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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,
