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1、q 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。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。vi1=vic+vid/2vi1=vic-vid/2即第 4 章放大器基础第1页/共69页q 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
2、 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 章放大器基础第2页/共69页q 差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 双端输出电路 REE 对差模视为短路。iC2=ICQ-iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ(不变)故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RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流
3、通路 第3页/共69页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 章放大器基础半电路差模交流通路 RC+-vod1+-vid1RL2T1ii第4页/共69页 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。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不变减小减小第 4 章放大器基础RC+-vod1=vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路第5页/共69页q 共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 双端输出电路每管发射极接 2REE。iC2
4、=ICQ+iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则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 0。第 4 章放大器基础半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE第6页/共69页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 章放大器基础半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE第7页/共69页 单端输出电路 T1+-+-VCCRE
5、Evi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别:仅在于对 RL 的处理上。不变第 4 章放大器基础半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL第8页/共69页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:T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 一般射极电阻 REE 取值较大因此很小。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 章放大器基础第9页/共69页差放性能指标归纳总结 Rid 与电路输入、输出方式无关。Rod 仅与
6、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 章放大器基础第10页/共69页q 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提高 IEE(即增大 gm)、增大 REE提高 KCMR第 4 章放大器基础第11页/共69页 普通差放存在的问题:q 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T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大第 4 章放大器基础第12页/
7、共69页 双端输出时 单端输出时q 任意输入时,输出信号的计算其中其中第 4 章放大器基础第13页/共69页例:图示电路,已知 =100,vi=20sint(mV),求 vo。解:T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6 k10 k10 k(12 V)(-12 V)(1)分析 Q 点(2)分析 Avd2、Avc2由于则(3)计算 vo由于则第 4 章放大器基础第14页/共69页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:q 双端输出时的 KCMRT1、T2 两管集电极电阻 RC 不相等或 T1、T2 两管的 及 VBE(on)不对称例如产生运算误差理想情况实
8、际情况由于则因此第 4 章放大器基础第15页/共69页由两管参数不对称(如 VBE(on)、IS、RC 不等)引起失调。q 失调及其温漂 输入失调电压 VIOT1T2实际差放+-VO 0零输入时等效为理想差放+-VOVIO+-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 章放大器基础第16页/共69页两管 不等,造成 ICQ1 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:T1VCCREEVEERCRCT2RSRSIBQ1IBQ2若
9、取则第 4 章放大器基础第17页/共69页 失调模型总输入失调电压当 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T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS第18页/共69页 调零电路T1VCCREEVEERCRCT2RSRSVEE+-VORW(发射极调零电路)T1VCCREERCRCT2RSRSVEE+-VORW(集电极调零电路)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 章放大器基础第19页/共69页 VI
10、O 和 IIO 的温漂若环境温度、电源电压等外界因素变化:三极管参数变化VIO 和 IIO 变化。其中温度变化引起的温漂最大。可以证明: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 章放大器基础第20页/共69页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。q 双极型差放的差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称则得第 4 章放大器基础第21页/共69页差
11、模传输特性曲线1OiC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEEOiC1-iC2vID/VTIEE-IEE可以证明:当|vID|26 mV 时,差放线性工作(单管电路 vI 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 章放大器基础第22页/共69页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。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3保证 T1、T2、T3 管工作在放大区,所对应的最大共模输
12、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 章放大器基础第23页/共69页q 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T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI2第 4 章放大器基础第24页/共69页可以证明:当|vID|2)第27页/共69页 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由得知,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。
13、RO=rce2第 4 章放大器基础得知,则得第28页/共69页q 减小 影响的镜像电流源T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 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 章放大器基础第29页/共69页q 比例式镜像电流源T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2 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。由(较大)(较大)得当时,得式中第 4 章放大器基础第30页/共69页q 微电流源T1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电流源中的 R1=0
14、。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 章放大器基础第31页/共69页q 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。T1VCCT2IRIOT3VSS若T1 T2 性能匹配,工作在饱和区宽长比分别为(W/l)1、(W/l)2根据,得其中第 4 章放大器基础第32页/共69页有源负载差分放大器 T1、T2 构成的镜像电流源代替 RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC
15、2vi2 电路组成:T3、T4 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 章放大器基础第33页/共69页T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 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 章放大器基础第34页/共69页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
16、态输入、输出电位均为零。集成运放电路符号反相输入端同相输入端输出端v-v+vo+-第 4 章放大器基础第35页/共69页 集成运放电路组成由于实际电路较复杂,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。输入级中间增益级输出级偏置电路采用改进型差分放大器采用 1 2 级共发电路 采用射随器或互补对称放大器采用电流源第 4 章放大器基础第36页/共69页q 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
17、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
18、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
19、的电压放大器件。第 4 章放大器基础第37页/共69页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。q 传递函数和极零点复频域分析法输入激励信号 x(t)输出激励信号 y(t)若设拉氏变换X(s)Y(s)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 4 章放大器基础第38页/共69页 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
20、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。C1C2C3图示闭合回路,极点数=2说明第 4 章放大器基础第39页/共69页1)写出电路传递函数表达式 A(s)q 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 章放大器基础第40页/共69页q RC 低通电路频率响应 CR+-+-vi(t)vo(t)由图,传递函数表达式:时间常数式中,令 s=j,则频率特性表达式:幅值:或相角:第 4 章放大器基础第41页/共69页Op0.1p10pAv
21、()/dB-20-3Op0.1p10pA()-45-90-5.7 绘制渐近波特图:根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法:幅频 p 时,=p 时,相频 10p 时,=p 时,-20 dB/10 倍频-45/10 倍频第 4 章放大器基础第42页/共69页 确定上限角频率:Op0.1p10pAv()/dB-20Op0.1p10pA()-45-90-20 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
22、倍频),再经 10p 处转折为-90 的水平线。因 =p 时,H=p第 4 章放大器基础第43页/共69页q RC 高通电路频率响应 由图,传递函数表达式:时间常数式中,令 s=j,则频率特性表达式:幅值:相角:CR+-+-vi(t)vo(t)下限角频率:因 =p 时,L=p第 4 章放大器基础第44页/共69页Op0.1p10pA()4590 绘制渐近波特图:根据画出幅频波特图画出相频波特图Op0.1p10pAv()/dB-2020 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:0.1p:90 的水平线。0.1p 1
23、0p:0 水平线。第 4 章放大器基础第45页/共69页q 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C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3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 R1 C1 R2 C2 R3 C3。第 4 章放大器基础第46页/共69页 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。假设Op20.1p110p3A()-90p1p3-180-270Op2p1p3Av()/dB204060-20p3-20 dB/10 倍频-40 dB/十倍频-60 dB/十倍频-45/10 倍
24、频-90/十倍频-45/十倍频第 4 章放大器基础第47页/共69页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 章放大器基础第48页/共69页 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 章放大器基础第49
25、页/共69页高频工作,考虑三极管极间电容影响时,为频率的复函数。q 三极管频率特性参数rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bebcIb(s)Ic(s)根据定义经推导得其中 指()下降到中频 的 0.707 倍时对应的角频率。共发电路截止角频率 第 4 章放大器基础()O第50页/共69页当 =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T1()O第51页/共69页 指()下降到中频 的 0.707 倍时对应的角频率。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
26、表性的是特征角频率 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 章放大器基础第52页/共69页设原四端网络传递函数:q 密勒定理共发放大器的频率响应 网络+-+-V1(s)V2(s)Y(s)网络+-+-V1(s)V2(s)Y1(s)Y2(s)密勒定理等效后:第 4 章放大器基础第53页/共69页q 单向化近似高频等效电路 rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ecIc(s)由等效电路整理得单向化近似条件则第 4 章放大器基础共发交流通路 RC+-vo+-vsRLRS+-vi第54页/共69页q 共发高频等效电路及密
27、勒近似密勒等效rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)Y1(s)Y2(s)高频等效电路 rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ec第 4 章放大器基础第55页/共69页rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)CM1CM2简化等效电路中:密勒效应倍增因子:CtgmVbe(s)bRt+-RL+-由简化等效电路得式中q 共发电路频率响应第 4 章放大器基础第56页/共69页q 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
28、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 )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 章放大器基础第57页/共69页提高共发电路上限频率的方法:在电路输入端采用低阻节点(即 RS 小)。在电路输出端也采用低阻节点(即 RL小)。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 章放大器基础第58页/共69页q 共集放大器共集和共基放大器的频率响应 高频等效电路 rbbrberceCbeCbcgmVbe(s)bVo(s)RS+-RERL+-Vs(s)ec由于简化等效电路 rbb
29、rbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)eIb(s)因此,Cbc 可忽略不计。令 RL=rce/RE/RL第 4 章放大器基础共集交流通路 RE+-vo+-vsRLRS第59页/共69页共集简化等效电路 rbbrbeCbegmVbe(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)eIb(s)由简化等效电路:式中零点角频率:极点角频率:并联在 Cbe 两端的总电阻 采用恒压源(RS 0)激励:共集电路输入为低阻节点(RS 小)时,上限角频率 H 。考虑到混型电路实际情况,共集电路应工作在 T/3 以下。第 4 章放大器基础第60页/共69页q 共基放大器由图高频等效电路(忽
30、略 rbb、rce)rbeCbeCbcgmVeb(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)ecIe(s)整理得受控源其中共基交流通路+-vo+-vsRSRCRLreCbeCbc(s)Ie(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路第 4 章放大器基础第61页/共69页由简化等效电路:式中共基电路输出为低阻节点(RL小)时,上限角频率 H reCbeCbc(s)Ie(s)bVo(s)RS+-RL+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路由于 Cbc 很小,因此当 RL 较小时:p2 p1由主极点概念:H P1 结论:三种组态电路中,共基电路频率特性最好、共发最差
31、。第 4 章放大器基础第62页/共69页电子设备中,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 章放大器基础第63页/共69页q 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。共集共发组合电路 由于共基电路 Ri2 小,因此扩展了上
32、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+-RL+-RST1T2Vs(s)Vo(s)Vs(s)+-RL+-RST1T2Vo(s)第64页/共69页CA3040 集成宽带放大器:共集-共发-共基组合电路差放恒流偏置T7、T8 射随器作输出级Av=30 dB,fH=55 MHzT1VCCvi1VEEvi2R5T4T2T3T5T6vo1vo2R6T7T8R7R8R9R2R1T9R3R4第 4 章放大器基础第65页/共69页q 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
33、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T1T2T3B1B22IOQiC1iC2iC3iC4第66页/共69页 二级宽带放大器T1iC6VEET2T16T3T9R1VCCT10T11T12T13R2T15T14T4T17T18T5T6T7T8IEIE2IE2IEININININiC7-iid/2iid/2iC2iC3T1 T4第一级T9 T13 镜像电流源T5 T8第二级T14 T18 镜像电流源第 4 章放大器基础第67页/共69页q 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 章放大器基础第68页/共69页感谢您的观看!第69页/共69页
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