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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,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。,
4、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
5、小,所以,即在两个输出端有信号电压输出。,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,差模电压增益,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
6、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标。,(1)双端输出时KCMR为无穷大,退出,恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后,为保证工作点不变,必须提高负电源,这是不经济的。可用恒流源T3来代替Re 。 恒流源动态电阻大,可提高 共模抑制比。同时恒流源的 管压降只有几伏,可不必提 高负
7、电源之值。,恒流源电流数值为 IE =(VZ - VBE3 )/ Re,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1:,解:,退出,小 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
8、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): (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,集成电路运算放大器,集成电路运算放大器,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
9、射极电阻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
10、护T20管。 正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 、低失调、零输入时零输出
11、等特点,是一种较理想的电压放大器件。,退出,集成电路运算放大器,集成运算放大器是一种高电压增益,高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,运算放大器方框图,1.输入级 使用高性能的差分放大电路,它必须对共模信号有很强的抑制力,而且采用双端输入双端输出的形式。,4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而 变化的偏置电流,以稳定工作点。,3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成,以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.电压放大级 要提供高的电压增益,以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益放大器。,运算放大器的引线,
12、运算放大器的符号中有三个引线端,两个输入端,一个输出端。一个称为同相输入端,即该端输入信号变化的极性与输出端相同,用符号+表示;另一个称为反相输入端,即该端输入信号变化的极性与输出端相反,用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧,在符号边框内标有+号。,集成放大器的符号,运算放大器外形图,1.差模电压放大倍数Avd=,实际上Avd80dB即可。,理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻Rid=,实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可。,3.输出电阻Ro= 0,实际上Ro比输入端外电路的电阻 小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时,产品
13、运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性,这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用,运放必须在闭环(负反馈)下工作。,理想运算放大器的特性,(1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大,一般都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。,“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。显然不能
14、将两输入端真正短路。,(2)虚断,由于运放的差模输入电阻很大,一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。,例1:试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍数的表达式。,电压增益 Avf= Vo /Vi =Rf /R1,反相比例运算电路,根据虚断 I-= I+ 0,解:,根据虚短 V+ V- 0,Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1,If = (V- Vo )/Rf -Vo/Rf,Ii If, Vi/R1=-Vo/Rf,电压并联负反馈,例2:试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍数的表达式。,电压增益,同相比例运算电路,根据虚断 I-= I+ 0,解:,根据虚短 V+ V- Vi,电压串联负反馈,