第06章集成电路运算放大器

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1、差分式放大器,6章 集成电路运算放大器,集成电路运算放大器中的电流源,一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。 1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 3、电流源电路一般都加有电流负反馈， 4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。,电 流 源 概 述,退出,电 流 源 概 述,退出,集成电路电流源,一、镜象电流源,镜象电流源,其中：基准电流 是稳定的，故输出电流

2、 也是稳定的。,退出,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IO作为IR镜像的精度。,由图,整理得,式中,退出,二、精密镜象电流源,三、微电流源,微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。,微电流源,IC2 远小于IREF ,当R取 几k 时， IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。,退出,四、比例式电流源,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。,比例式电流源,

3、退出,五、多路电流源,通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流 IC2、IC3。,多路电流源,退出,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,退出,4. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益为,比用电阻Rc就作负载时提高了。,放大管,退出,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

4、差模输出电流,当共模输入时,则共模输出电流,退出,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,退出,差分放大电路,电路完全对称的理想情况：,差模电压增益,差模信号,放大两个输入信号之差,共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。,共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。,退出,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

5、,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。,退出,差分放大电路的组成,差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。,静态分析,动态分析,当输入信号为零时，即,当在电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，,一管电流增加，另一管电流减小，所以,即在两个输出端有信号电压输出。,因电路采用正负双电源供电，则 VB

6、Q1 = VBQ2 0,估算电路Q点,令 vi1 = vi2 = 0，画出电路直流通路。,因此,退出,抑制零点漂移的原理,零点漂移 当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。,在差分电路中，温度的变化，电源电压的波动都会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。,退出,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

7、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,退出,差模性能分析,双端输出电路,REE对差模视为短路。,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。,退出,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。,退出,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,退出,共模性能分析,双端输出电路,每管发射极接2REE。,RL

8、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,因为流过RL的共模电流为0。,退出,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：,退出,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,退出,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。,退出,差模电压增益,

9、双端输入、双端输出,双端输入、单端输出,加负载电阻RL,差分放大电路有两个输出端集电极C1和集电极C2。 若信号从C1 和C2输出，则称为双端输出，反之，若信号仅从集电极 C1或C2 对地输出，则称为单端输出。,退出,共模电压增益 Avc,（1）双端输出时：,（2）单端输出时：,共模电压增益越小，放大电路的性能越好。,Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。,退出,(2)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,(3)输出电阻,输出电阻在 单端输出时， 双端输出时，,退出,共模抑制比,（2）单端输出时共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指

10、标。,（1）双端输出时KCMR为无穷大,退出,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,退出,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,退出,双电源差分放大电路,差分放大电路的静态计算,将电路中信号源短路即可获得计算静态的直流通路。已知：=100，VBE=0.6V,另一种工程估算法：,交流参数rbe:,例：图示电路，已知 =100，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,退出,例1：,解：,退出,小

11、结(对于基本共发放大器构成的差放）,退出,例2：,一、估算Q点：,二、动态分析：,等效的发射极耦合电阻REE比例式电流源的输出电阻,退出,例2：,1.双出（双入或单入）：差模特性： rbe=1.3k,画差模信号通路：,例2：,画共模信号通路：把直流电源、Vid 都短路；RL 两端共模信号电位相等，故其中无共模电流流过，故可视作开路；由于两臂的共模信号电流同时流过T4 、R1，因此，把它等效到每管发射极时，需用2REE表示。RW的影响可略。,共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源的输出电阻（等效的REE）为4050k。,1.双出（双入或单入）：,共模信号通路,例2：,2. 单出-（双入或单入）

12、： （1）差模特性：,差模信号通路,例2：,2. 单出-（双入或单入）： （2）共模特性,退出,退出,退出,退出,退出,退出,退出,退出,退出,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_差模传输特性,假设电路对称,得,退出,差模传输特性曲线,可以证明：,当| vID | 26mV 时，差放线性工作（单管电路vI 2.6mV）。,| vID | 100mV 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 ,退出,最大差模输入电压范围：,最大共模输入电压范围

13、：,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：,退出,集成运放的性能指标,1. 开环差模电压放大倍数Aod,Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数, 即,对于集成运放而言, 希望Aod大, 且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍), 理想集成运放认为Aod为无穷大。,退出,2. 最大输出电压U op-p,图 集成运放的传输特性,退出,3. 差模输入电阻rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求ri

14、d愈大愈好, 一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧, 故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。 F007的rid=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。,退出,4. 输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。 有时只用最大输出电流Io max表示它的极限负载能力。 认为理想集成运放的ro为零。 5. 共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力, 其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好, 理想集成运放的CMRR为无穷大。 ,退出,6. 最大差模输入电压Uid max 从集成运放输入端看进去, 一般都有两个或两个以上的发射结相串联, 若输入端

15、的差模电压过高, 会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏, PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏, 如F007的U id max为30V。,退出,7. 最大共模输入电压U ic max 输入端共模信号超过一定数值后, 集成运放工作不正常, 失去差模放大能力。F007的Uic max值为13V。 8. 输入失调电压UIO 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器), 它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。 对集成运放我们要求输入信号为零时, 输出也为零, 但实际中往往输出不为零, 将此电压折合到集成运放的输入端的电压, 常称为输入失调电压UIO。其值在110mV范围, 要求愈小愈好。 ,退出,9. 输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流, 用 表示; 而将IB1、 IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIO