第05章集成電路運算放大器

1、 集成電路運算放大器中的集成電路運算放大器中的電流源電流源 一、電流源電路的特點：這是輸出電流恒定的電路。它具有很高的輸出電阻。1、BJT、FET工作在放大狀態(tài)時，其輸出電流都是具有恒流特性的受控電流源；由它們都可構成電流源電路。2、在模擬集成電路中，常用的電流源電路有： 鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等3、電流源電路一般都加有電流負反饋，4、電流源電路一般都利用PN結的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，以減小溫度對電流的影響。 電 流 源 概 述 電電 流流 源源 概概 述述 2、作各種放大器的有源負載，以提高增益、 增大動態(tài)范圍。二、電流源電路的用途：1、給直接耦合放大器的

2、各級電路提供直流偏置電流，以獲得極其穩(wěn)定的Q點。 3、由電流源給電容充電，可獲得隨時間線性增長的電壓輸出。 4、電流源還可單獨制成穩(wěn)流電源使用。 集成電路電流源集成電路電流源 一、一、鏡象電流源三極管三極管T1、T2匹配，匹配，則,BE2BE1BE21VVV=bbb IIIIIIRCBCBC()=1222212b 且且RVVIBECCR=，當當b 2時時, IICR2=，IC2和和 IR是是鏡鏡象象關關系系。 鏡象電流源其中：基準電流 是穩(wěn)定的，故輸出電流 也是穩(wěn)定的。I2CIRT1VCCiC1RT2IRIOiRET3 結構特點結構特點T1管管c c、b b之間插入一射隨器之間插入一射隨器T3

3、。 電路優(yōu)點電路優(yōu)點減小分流減小分流 i ，提高，提高IO作為作為IR鏡像的精度。鏡像的精度。由圖由圖b=12B1C1C1RiiiiI)1(21Obb= IR22O2II=bbbb整理得整理得式中式中RVVIBE(on)CCR2=RO= rce2輸出電阻輸出電阻 二、精密鏡象電流源二、精密鏡象電流源 三、微電流源微電流源 微電流源電路,接入Re2電阻得到一個比基準電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集成放大器的前置級中。 微電流源2221eEBEBEBERIVVV=IC2 遠小于IREF ,。RVICCREF 當R取 幾k 時， IREF 為mA量級，而IC2可降至A量級的微電流源。

4、且IC2 的穩(wěn)定性也比IREF 的穩(wěn)定性好。222eBEECRVII= 四、比例式電流源四、比例式電流源 在鏡象電流源電路的基礎上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關系，即可構成比例電流源。比例式電流源 因兩三極管基極對地電位 e2e1E1E2 e2 E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRII R IRIVVRIVRIV 因相等，于是有 五、多路電流源五、多路電流源 通過一個基準電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點電流，即可構成多路電流源。圖中一個基準電流IREF可獲得多個恒定電流IC2、IC3。 多路電流源 MOS鏡像電流源與三極管基本鏡像電流源結構相似，

5、鏡像電流源與三極管基本鏡像電流源結構相似，只是原參考支路中的電阻只是原參考支路中的電阻R被有源電阻被有源電阻T3取代。取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若若T1 T2性能匹配，工作在飽和區(qū)性能匹配，工作在飽和區(qū)寬長比分別為寬長比分別為(W/l )1 、( W/l )2根據根據2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCi=OD2D1RIiiI=DS1DS3SSDDvvVV=GS1DS1vv=GS3DS3vv=，得得R12O)/()/(IlWlWI=2GS(th)GS1SSDDGS(th)GS113)()/()/(VvVVVvlWlW=2GS(th)GS11OXnR)()(2VvlWCI=其中

6、其中圖示電路中假設兩場效應管的參數相同，圖示電路中假設兩場效應管的參數相同，VGS(th)=075V，I0=1mA ，IR=5mA若忽略溝若忽略溝道長度調制效應，試問道長度調制效應，試問T1和和T2兩管的溝道寬長兩管的溝道寬長比（比（W/L）是多少？）是多少？ = =ioV=VVA共射電路的電壓增益為：beLc)/(rRRb b 對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益為beLV=rRAb b 比用電阻Rc就作負載時提高了。放大管放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源 F324簡化原理電路簡化原理電路 高精度運放簡化原理圖高精度運放簡化原理圖 運放簡化原理圖

7、運放簡化原理圖T1、T2構成的鏡像電流源代替構成的鏡像電流源代替RC4 。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 電路組成：電路組成：T3、T4構成雙端輸入單端輸出差放。構成雙端輸入單端輸出差放。 電路特點：電路特點： 由鏡像電流源知由鏡像電流源知C3C2ii當差模輸入時當差模輸入時C3C4ii=則差模輸出電流則差模輸出電流C3C4C2O2iiii=當共模輸入時當共模輸入時C3C4ii=則共模輸出電流則共模輸出電流0C4C2O=iiiT1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 性能分析：性能分析： 結論：結論：該電路不僅具有放大差模、抑制

8、共該電路不僅具有放大差模、抑制共模的能力，在單端輸出時，還獲得模的能力，在單端輸出時，還獲得雙端輸出的增益。雙端輸出的增益。2/EECQ4CQ3CQ2CQ1IIIII=由于由于則則TCQm4m3m2m1/VIgggg=)/(ce4ce2m4Lm4drrgRgAv=差模增益差模增益差模輸入電阻差模輸入電阻ebe4be3bid2)(2=rrrR差模輸出電阻差模輸出電阻ce4ce2O/ rrR=vi1vi2線性放大電路vo電路完全對稱的理想情況：)(21iiVDovvAv=差模電壓增益差模信號idv放大兩個輸入信號之差共模信號)(2121iiicvvv= 差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對共模

9、信號不予放大。差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對共模信號不予放大。差模信號：是指在兩個輸入端加幅度相等，極性相反的信號。共模信號 ：是指在兩個輸入端加幅度相等，極性相同的信號。q 差模信號差模信號和共模信號和共模信號 差模信號：指大小相等、極性相反的信號。差模信號：指大小相等、極性相反的信號。表示為表示為 vi1 = - -vi2 = vid / 2差模輸入電壓差模輸入電壓 vid = vi1 - - vi2 共模信號：指大小相等、極性相同的信號。共模信號：指大小相等、極性相同的信號。表示為表示為 vi1 = vi2 = vic共模輸入電壓共模輸入電壓 vic = (vi1 + vi2

10、) / 2 任意信號：均可分解為一對差模信號與一對共模任意信號：均可分解為一對差模信號與一對共模 信號之代數和。信號之代數和。 vi1 = vic+ vid / 2vi1 = vic - - vid / 2即即 差分放大電路是由兩個特性基本相同的三極管組成，電路參數對稱相等。 差分放大電路的靜態(tài)和動態(tài)計算方法與基本放大電路基本相同。時，021=iivv靜態(tài)分析靜態(tài)分析動態(tài)分析動態(tài)分析當輸入信號為零時，即0=2/21CCCCCE0C21=CCoBECCvvvVRIVVIIii這時，由于電路完全對稱。當在電路兩個輸入端各加一個大小相等，極性相反的信號電壓，時，即2/21idiivvv=一管電流增加

11、，另一管電流減小，所以021=CCovvv即在兩個輸出端有信號電壓輸出。T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL因電路采用正負雙電源供電，則因電路采用正負雙電源供電，則 VBQ1 = VBQ2 0 0 估算電路估算電路Q點點T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令令 vi1 = vi2 = 0 0，畫出電路直流通路。，畫出電路直流通路。2EECQ2CQ1III=EEEEBE(on)EERVVI因此因此CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV=抑制零點漂移的原理抑制零點漂移的原理零點漂移零點漂移 當放大電路的輸入端短路時，輸出端還有電壓輸出。

12、在差分電路中，溫度的變化，電源電壓的波動都會引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當與在兩個輸入端加入了共模信號，由于電路對稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點漂移。q 差放半電路分析法差放半電路分析法 因電路兩邊完全對稱，因此差放分析的關鍵，就是如何在差因電路兩邊完全對稱，因此差放分析的關鍵，就是如何在差模輸入與共模輸入時，分別畫出模輸入與共模輸入時，分別畫出半電路交流通路半電路交流通路。在此基礎。在此基礎上分析電路各項性能指標。上分析電路各項性能指標。分析步驟：分析步驟： 差模分析差模分析畫半電路差模交流通路畫半電路差模交流通路 計算計算Avd、Rid、Rod 共模分析

13、共模分析畫半電路共模交流通路畫半電路共模交流通路 計算計算Avc、KCMR、Ric 根據需要計算輸出電壓根據需要計算輸出電壓 雙端輸出雙端輸出： 計算計算vo單端輸出單端輸出： 計算計算vo1 、 vo2q 差模性能分析差模性能分析T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL 雙端輸出電路雙端輸出電路 REE對差模視為短路。對差模視為短路。iC2 = ICQ - - iCiC1 = ICQ + iC因因IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ（不變）（不變）故故RL中點視為交流地電位，中點視為交流地電位，即每管負載為即每管負載為RL / 2 。直流電源短

14、路接地。直流電源短路接地。RC+ - -vod1+ - -vid1RL2 2T1半電路差模交流通路半電路差模交流通路 1 1）半電路差模交流通路）半電路差模交流通路注意：關鍵在于對公共器件的處理。注意：關鍵在于對公共器件的處理。 2 2）差模性能指標分析）差模性能指標分析iididivR=差模輸入電阻差模輸入電阻eb1 i22=rRiid2id1ivv=iid12iv=差模輸出電阻差模輸出電阻C1ood22RRR=差模電壓增益差模電壓增益idoddvvAv=id2id1od2od1vvvv=id1od122vv=1vA=ebLC)2/(=rRRb注意：電路采用了成倍元件，但電壓增益并沒有注意：

15、電路采用了成倍元件，但電壓增益并沒有 得到提高。得到提高。 半電路差模交流通路半電路差模交流通路 RC+ - -vod1+ - -vid1RL2T1ii 單端輸出電路單端輸出電路 與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對RL的處理上。的處理上。T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RLiididivR=eb1 i22=rR不變不變C1o1odRRR=idod1d1vvAv=id1od12vv=21vA=ebLC)/(21=rRRb減小減小減小減小RC+ - -vod1= vod+ - -vid1RLT1ii半電路差模交流通路半電路差模交

16、流通路d2vA=q 共模性能分析共模性能分析T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL 雙端輸出電路雙端輸出電路 每管發(fā)射極接每管發(fā)射極接2REE。iC2 = ICQ + + iCiC1 = ICQ + iC因因IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ+ 2iC則則RL對共模視為開路。對共模視為開路。直流電源短路接地。直流電源短路接地。1 1）半電路共模交流通路）半電路共模交流通路因此因此REE上的共模電壓：上的共模電壓：2iC REE因為流過因為流過RL的共模電流為的共模電流為0。半電路共模交流通路半電路共模交流通路 RC+ - -voc1+ - -

17、vic1=vicT12REE2 2）共模性能指標分析）共模性能指標分析iicicivR =共模輸入電阻共模輸入電阻1 iR=iic1iv=共模輸出電阻共模輸出電阻共模電壓增益共模電壓增益icocdvvAv=icoc2oc1vvv=0=電路特點電路特點半電路共模交流通路半電路共模交流通路 RC+ - -voc1+ - -vic1=vicT12REE)1 (2EEebb=Rr無意義無意義雙端輸出電路雙端輸出電路利用對稱性利用對稱性抑制共模信號。抑制共模信號。利用對稱性抑制共模信號（溫漂）原理：利用對稱性抑制共模信號（溫漂）原理： =CQ2CQ1TII0)(CQ2CQ1o=VVV)(CCQ1CCCQ

18、2CQ1RIVVV= 單端輸出電路單端輸出電路 T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對RL的處理上。的處理上。iicicivR =1 iR=)1 (2EEebb=Rr不變不變半電路共模交流通路半電路共模交流通路 RC+ -voc1=voc+ -vic1=vicT12REERLC1o1ocRRR=icocc1vvAv=1vA=EELEEebLC2)1 (2)/(RRRrRR=bbc2vA=單端輸出電路特點單端輸出電路特點 單端輸出電路利用單端輸出電路利用REE的的負反饋作用抑制共模信號。負反饋作

19、用抑制共模信號。 利用利用REE抑制共模信號原理：抑制共模信號原理： CQTIEQVBQI)(EQBQBEQVVV=T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RLCQI 一般射極電阻一般射極電阻REE取值較大取值較大EELc12RRAv因此因此很小。很小。結論結論 無論電路采用何種輸出方式，差放都具有無論電路采用何種輸出方式，差放都具有 放大差模信號、抑制共模信號的能力。放大差模信號、抑制共模信號的能力。共模抑制比共模抑制比cdCMRvvAAK=dBlg20cdCMRvvAAK=（2）單端輸出時共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標。=AAKv

20、cvdCMR（1）雙端輸出時KCMR為無窮大beovcvdCMRrrAAKb=11 普通差放存在的問題：普通差放存在的問題：q 采用恒流源的差分放大器采用恒流源的差分放大器REE KCMR 抑制零點漂移能力抑制零點漂移能力 但但IEE Q點降低點降低 輸出動態(tài)范圍輸出動態(tài)范圍 T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T333BE(on)EE212EE)(RVVRRRI=ebid2= rRCod2RRebCd22=rRAvbo3C2c2RRAv)/1 (21e3b333ce3o3RRrRRrRb其中其中2/EE2CQ1CQIII=o3mCMRRgK=很大很大 雙端輸出時雙端輸出時

21、 單端輸出時單端輸出時q 任意輸入時，輸出信號的計算任意輸入時，輸出信號的計算idd2o1oovAvvvv=i2i1idvvv=其中其中idd1icc1od1oc11ovAvAvvvvv=idd2icc2od2oc22ovAvAvvvvv=其中其中i2i1idvvv=2i2i1icvvv=ebLCd)2/(=rRRAvbebLCd2d12)/(=rRRAAvvbc2c1vvAA=EELC2/RRR 雙電源差分放大電路差分放大電路的靜態(tài)計算差分放大電路的靜態(tài)計算 將電路中信號源短路即可獲得計算靜態(tài)的直流通路。已知：b=100，VBE=0.6VesBEEEB2)1 (=RRVVIbARVeEE62

22、01001221=bmAIIBC6 . 0006. 0100=b另一種工程估算法：mAVIReEEE6 . 020122=AIIEBb61006 . 01=VRIVVCCCCCE6=交流參數rbe:k.rbe67460261001300= 例：圖示電路，已知例：圖示電路，已知b b =100，vi i= =20sin t(mV)，求，求vo o 解：解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k 10k 10k (12V)(- -12V)（1）分析）分析Q點點mA25. 02/EECQ2CQ1=IIImA5 . 0/ )(EEEEBE(on)EE=RVVI（2）分析）分析Avd2

23、 、Avc2252)/(ebLCd2=rRRAvb11. 02/EELC2cRRRAv由于由于=k4 .1026)1 (1CQebIrb則則（3）計算）計算vo oii2i1idvvvv=2/2/ )(ii2i1icvvvv=由于由于則則(mV)sin479idd2icc2o2otvAvAvvvv=例1：差動電路中，晶體管參數：b1=b2=60，rbb=300，VUI11=，VUI01. 12=。 求： （1）靜態(tài)工作時的兩管集電極電流 IC； （2）雙端輸出時的oU和從 T1單端輸出時的1oU。 01. 1121=OIIOidoVDUUUUvvA解：17234721000060=beCVDr

24、RAb01. 0=OUmAIC5 . 02/1=CbeImVr26)1 (300b=17201. 0=OUVUO72. 1=VUUOO86. 0211=小小 結結(對于基本共發(fā)放大器構成的差放）對于基本共發(fā)放大器構成的差放） 雙端輸入 單端輸入 雙端輸入 單端輸入 雙 端 輸 出 單 端 輸 出 Avd 2/,/RRRrRLCLbeL=bRRRrRLCLbeL/,2=bRidrbe2RoRC2RCAvc0R2REEL/KCMRrgrRbembeEE/bRicR2rEEbe1b例例2：80=bV.VBE20=mA.RRVVIIEECCRCQ247524234=mA.IIICQCQCQ122421

25、=VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121=krce50 一、估算Q點：二、動態(tài)分析：=kbeIrEQ3 . 11 . 2268030026130012, 1b 等效的發(fā)射極耦合電阻REE比例式電流源的輸出電阻=bkrRRceoEE405050811444例例2：480250813155338021=bb=./.RrRAWbeLvd 1.雙出（雙入或單入）：差模特性： rbe=1.3k, 把直流電源、Vic 都短路；RL 兩臂各分一半；兩臂的差模信號電流大小相等、方向相反，同時流過T4 時抵消，使T4 無差模電流、也無差模電壓，T4、 R1 可視作短路

26、（或開路），這里作短路處理；對于RW：兩臂各分一半。=b=k.RrRWbeid656025081312212=k.RRco662畫差模信號通路：例例2： 畫共模信號通路：把直流電源、Vid 都短路；RL 兩端共模信號電位相等，故其中無共模電流流過，故可視作開路；由于兩臂的共模信號電流同時流過T4 、R1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時，需用2REE表示。RW的影響可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,電流源的輸出電阻（等效的REE）為4050k。1.雙出（雙入或單入）：共模信號通路=AAKVVAvcvdCMRicocvc, 0=b=MRrREEbeic656405028121例例2： 2. 單

27、出-（雙入或單入）： （1）差模特性： 差模信號通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvd=b=b=kRrRWbeid3 . 3025. 0813 . 121b=k.RRco33例例2： 2. 單出-（雙入或單入）： （2）共模特性000304050211332./.RRvvAEELicocvc=105100030530=.AAKvcvdCMRdBog10020105=完整描述差模輸出電流隨任意輸入差模電壓變化的特性。完整描述差模輸出電流隨任意輸入差模電壓變化的特性。q 雙極型差放雙極型差放_差模傳輸特性差模傳輸特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC

28、2+- -vID假設電路對稱假設電路對稱121=TBE1eSC1VvIi=TBE2eSC2VvIi=C2C1EEiiI=BE2BE1IDvvv=則則TID/EEC2e1VvIi=TID/EEC1e1VvIi=得得)2(thTIDEEC2C1VvIii=差模傳輸特性曲線差模傳輸特性曲線10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1- - iC2vID/VTIEE- -IEE可以證明：可以證明： 當當| vID | 26mV 時，差放線性工作（單管電路時，差放線性工作（單管電路vI 100mV 后，一管截止、另一管導通，差放非線性工作。后，一管截止、另一管導通，差放非線性

29、工作。說明：說明：若在兩管發(fā)射極上串聯電阻若在兩管發(fā)射極上串聯電阻RE，則利用，則利用RE的負反饋的負反饋 作用，可擴展線性范圍。作用，可擴展線性范圍。RE 線性范圍線性范圍 但但 Avd 最大差模輸入電壓范圍：最大差模輸入電壓范圍：最大共模輸入電壓范圍：最大共模輸入電壓范圍：受受VBR（BEO）限制的最大差模輸入電壓。限制的最大差模輸入電壓。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3 保證保證T1、T2、T3管工作在管工作在放大區(qū)，所對應的最大共模放大區(qū)，所對應的最大共模輸入電壓。輸入電壓。BE(on)1CE(sat)1CCCCICVVRIVv要保證要保證T1、T2管放大區(qū)

30、工作：管放大區(qū)工作：BE(on)1CE(sat)33E3EEICVVRIVv要保證要保證T3管放大區(qū)工作：管放大區(qū)工作：集成電路運算放大器 集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。 運算放大器方框圖 1.輸入級 使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。 4.偏置電路 提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。 3.輸出級 由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.電壓放大級 要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電

31、路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。 集成運放的性能指標集成運放的性能指標 1. 開環(huán)差模電壓放大倍數開環(huán)差模電壓放大倍數Aod Aod是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓放大倍數, 即idoodUUA= 對于集成運放而言, 希望Aod大, 且穩(wěn)定。目前高增益集成運放的Aod可高達140dB(107倍), 理想集成運放認為Aod為無窮大。 2. 最大輸出電壓最大輸出電壓U op-p 0.1 0.2 0.3 0.4Uid / mV0.10.20.30.41010線性區(qū)Uo / VUid0圖圖 集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性 3. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid rid的

32、大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求rid愈大愈好, 一般集成運放rid為幾百千歐至幾兆歐, 故輸入級常采用場效應管來提高輸入電阻rid。 F007的rid=2 M。認為理想集成運放的rid為無窮大。 4. 輸出電阻輸出電阻ro ro的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。 有時只用最大輸出電流Io max表示它的極限負載能力。 認為理想集成運放的ro為零。 5. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力, 其定義同差動放大電路。CMRR愈大愈好, 理想集成運放的CMRR為無窮大。 6. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uid max 從集成運放輸入端看進去, 一般都有兩個或兩個以上的發(fā)射結相串聯, 若輸入端的差模電壓過高, 會使發(fā)射結擊穿。NP