模擬電子技術(shù)0CH06-2

4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路電路拓?fù)浞治觯篢1和T2對(duì)管組成差分放大T3和T4組成鏡像電流源作為T(mén)1和T2的集電極有源負(fù)載。輸出從同相端輸出。T5和T6組成鏡像電流源作為T(mén)1和T2的射極有源負(fù)載。各有源負(fù)載為電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)電流。雙入單出電路14.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路電路靜態(tài)分析：IE6IREFIO

＝IE5vi1=v

i2=0時(shí)Io和IREF由電阻Re5和Re6反比分配差分電路靜態(tài)電流：Ic1=Ic2Ic3=Ic4≈Ic5/2=Io/2≈24.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路電路動(dòng)態(tài)分析：在輸入端加：電壓加載后T1電流增加T2電流減少即流入電流源電流不變ic1

的增加等于ic2的減少ve=0故得交流通路圖如上圖所示34.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路電路電流關(guān)系：在輸出端：帶有源負(fù)載差分放大電路的單端輸出電流是基本單端輸出差放的兩倍ic1通過(guò)ic3鏡像ic4達(dá)到與ic2差分得到雙倍電流io44.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益（負(fù)載開(kāi)路）則單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益c2節(jié)點(diǎn)方程比較雙端輸出此時(shí)Rc=rce4輸出回路小信號(hào)模型54.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益比較雙端輸出輸出回路小信號(hào)模型加負(fù)載時(shí)：RLRL與rce2，rce4并聯(lián)且，RL<<rce2，rce464.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路差模輸入電阻Rid＝2rbe輸出電阻74.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路共模增益：0共模輸入電阻

Ric＝0.5{rbe＋2(1＋β)ro5}ro5是從T5集電極看進(jìn)去的電流源內(nèi)阻86.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路電路結(jié)構(gòu)分析：增強(qiáng)型絕緣柵MOSFET管組成的差分電路N溝道和P溝道管混合構(gòu)成電路-CMOS電路與BJT管組成的電路相比應(yīng)該有很高的輸入阻抗電路由8只MOS管組成T5、T6和T7構(gòu)成基準(zhǔn)電流（IREF）電路T8構(gòu)成源極負(fù)載96.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路電路結(jié)構(gòu)分析：NMOS對(duì)管T1和T2構(gòu)成源極耦合差分式電路T3和T4構(gòu)成T1和T2管的漏極有源負(fù)載通過(guò)調(diào)整各管的寬長(zhǎng)比（W/L）調(diào)節(jié)各管的電流106.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路電路結(jié)構(gòu)分析：PMOS管的襯底接低電位NMOS管的襯底接高電位保證形成溝道和漏源電流116.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路電路靜態(tài)分析：由于電路對(duì)稱(chēng)：此時(shí)輸入電壓：T1與T2、T3和T4、T7和T8特性相同126.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路電路動(dòng)態(tài)態(tài)分析：接入輸入電壓：T1管的電流增加，vo1下降T2管的電流減少，vo2上升這時(shí)：有輸出！136.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路而:所以：雙端輸出差模電壓增益vo1?146.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路單端輸出差模電壓增益vo2＝(id4-id2)(ro2||ro4) ＝gmvid（ro2||ro4）

(ro2||ro4) ＝gm(ro2||ro4)與雙端輸出相同＝gm(rds2||rds4)015差分電路特點(diǎn)小結(jié)：射極（源極）采用恒流源做負(fù)載：共模抑制比高集電極(漏極）采用恒流源做負(fù)載：?jiǎn)?雙端輸出增益幾乎相等166.3差分式放大電路的傳輸特性由于發(fā)射結(jié)實(shí)質(zhì)是二極管的PN結(jié)故有：176.3差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2

又vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得傳輸特性曲線vO1，vO2＝f（vid）18特性曲線區(qū)域的劃分：工作在線性區(qū)；工作在非線性區(qū)；工作在飽和區(qū)（有限幅作用）。工作在靜態(tài)工作點(diǎn)vO1，vO2＝f（vid）的傳輸特性曲線19場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大器的傳輸特性FET的傳輸特性與BJT類(lèi)似JFET的傳輸特性的線性更好20加入射極電阻，利用其反饋?zhàn)饔?，可擴(kuò)大線性工作區(qū)21226.4集成電路運(yùn)算放大器6.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器23集成電路的組成：偏置電路輔助環(huán)節(jié)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)要求：輸入電阻高共模抑制比高靜態(tài)電流小24集成電路的組成：偏置電路輔助環(huán)節(jié)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)要求：放大倍數(shù)大25集成電路的組成：偏置電路輔助環(huán)節(jié)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)特點(diǎn)：多采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出電路放大倍數(shù)大輸出電壓線性范圍大輸出電阻小26集成電路的組成：偏置電路輔助環(huán)節(jié)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)功能：用于設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)采用恒流源提供靜態(tài)工作電流27集成電路的組成：偏置電路輔助環(huán)節(jié)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)功能：調(diào)整電路狀態(tài)，確保電路正常工作提供電平偏移，調(diào)零，短路過(guò)流保護(hù)等電路28集成電路分類(lèi)（按工藝）BJT：輸入偏置電流大，功耗大，能提供較大的負(fù)載電流CMOS：輸入電阻高、功耗低、可低電壓工作BiFET：用結(jié)型FET作為輸入級(jí)，高輸入阻抗、高精度、低噪聲（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管-np溝道增強(qiáng)型MOSFET構(gòu)成）靜態(tài)消耗小BiCMOS：BJT和MOS混合構(gòu)成296.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器1.電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)：全部CMOS管電路PMOST1和T2組成源極耦合差放注意源極在上面NMOST3、T4作T1、T2的漏極負(fù)載PMOST5、T6構(gòu)成鏡像電流源為差放提供直流負(fù)載IREF由外接RREF確定306.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器1.電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)：輸出由T7組成共源極放大電路PMOST8為T(mén)7提供直流偏置，作為T(mén)7的有源負(fù)載Cc為內(nèi)部補(bǔ)償電容，降低帶寬保證系統(tǒng)穩(wěn)定差動(dòng)由T2漏極輸出312.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算(1)直流分析已知VT和KP5，聯(lián)立上述方程可求出IREF

根據(jù)各管子的寬長(zhǎng)比，可求出其他支路電流。32寬長(zhǎng)比分布33(2)小信號(hào)分析設(shè)gm1=gm2=gm

則2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算輸入級(jí)電壓增益等于單個(gè)共源級(jí)增益。負(fù)載是后級(jí)的柵源級(jí)很大省略34(2)小信號(hào)分析2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算總電壓增益Av2=vo/vgs7

=－gm7(rds7||rds8)

第二級(jí)電壓增益式中：35(2)小信號(hào)分析2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算將參數(shù)代入計(jì)算得Av

=

40804.8（92.2dB）缺點(diǎn)：沒(méi)有保護(hù)措施，后級(jí)共源級(jí)帶負(fù)載能力差366.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器原理電路37通用集成運(yùn)放組成：24個(gè)BJT、10個(gè)電阻一個(gè)電容電流源：8/9、T12/13、T10/11R5：主偏置電阻T13雙集電極IC13B=（3/4）IC12，供中間級(jí)偏置IC13A=（1/4）IC12，供輸出級(jí)383940簡(jiǎn)化電路6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器主放大通路416.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器輸入級(jí)：T1–T6組成差分式放大器T1-T4構(gòu)成共集-共基復(fù)合差分式放大器T5–T7構(gòu)成有源負(fù)載T1/2采用縱向NPN管共集電極提高輸入阻抗T3/4采用橫向NPN管電流增益小，擊穿電壓大提高最大差模輸入電壓Vidm=±30V此構(gòu)成有利于：提高電壓增益擴(kuò)大輸入電壓范圍Vicm=13V426.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器當(dāng)vi=0，T16/17β值較大，IB16很小，則：IC3=IC5=IC4=IC6輸出電流iO1=0接入信號(hào)vi并使同相端3為（+）反相端2為（-）則T3、T5和T6的電流增加ic3=ic5=ic6=ic-ic4=-icT4電流減少為輸出電流：io1=ic4-ic6=（IC4-ic4）-（Ic6+ic6）=-2ic差分輸入級(jí)的輸出電流為兩邊輸出電流變化的總和單端增益約等于雙端輸出的增益43中間級(jí)：T16共集電極電路-阻抗轉(zhuǎn)換T17共射極電路-電壓放大T13B為T(mén)17提供集電極負(fù)載-使增益更大輸出級(jí)：T14和T20構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出T18/19的VBE為T(mén)14/20提供起始偏壓T19為T(mén)18的反饋，保證VCE18的穩(wěn)定T15/21提供過(guò)流保護(hù)44電路不可能完全對(duì)稱(chēng)使用調(diào)零電阻使vo=045466.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)6.5.2集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題47集成運(yùn)放的性能參數(shù)：-設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇器件的依據(jù)直流誤差特性差模特性共模特性大信號(hào)特性電源特性486.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1.輸入失調(diào)電壓VIO理想運(yùn)放-輸入為零，輸出為零實(shí)際電路差分輸入很難完全對(duì)稱(chēng)電路的某種原因產(chǎn)生的不對(duì)稱(chēng)造成：輸入級(jí)的輸出電壓發(fā)生微小變化經(jīng)過(guò)后級(jí)的逐級(jí)放大會(huì)使運(yùn)放在輸出端產(chǎn)生較大的輸出電壓（漂移）實(shí)際運(yùn)放：輸入為零時(shí)，存在一定的輸出電壓定義：496.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1.輸入失調(diào)電壓VIO在室溫（25℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為±（1～10）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（1～20）V。高精度運(yùn)放OP-117VIO=4V。MOSFET達(dá)20mV。506.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1.輸入失調(diào)電壓VIO輸入電壓VI=0時(shí)，輸出電壓VO折合到輸入端的電壓負(fù)值。輸入端以這個(gè)負(fù)值輸入時(shí)，會(huì)使輸出端為零這個(gè)電壓即為：輸入失調(diào)電壓VIO輸入失調(diào)電壓VIO的大小反映電路的對(duì)稱(chēng)程度和電位配合情況516.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）2.輸入偏置電流IIB輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值IIB＝（IBN＋I(xiàn)BP）/2BJT為10nA～1A；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級(jí)。從使用角度來(lái)看，越小越好，信號(hào)源內(nèi)阻的變化引起的輸出電壓變化越小526.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3.輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO＝|IBP－IBN|VI＝0一般約為1nA～0.1A。

4.溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO/

T（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO/

T536.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)差模特性1.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW

開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo開(kāi)環(huán)帶寬BW

(fH)單位增益帶寬

BWG(fT)741型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng)能做音響放大嗎？546.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)差模特性2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

BJT輸入級(jí)的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放rid＞1012Ω超高輸入電阻運(yùn)放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般運(yùn)放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.最大差模輸入電壓Vidmax同相與反相輸入端最大能承受的電壓。平面工藝NPN為±V5，橫向BJT可高達(dá)±30V高速電路輸出電阻小便于帶容性負(fù)載556.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)共模特性1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric

一般通用型運(yùn)放KCMR為（80～120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric≥100MΩ。2.最大共模輸入電壓Vicmax

一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值。高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)±13V。運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過(guò)時(shí)共模抑制比將顯著下降。566.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性1.轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即 衡量大輸出電壓跟隨輸入的能力斜率SRvivo576.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性1.轉(zhuǎn)換速率SR若信號(hào)為vi＝Vimsin2ft，則運(yùn)放的SR必須滿(mǎn)足：工作頻率與最大電壓成反比求導(dǎo)為零時(shí)的值58SＲ太小造成輸出波形失真(a)f＞fp;(b)f>>fp

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