第05章 集成電路運(yùn)算放大器

第5章集成電路運(yùn)算放大器

集成電路運(yùn)算放大器中的電流源

一、電流源電路的特點(diǎn)：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(shí)，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(gòu)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(fù)反饋，4、電流源電路一般都利用PN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對(duì)電流的影響。電流源概述退出

電流源概述

2、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、增大動(dòng)態(tài)范圍。二、電流源電路的用途：1、給直接耦合放大器的各級(jí)電路提供直流偏置電流，以獲得極其穩(wěn)定的Q點(diǎn)。

3、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的電壓輸出。4、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。退出

集成電路電流源

一、鏡象電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb

鏡象電流源其中：基準(zhǔn)電流是穩(wěn)定的，故輸出電流也是穩(wěn)定的。退出T1VCCiC1RT2IRIOiRET3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)T1管c、b之間插入一射隨器T3。電路優(yōu)點(diǎn)減小分流

i，提高IO作為IR鏡像的精度。由圖整理得式中RO=rce2輸出電阻退出

二、精密鏡象電流源

三、微電流源

微電流源電路,接入Re2電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)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(jí)中。微電流源IC2

遠(yuǎn)小于IREF

,當(dāng)R取幾k時(shí)，

IREF為mA量級(jí)，而IC2可降至A量級(jí)的微電流源。且IC2

的穩(wěn)定性也比IREF

的穩(wěn)定性好。退出

四、比例式電流源

在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。比例式電流源

因兩三極管基極對(duì)地電位

e2e1E1E2e2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV???++因相等，于是有退出

五、多路電流源

通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源。圖中一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF可獲得多個(gè)恒定電流IC2、IC3。

多路電流源退出

MOS鏡像電流源MOS鏡像電流源與三極管基本鏡像電流源結(jié)構(gòu)相似，只是原參考支路中的電阻R被有源電阻T3取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若T1T2性能匹配，工作在飽和區(qū)寬長(zhǎng)比分別為(W/l)1、(W/l)2根據(jù)，得其中退出圖示電路中假設(shè)兩場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)相同，VGS(th)=0．75V，I0=1mA，IR=5mA若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，試問(wèn)T1和T2兩管的溝道寬長(zhǎng)比（W/L）是多少？

共射電路的電壓增益為：對(duì)于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益為比用電阻Rc就作負(fù)載時(shí)提高了。放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源退出F324簡(jiǎn)化原理電路退出高精度運(yùn)放簡(jiǎn)化原理圖退出運(yùn)放簡(jiǎn)化原理圖退出有源負(fù)載差分放大器T1、T2構(gòu)成的鏡像電流源代替RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2電路組成：T3、T4構(gòu)成雙端輸入單端輸出差放。

電路特點(diǎn)：

由鏡像電流源知當(dāng)差模輸入時(shí)則差模輸出電流當(dāng)共模輸入時(shí)則共模輸出電流退出T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2性能分析：

結(jié)論：該電路不僅具有放大差模、抑制共模的能力，在單端輸出時(shí)，還獲得雙端輸出的增益。由于則差模增益差模輸入電阻差模輸出電阻退出差分放大電路vi1vi2線性放大電路vo電路完全對(duì)稱的理想情況：差模電壓增益差模信號(hào)放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差共模信號(hào)

差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。共模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。退出差模信號(hào)和共模信號(hào)電路性能特點(diǎn)差模信號(hào)：指大小相等、極性相反的信號(hào)。表示為

vi1=-vi2=vid/2差模輸入電壓vid=vi1-

vi2共模信號(hào)：指大小相等、極性相同的信號(hào)。表示為

vi1=vi2=vic共模輸入電壓vic=(vi1+vi2)/2任意信號(hào)：均可分解為一對(duì)差模信號(hào)與一對(duì)共模信號(hào)之代數(shù)和。

vi1=vic+vid/2vi1=vic-

vid/2即退出差分放大電路的組成

差分放大電路是由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。

差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，即當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，一管電流增加，另一管電流減小，所以即在兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL因電路采用正負(fù)雙電源供電，則VBQ1=

VBQ20估算電路Q點(diǎn)T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，畫(huà)出電路直流通路。因此退出抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移——當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。在差分電路中，溫度的變化，電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)與在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。退出差放半電路分析法因電路兩邊完全對(duì)稱，因此差放分析的關(guān)鍵，就是如何在差模輸入與共模輸入時(shí)，分別畫(huà)出半電路交流通路。在此基礎(chǔ)上分析電路各項(xiàng)性能指標(biāo)。分析步驟：差模分析畫(huà)半電路差模交流通路計(jì)算Avd、Rid、Rod

共模分析畫(huà)半電路共模交流通路計(jì)算Avc、KCMR、Ric

根據(jù)需要計(jì)算輸出電壓

雙端輸出：

計(jì)算vo單端輸出：

計(jì)算vo1、

vo2退出差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL雙端輸出電路REE對(duì)差模視為短路。iC2=ICQ-

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ（不變）故RL中點(diǎn)視為交流地電位，即每管負(fù)載為RL/2。直流電源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半電路差模交流通路1）半電路差模交流通路注意：關(guān)鍵在于對(duì)公共器件的處理。退出2）差模性能指標(biāo)分析差模輸入電阻差模輸出電阻差模電壓增益注意：電路采用了成倍元件，但電壓增益并沒(méi)有得到提高。半電路差模交流通路RC+-vod1+-vid1RL2T1ii退出單端輸出電路與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對(duì)RL的處理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不變減小減小RC+-vod1=

vod+-vid1RLT1ii半電路差模交流通路退出共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL雙端輸出電路每管發(fā)射極接2REE。iC2=ICQ+

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC則RL對(duì)共模視為開(kāi)路。直流電源短路接地。1）半電路共模交流通路因此REE上的共模電壓：2iCREE因?yàn)榱鬟^(guò)RL的共模電流為0。半電路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE退出2）共模性能指標(biāo)分析共模輸入電阻共模輸出電阻共模電壓增益電路特點(diǎn)半電路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE無(wú)意義雙端輸出電路利用對(duì)稱性抑制共模信號(hào)。利用對(duì)稱性抑制共模信號(hào)（溫漂）原理：退出單端輸出電路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對(duì)RL的處理上。不變半電路共模交流通路

RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL退出單端輸出電路特點(diǎn)單端輸出電路利用REE的負(fù)反饋?zhàn)饔靡种乒材Ｐ盘?hào)。利用REE抑制共模信號(hào)原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL一般射極電阻REE取值較大因此很小。結(jié)論無(wú)論電路采用何種輸出方式，差放都具有放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)的能力。退出共模抑制比（2）單端輸出時(shí)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。（1）雙端輸出時(shí)KCMR為無(wú)窮大退出普通差放存在的問(wèn)題：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零點(diǎn)漂移能力但I(xiàn)EEQ點(diǎn)降低輸出動(dòng)態(tài)范圍T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大退出雙端輸出時(shí)單端輸出時(shí)

任意輸入時(shí)，輸出信號(hào)的計(jì)算其中其中退出雙電源差分放大電路差分放大電路的靜態(tài)計(jì)算將電路中信號(hào)源短路即可獲得計(jì)算靜態(tài)的直流通路。已知：=100，VBE=0.6V另一種工程估算法：交流參數(shù)rbe:例：圖示電路，已知

=100，vi=20sint(mV)，求vo解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)（1）分析Q點(diǎn)（2）分析Avd2

、Avc2由于則（3）計(jì)算vo由于則退出例1：解：退出小結(jié)(對(duì)于基本共發(fā)放大器構(gòu)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退出例2：

一、估算Q點(diǎn)：二、動(dòng)態(tài)分析：

等效的發(fā)射極耦合電阻REE—比例式電流源的輸出電阻退出例2：

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(hào)電流大小相等、方向相反，同時(shí)流過(guò)T4時(shí)抵消，使T4無(wú)差模電流、也無(wú)差模電壓，T4、R1可視作短路（或開(kāi)路），這里作短路處理；對(duì)于RW：兩臂各分一半。畫(huà)差模信號(hào)通路：例2：畫(huà)共模信號(hào)通路：把直流電源、Vid都短路；RL兩端共模信號(hào)電位相等，故其中無(wú)共模電流流過(guò)，故可視作開(kāi)路；由于兩臂的共模信號(hào)電流同時(shí)流過(guò)T4、R1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時(shí)，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(hào)通路例2：

2.單出-（雙入或單入）：

（1）差模特性：

差模信號(hào)通路例2：

2.單出-（雙入或單入）：

（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傳輸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。雙極型差放_(tái)_差模傳輸特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假設(shè)電路對(duì)稱則得退出差模傳輸特性曲線10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1-

iC2vID/VTIEE-IEE可以證明：

當(dāng)|vID|

26mV時(shí)，差放線性工作（單管電路vI<2.6mV）。|vID|

>100mV后，一管截止、另一管導(dǎo)通，差放非線性工作。說(shuō)明：若在兩管發(fā)射極上串聯(lián)電阻RE，則利用RE的負(fù)反饋?zhàn)饔?，可擴(kuò)展線性范圍。RE線性范圍但Avd

退出最大差模輸入電壓范圍：最大共模輸入電壓范圍：受VBR（BEO）限制的最大差模輸入電壓。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3

保證T1、T2、T3管工作在放大區(qū)，所對(duì)應(yīng)的最大共模輸入電壓。要保證T1、T2管放大區(qū)工作：要保證T3管放大區(qū)工作：退出集成電路運(yùn)算放大器

集成運(yùn)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(jí)直接耦合放大電路。運(yùn)算放大器方框圖退出1.輸入級(jí)使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)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(diǎn)。3.輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)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(jí)要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。退出集成運(yùn)放的性能指標(biāo)1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AodAod是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的情況下的差模電壓放大倍數(shù),即對(duì)于集成運(yùn)放而言,希望Aod大,且穩(wěn)定。目前高增益集成運(yùn)放的Aod可高達(dá)140dB(107倍),理想集成運(yùn)放認(rèn)為Aod為無(wú)窮大。退出2.最大輸出電壓Uop-p圖集成運(yùn)放的傳輸特性退出3.差模輸入電阻ridrid的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成運(yùn)放rid為幾百千歐至幾兆歐,故輸入級(jí)常采用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)提高輸入電阻rid。F007的rid=2MΩ。認(rèn)為理想集成運(yùn)放的rid為無(wú)窮大。退出4.輸出電阻roro的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。有時(shí)只用最大輸出電流Iomax表示它的極限負(fù)載能力。認(rèn)為理想集成運(yùn)放的ro為零。

5.共模抑制比CMRR共模抑制比反映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力,其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR愈大愈好,理想集成運(yùn)放的CMRR為無(wú)窮大。退出6.最大差模輸入電壓Uidmax從集成運(yùn)放輸入端看進(jìn)去,一般都有兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)射結(jié)相串聯(lián),若輸入端的差模電壓過(guò)高,會(huì)使發(fā)射結(jié)擊穿。NPN管e結(jié)擊穿電壓僅有幾伏,PNP橫向管的e結(jié)擊穿電壓則可達(dá)數(shù)十伏,如F007的Uidmax為±30V。退出7.最大共模輸入電壓U

icmax輸入端共模信號(hào)超過(guò)一定數(shù)值后,集成運(yùn)放工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uicmax值為±13V。8.輸入失調(diào)電壓UIO該電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓(去掉外接調(diào)零電位器),它的大小反映了電路的不對(duì)稱程度和調(diào)零的難易。對(duì)集成運(yùn)放我們要求輸入信號(hào)為零時(shí),輸出也為零,但實(shí)際中往往輸出不為零,將此電壓折合到集成運(yùn)放的輸入端