,,sc22 将两个输入端的信号看作由共模信号和差模信号叠加而成，即: v，vvvscsdiiv,,，s1222 v,vvvscsdiiv,,,s2222 电路输出端总电压为:v=Av+Av oVCscVDsd 经过这样的变换后，电路便可按双入情况分析: R,L AA,,,0，VCVDRr，sbe (1)如为双端输出，则似双入双出中分析: (//0.5)RRR,LcL vAvAv,,oVDsdVDi 即可看为单入双出时的输出v与双入双出相同。 o (2)如为单端输出(设从T，c极输出)，则似双入单出中分析 1 ,R'R'LLA,,,? VC2RR，r，(1，,)2Resbee (R',R//R)LcL ,RLA,, VDR，r2()sbe Av，AvVDiVCiv,Av，Av,oVDsdVCsc2 (3)差模输入电阻: 当R很大时(开路)，可近似认为R与差动输入时相似R?2r eiibe(4)输出电阻: 双出:R=2Roc 单出:R=R oc 注:对于单入单出的情况，从T的c极输出，和从T的c极输出时输入，输出的相位关系是不同的。 12 从T的c极输出如图3.2.7所示。 1 设v的瞬时极性大于零，则i增大，v减小，所以输出与输入电压相位相反，所以ic1c1 A<0。 VD 从T的c极输出如图3.2.8所示。 2 设v的瞬时极性大于零，则i增大，v增大，使得v减小，所以i减小，v增大，ic1eBE2c2c2 输入输出相位相同。所以A>0。 VD 由以上分析可知在单入单出差放电路中，如果从某个三极管的b极输入，然后从同一 模拟电子技术 ?140? 个T的c极输出，则v和v反相;如果从另一T的c极输出，则v和v同相。顺便提一下，oioi在单出的情况下，常将不输出的三极管的R省去，而将T的c极直接接到电源V上。 cCC 图3.2.7 从T的c极输出 图3.2.8 从T的c极输出 123.2.4 共模抑制比 共模抑制比K是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。 CMR AVDK,定义: ||CMRAVC 有时用分贝数表示: AVDK, 201g||dBCMRAVC A越大，A越小，则共模抑制能力越强，放大器的性能越优良，所以K越大越好。 VDVC 在差放电路中，若电路完全对称，如图3.2.9所示，则有: 图3.2.9 基本差动放大电路在共模输入时的交流通路 (1)双端输出时，K趋于无穷(A?0)。 CMRVC (2)单端输出时， A,RVDeK,||? CMRAR，rVCsbe 由此得，恒流源的交流电阻R越大，K越大，抑制共模信号能力越强。 e 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?141? v,Av，AvoVDsdVCsc AVD,Av，vVDsdscK v/vscsd(1),Av，VDsdKCMR 由此知，设计放大器时，必须至少使 K>v/v。例如:设K=1 000，v=1mV，CMRscsdCMRsc v/vscsdv=1µV，则。 ,1sdKCMR 000时，两端输入信号差为1µV时所得输出v与两端加同极性信号这就是说，当K=1 o 1mV所得输出v相等。若K=10 000，则后项只有前项1/10，再一次说明K越大，抑制oCMR 共模信号的能力越强。 例题一 设长尾式差放电路中～R=30kΩ～R=5kΩ～R=20kΩ～V=V=15V～β=50～cseCCEE r=4kΩ。本题电路如图3.2.10所示。 be ,1,求双端输出时的A, VD ,2,从T的c极单端输出～求A、A、K, 1VDVCCMR ,3,在,b,的条件下～设v=5mV～v=1mV～求v, s1s2o ,4,设原电路的R不完全对称～而是R=30kΩ～R=29kΩ～求双出时的K。 cc1c2CMR解: (1)双出时: R50，30,cA,,,,VDR，r5，4 sbe ,,166.7 (2)单出时，A为双出时的一半: VD R,1150，30c A,,,,,,83.3VD2R，r25，4sbe ,R,50，30cA,,,图3.2.10 长尾式差放电路 VDR，r，2(1，)R5，4，2，51，20,sbee ,,0.732 AVD K,||,113.8CMRAVC (3) v=5mV，v=1mV s1s2 则 v=v-v=5-1=4mV sds1s2 v=0.5(v+v)=0.5×(5+1)=3mV scs1s2 v=Av+ Av=(-83.3×4)+(0.732×3) =-335.4mV ovdsdvcsc (4)R不等于R，则 c1c2 模拟电子技术 ?142? RR1,1,c1c2A,,,VD2R，r2R，rsbesbe 50，(30,29),,,163.95，4 RR,,c1c2A,,，VCRrRRrR2(1)2(1)，，，，，，,,sbeesbee 50(3029)/(5425120),,，,，，，， 0.0244,, AVD 所以 K,,||6717CMRAVC 结果说明，在双出时，若参数有差别，由于利用了两个T的输出电压的互相抵消作用， 因此|A|仍比单出时小得多;而|A|比单出大。所以K比单出时高得多。 VCVDCMR 例题二 改进型差放电路,它用电流源代替a长尾R～并加电位器R～用于调整RePc 不对称的情况。,集成运放BG305的输入级如 图3.2.11所示～各T的β=β=30～β=β=β=β=50～123456 各T的v=0.7V～R=100kΩ～R =50kΩ～R=10kΩBEbcP ,滑动端调至中点,～R=1kΩ～R即第二级的ReLi为23.2kΩ。 求: ,1,该放大级的静态工作点, ,2,差动放大倍数A, VD ,3,差动输入电阻R～差动输出电阻R。 io 解: (1)当T的基极电流可忽略时，流过R的电5b 流为: 图3.2.11 改进型差放电路 V,(,V),V15，15,0.7CCCCBE6I,,?0.3mA R，R100，1be V，I,V0.7，0.3,0.7BE6R1BE5则I? I,,,0.3mAE5C5R1e I,I,0.5，I,0.5，0.3=0.15mA=150μA C3C4C5 6.75VV,V?V,I(R，0.5R),15,0.15，55? C3C4CCC3CW I150C33μA ,,,,,,IIIIE1E2B3B4,503 I3C1?0.1μA=100nA I,I,B1B230,1 (2) 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?143? 图3.2.12 T、T复合为一个三极管 13 ? rrr,，，(1),,，,,13bebe1be3 由I=3μA，I=0.15mA E1E3 265126，9.1kΩ200(1)200? ,r,r,，，,，bebe3340.15IE3 30，50则 ???1500 r,，，269319.1551kΩ，,be RL,(0.5)//RR，cP15009.6，2,26? A,,,,VDr551be (3) R=2r=2×551kΩ=1.1MΩ ibe R=2R+R=110kΩ ocP 例题三 如图3.2.13所示～利用镜像电流源还可使单端输出的差放A提高近一倍～VD静态时:I=I=I/2～I?I=I?I?I=I-I=0～v:有i～i=-i。 C1C2C3C1C4C2oC4C2idc1c2c1解:电流源i=i?i?i=i-i，i=i-(-i)=2i，即输出电流比单端输出时大了 c3c4c1oc4c2ssc1c1c1 一倍。 vvv,o1o2o2A,,,VDvvidid ir,c4ce4 ,2ir,b1be1 ,RL,rbe1 例题四 JFEF组成的差放电路如图3.2.14所示～计算双入双出差模放大倍数A和单VD端共模放大倍数A。 VC 图3.2.13 单端输出差放电路 模拟电子技术 ?144? 图3.2.14 共模输入信号等效电路 图3.2.15 关系曲线 ,vgR,vgRv,vgsmDgsmDo1o2解:A,,,,gRVDmDv,vv,(,v)i1i2gsgs ,vgRvgRgsmDo1mDA,,,, vcvvvgRgR，，2122icgsgsmsms 3.2.5 差放电路的传输特性 1. 传输特性 传输特性，指输出信号随输入信号变化而改变的曲线，如图3.2.16所示，此关系曲线可由下面推导而得(由于工作范围逐步扩大，微变等效不适用，因此从基本关系出发): 对于基本差动式放大电路，利用三极管的b-e结V与i间的基本关系有: BEE(v,v)/vs1ETIe? iE1s(v,v)/vs2ETIe? isE2 i()/vvv,E1B1B2T? ,eiE2 图3.2.16 差动放大器电路及关系曲线 恒流源电流为i和i之和。 E1E2 I,i，iEEE1E2 iE2,i(1，) E1iE1 ,(v,v)/vB1B2T,i[1，e]E1 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?145? ,(v,v)/vB1B2T ? i[1，e]c1 由图3.2.16左图可知: v=v-v=v-vsds1s2BE1BE2 IEEi,c1所以-vV/sdT1e， vV/sdTeIEE,vV/sdT1e， 同理可求: IEE i,c2v/VsdT1e， 以V/V为横坐标，以归一化电流i/I和i/I为纵坐标可得出如图3.2.16所示的曲sdTc1EEc2EE 线，又 Iv/VEEsdT ,,(e,1)iic1c2v/VsdT1，ev/2VsdT分子分母同乘可得: e/2/2vV,vVsdTsdTe,ei,i,Ic1c2EE/2/2vV,vVsdTsdT e，e ,Ith(v/2V)EEsdT 2(关系曲线的作用 (1)当v=0电路处于静态时 i IEEi,i, c1c22 i=i-i=0 cc1c2 v=0， o 反映了差放电路的本质。 (2)在v=v=?v=?26mV范围内电流和电压有良好的线性关系，差动放大器比单idsdT 管放大器非线性关系小。 (3)当输入电压超过?4v=?100mV后，按原来曲线已进入非线性阶段，两个放大T 管的电流几乎不再随输入电压变化，一个T饱和，另一个T截止，差动电路工作在非线性区，这是很有用的限幅特性，可用来构成比较电路，信号产生电路等。 v1i,i,i,I th()cc1c2EEV2T 其函数关系如图3.2.17所示。 讨论 (1)两管集电极电流之和恒等于I，因此i上升必然i下降;静态时v=0，静态EEc1c2sd IEEi,i,i,i,点Q为二线交点处。 c1cq1c2cq22 (2)差模传输特性是非线性的，服从双曲线正切函数变化规律: 模拟电子技术 ?146? v,v,voc1c2 ,V,iR,(V,iR)CCc1cCCc2c ,,(i,i)R,,iRc1c2ccc 当v很小时，|v|正比于|i|，因此，|v|正比于|v|。其变化规律如图3.2.18所示。 iocoi 由图3.2.18看出: 当v=0电路处于静态时 i IEEi,i, c1c22 i=i-i=0 cc1c2 v=0， o 反映了差放电路的本质。 当v?0，且v很小时，i上升i下降，在放大线性区内，?v正比于?v。 iic1c2oid当v大一些时，曲线已进入非线性阶段，一个T饱和，另一个T截止(一般v?2viiT 以后，在v>1/2v内有很好的线性关系，v=v近似为线性关系)。差动电路工作在非线性iTiT 区时，可用来构成比较电路、信号产生电路等。 利用差放的限幅特性可构成许多功能的电路。 电流开关为其中一种，如图3.2.19所示。 图3.2.17 限幅特性 图3.2.18 差模传输特性曲线 T:V=v=+3V，T的基极输入电压为v。 2BR1i 工作原理: 当v=2V(低电平)，v=v-v=-1V。此时T止，T通(I全流过T)。 iidiR12E2 v=V=12V o1CC v=V-IR=6V o2CCEc 当v=4V(高电平)，v=v-v=-1V。此时，T通，T止。v=6V，v=12V。 iidiR12o1o2分析表明，在v作用下，恒定电流交替拨向T管和T管，好似一个开关称为电流开i12 关电路。 其主要优点: 开关速度快(T交替工作在截止、放大状态，不会进入饱和区，避免了因饱和带来的储存时间)。 注:差放工作于大信号状态时，v受截止管发射结反向击穿电压V的限制不能无限加大。 idm(BR)EBO如图3.2.20所示，电路中有: 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?147? v=V- V=V+(-V)-(V-V) idI1I2BE1EEBE2EE =V-V=V+V BE1BE2BE1E2 v>V+V，T的e极击穿。 IDBE1(ER)EBO2 同理，共模输入最大值也有限制。如图3.2.21所示，当v上升到使v=v时，两三极icc1c2管进入饱和区。或|v|上升(负向增加值)到使偏置电流源输出管进入饱和区时，I下降。icE这两种情况都使差放失去对共模信号的抑制能力。 3,差放线性范围的扩展 许多情况下，差放输入信号的幅度比V大得多，明显超过其线性输入范围。为实现不T 失真放大，需要扩展线性范围。办法是在两管射极下接入负反馈电阻R=R=R，如图3.2.22e1e2e所示。 图3.2.19 电流开关电路 图3.2.20 T的e极击穿 2 图3.2.21 共模输入最大值受限 图3.2.22 接入射极电阻 图3.2.23中，曲线变平则线性范围扩大，曲线斜率下降则电压增益下降。因此，R的e选择要兼顾线性范围与电压增益两方面要求。 模拟电子技术 ?148? 图3.2.23 增加射极电阻后的关系曲线 3.2.6 差动放大电路Pspice例题 Pspice例题 差分式放大电路如图3.2.24所示，电路参数如图，Q2N3904的β=100，运用Pspice分析该电路。 (1)输入取频率为1kHz，幅值为10mV的正弦信号，绘出差模输入时，输出电压vo1和v的波形，并绘出v=v的波形; v-o2oo1o2 (2)输入取频率为1kHz，幅值为100mV的正弦信号，绘出共模输入时，输出电压vo1波形，v的波形，并绘出v=v-v的波形。 o2oo1o2 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?149? 答案 (1)v和v波形，v波形; o1o2o 图3.2.24 差分式放大电路 图3.2.25 v和v的波形 o1o2 图3.2.26 v=v-v的波形 oo1o2 (2)v波形，v波形，v波形。 o1o2o 模拟电子技术 ?150? 图3.2.27 v的波形 o1 图3.2.28 v的波形 o2 图3.2.29 v=v-v的波形 oo1o2 3.2.7 小结 本章由电流源和差动电路两部分组成，它们都是集成运算放大器的重要组成部分。 (1)对电流源的主要要求是等效微变电阻要大，温度变化稳定度要好，器件参数变化时电流稳定性要高，并在特殊场合下要求电流值可以控制。本章对三极管、MOS管电流源、基本镜像电流源、比例电流源、微电流源等工作原理和过程作了较为深入地探讨。 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?151? (2)对差动放大电路，主要探讨了差动放大电路在各种情况下的放大倍数，输入输出电阻计算。主要是围绕抑制零点漂移展开的。所谓零点漂移，是指v=0时无交流输入，而s放大器输出端出现静态电压的波动，差动放大为此而生，其主要利用两管特性的对称和共模负反馈来抑制。按输入输出方式分: 类 型 A R R VDidod 双入双出 A 2(r+R) 2R V1besc 单入双出 A 2(r+R) 2R V1besc 双入单出 A/2 2(r+R) 2R V1besc 单入单出 A/2 2(r+R) 2R V1besc AVDA为单边放大倍数，即单管放大倍数共模输入时，可用K,来衡量，要求越||V1CMRAVC大越好，最后还对差动放大传输特性作了简要介绍。 3.3 习 题 习题一 图3.3.1 1. 如图3.3.1所示，由于电流源中流过的电流恒定，因此等效的交流电阻____。 A.很大 B.很小 2. 如图3.3.1所示，由于电流源中流过的电流恒定，因此等效的直流电阻____。 A.很大 B.不太大 C.等于零 3. 比较图3.3.2中所示三极管电流源、场效应管电流源，试指出在一般情况下，哪种形式的电路更接近 理想恒流源, 4. 上题中，哪个电路的输出电阻可能最小, 5. 放大电路产生零点漂移的主要原因是____。 A. 温度变化引起参数变化 B. 采用了直接耦合方式 C. 晶体管的噪声太大 D. 外界存在干扰源 6. 在差放电路中，用恒流源代替R是为了____。 e 模拟电子技术 ?152? A. 提高差模放大倍数 B. 提高共模放大倍数 C. 提高共模抑制比 D. 提高差模输出电阻 图3.3.2 7. 电流源常用于放大电路，作为____(A.有源负载，B.电源，C.信号源)，使得放大倍数____(A.提高， B.稳定)。 习题二 1. 恒流源在集成电路中除作偏置电路外，还可以作为放大电路的____，以提高电压增益。 2. 对称的差动放大电路如图3.3.3所示，电位器R的滑动端位于中点，则(1)差模放大倍数V/V=_____;wADid (2)共模放大倍数V/V=;(3)整个放大电路的共模抑制比K(以双端输出计算)=____;(4)ADicCMR 差模输入电阻R=_____，输出电阻R=____。 idod 3. 图3.3.4是一个单端输出的差动放大电路，则___端是同相输入端;___端是反相输入端。 4. 图3.3.5的电路中，T、T特性相同且β很大，V=0.6V，则I=___，V=___。 12BEc2CE2 图3.3.3 图3.3.4 图3.3.5 5. 设差放电路的两个输入端对地的电压分别为v和v，差模输入电压为v，共模输入电压为v，则当i1i2idic 第3章 电流源电路和差动(又称差分)放大电路 ?153? v=50mV，v=50mV时，v=___，v=___;当v=50mV，v=-50mV时，v=___，v=___;当v=50mV，i1i2idici1i2idici1 v=0V时，v=___，v=___。 i2idic 习题三 1. 电路如图3.3.6所示。设场效应管的g和三极管的β、r均已知，求:(1)列出静态电流I、ImbeD1D2 的表达式;(2)列出差模电压放大倍数A、输入电阻R和输出电阻R的表达式;(3)列出由TVDio1 漏极输出时(电路的连接方式不变)的差模电压放大倍数A、共模电压放大倍数A的表达式。 VDc2. 图3.3.7所示为双端输入-单端输出的差动放大电路，各晶体管参数相同:β=50，V=0.7V，=300Ω。rBE’,bb 静态电流I=I=1mA。(1)若负电源提供的电流I=3mA，求R和R的数值;(2)求差模放大倍E1E245 数A和输入电阻R;(3)设恒流源部分的等效电阻R=760kΩ，计算共模放大倍数A和共模抑制VDiABc 比K。 CMR 图3.3.6 图3.3.7 3. 图3.3.8是某集成运放输入级的电路原理图，已知三极管的β均为100，三极管的V和二极管的管压BE 降均为0.7V。(1)估算静态工作点;(2)估算差模电压放大放大倍数A;(3)估算差模输入电VD 阻r和输出电阻r(设流过电阻R的电流远大于恒流管T的基流)。 idob13 图3.3.8 模拟电子技术 ?154?