第6章集成运放

1、6 模拟集成电路,( Integrated Circuits),6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.2 差分式放大电路 6.4 集成电路运算放大器 6.5 集成运算放大器的主要参数,6 模拟集成电路,( Integrated Circuits),集成电路( Integrated Circuits, IC)： 在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制 作在一块硅基片上，所构成的具有特定功能的电子电路。,模拟集成电路种类：运算放大器、功率放大器、稳压电源、 宽频带放大器、模-数和数-模转换器,按功能分类：模拟集成电路、数字集成电路,集成电路的特点 （同分立器件电路相比）,集成电路是一种

2、多级放大电路，具有电压增益高、输入 电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在 电路的选择及构成形式上又受到集成工艺条件的严格制约。 因此，在电路设计上具有许多特点， 主要有：,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,BJT、FET工作在放大状态时： 输出电流是具有恒流特性的受控电流源，可以构成 电流源电路。,N沟道增强型MOSFET,三极管,输出电流恒定的电路，具有很高的输出电阻。,电流源电路：,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。,恒流源(Constant-current source),2) 作各种放大器的有源负载，以提高增益、

3、增大动态范围。,1) 给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获 得极其稳定的Q点。,3) 由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。,电流源电路的主要用途,如：电流源在电路中作为有源负载，其交 流电阻大，在R1上的信号损失相对较小， 从而保证信号的有效传递。同时，其上的 直流压降小，输出端的直流电平并不高， 实现了直流电平的合理移动。,电流源电平移动电路,1. 镜像电流源,(R_Reference),(2) 背靠背；b、c连； 相连侧定电流。,特点：,电路形式及电流均“镜像”， 又称“电流镜”。,6.1.1 BJT电流源电路,成镜像关系,T1、T2参数完全相同。,电路的温度补

4、偿特性：,T1对T2管的温度补偿作用。,当 不够大时，IC2与IREF存在差别。,镜像电流源存在的问题：,镜像电流源,Re3的加入： 避免T3电流过小，使 下降。,IB3 比原来的2IB减小了(1+3)倍。 因此IC2和IREF之间的镜象精度大 大提高。,镜像电流源缺点：,电路中增加了T3 管。,精密镜像电流源：,a) 受电源波动影响大； b) 电流最低至mA级。,2. 微电流源,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许 多倍的微电流源。, IC2 IREF,故：电源电压变化时，IC2 的变化远比IREF 小。,( mA量级),温度稳定性也好：T1 对T2有温度补偿作用,3. 比例式电流源,在镜像

5、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。,由两三极管基极对地电位相等，有:,IC2与IR成比例关系。,4. 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。,IE0 R0 IR R0 = IE1 R1 = IE2 R2 = IE3 R3,即：,由于各管、VBE 相同，有：,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像 电流源的交流电阻。,电 流 源 用 作 有 源 负 载,镜像电流源,5. 电流源用作有源负载,理想电流源特点：电流恒定； 直流电阻小，交流电阻无穷大。,恒流源的作用： 1.提供放大电路的

6、偏置电流； 2.替代交流大电阻。,如：作共射电路的有源负载。,共射电路,当实际负载RL通过射随器隔离后接入，则可获得极 高的电压增益。,电 流 源 用 作 有 源 负 载,rO,镜像电流源,放大管,6.2 差分式放大电路,理想情况：电路完全对称，输出电压表示为,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。 任何两个输入端所共有的信号对输出电压不会有影响。,(Differential Amplifier or Diff-Amp),功能：放大两个输入信号之差（差模信号）。,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,电路结构,特点：对称性,由于双电源供电， 基极接地后T1，T2 导通，不

7、再需要通 过Rb提供偏置电流,双电源供电： 可做到基极直流0电位,差分放大电路由对称的两个基本放大电路，通过射极公共 电阻连接在一起构成。 射极耦合差分式放大电路,即：1=2= ICBO1=ICBO2= ICBO rbe1= rbe2= rbe VBE1=VBE2= VBE RC1=RC2= RC,a) 结构对称； b) 两个三极管的特性一致； c) 电路参数对应相等。,对称的含义：,射极耦合差分式放大电路,差放电路可以有两个输出端，集电极C1和集电极C2。 双端输出：从C1 和C2输出，浮 地状态； 单端输出：仅从C1或C2一个集 电极对地输出。,双端输入：两个输入端同时加 入信号； 单端输

8、入：信号仅从一个输入 端对地加入。,信号的输入方式：,信号的输出方式：,输入输出方式,双端输入(two-sided input) 单端输入(single-sided input),双端输出(two-sided output) 单端输出(one-sided input),差 动 放 大 器 的 四 种 接 法,(a) 双端输入双端输出 (b) 双端输入单端输出,(c) 单端输入双端输出 (d) 单端输入单端输出,差模信号和共模信号,差模信号vid (differential-mode): 指在两个输入端加上幅度相等,极性相反的信号。,共模信号vic (common-mode): 指在两个输入端加

9、上幅度相等,极性相同的信号。,差分放大电路能：放大差模信号，抑制共模信号。,则：vic = ？ ，vid = ？,对于任意输入的信号 vi1 , vi2 ，都可分解成差模分量和共模 分量的组合形式。即输入信号可表示为：,例: vi1 = 20 mV , vi2 = 10 mV，,其中vid、vic定义为：,（差模信号）,（共模信号）,则：vic = 15mV，vid = 10mV 。,运用叠加定理求得总输出电压：,其中： AVD=vod/vid（差模电压增益）；AVC=voc/vic （共模电压增益）,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 基本电路,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放

10、大电路基本相同。,(1) 静态分析,2. 工作原理（双入双出）,当输入信号为零时，即vi1=vi2=0V时， 由于电路完全对称，有：,差动放大器通常采用正负两路电源供电，以使输入端的直 流电位为零。,即：输入信号为零时，输出信号为零。,(2) 动态分析,电路两个输入端各加一个大小 相等，极性相反的信号电压。,即：两个输出端 有信号电压输出。,结果： 一管电流增加， 另一管电流减小。, 差模输入方式,a) 输入为差模信号（vid）,在差分电路中，由温度变化、电源电压波动引起的两管集 电极电流、集电极电压的变化，其效果相当于在两个输入端加 入了共模信号。,b) 输入为共模信号（vic）,解决方法：

11、 利用对称电路，抑制零点漂移。,解决思路： 如果存在一个产生零点漂移的 信号源，从输出信号中扣除掉，就 可以克服零点漂移., 共模输入方式,1) 定义：输入为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，即输出 电压偏离起始点而上下波动，称为零点漂移（零漂）。 2) 原因：温度变化、电源电压波动等内部原因。 3) 影响：静态工作点与被放大信号混淆，被后级传播恶化。,c) 关于零点漂移：,例如：假设,则： 第一级漂移输出时增 大为1V，第二级漂移扩 大为 10 mV。,每极均有100V 的漂移。,抑制第一级或前几级 的温漂是关键。,漂了100 V,漂移了 10mV+100 V,漂移了1 V+ 10 mV+1

12、00 V,漂移了：同前级,有时会将信号淹没!,尤其缓慢变化的信号,3. 主要技术指标的计算,差模工作状态分为四种: 1) 双端输入、双端输出（双-双） 2) 双端输入、单端输出（双-单） 3) 单端输入、双端输出（单-双） 4) 单端输入、单端输出（单-单）,不同接法 放大性能 有所不同,主要讨论的问题有： 电压放大倍数AVD , AVC 输入电阻 Rid, Ric 输出电阻 Ro,共模工作状态分为两种: 1) 双端输入、双端输出（双-双） 2) 双端输入、单端输出（双-单）, VCC交流接地。,(a) 双端输入、双端输出时：,(signal ground), 差模电压增益,交流通路的画法：,

13、 发射极交流接地。,（差模地）,iid流向,(1) 差模工作状态,c1,c1、c2点电位变化 方向相反、大小相等 负载RL中点为交流地电位 接在两输出端的 负载相当于RL/2。,c2,无RL：,接入负载时：,即：用成倍的元器件换取 抑制零点漂移的能力 。,(b) 双端输入、单端输出时：,只利用了一个集电极输出的变化量。,注意放大倍数的正负号,对臂输出，极性相反！ 即：从T1基极输入信号时 则：从C1 输出，为负号； 从C2 输出，为正号。,（也可将T1、T2看作共集共基组态）,接入负载时：, 单入=双入,vi1 = vid /2；,故： ro 支路相当于开路,(c) 单端输入时（不对称输入）：

14、,即对于电压增益：,单入双出电压增益双入双出电压增益,单入单出电压增益双入单出电压增益,其他指标也与双端输入电路相同。,（发射结交流电阻）,二极管微变(交流)电阻：rd=26mV/ID,vi2 = vid /2, 差模输入电阻,即：单、双端输入时，差模输入 电阻Rid均是基本放大电路的 两倍。,双端输入：,单端输入：同上, 差模输出电阻,用加压求流法，信号源置零。在基本共射电路中与输入端无关。,例：双入双出差模工作方式，比较有和无Rb1、Rb2时的动态参数。,双端输出：Ro=2Rc ；单端输出：Ro=Rc, 共模电压增益,(a) 双端输出的共模电压增益, 两个输入信号相等, 单管的射极等效电阻

15、为2ro,(2) 共模工作状态,交流通路中：,双端输出时voc =voc1- voc2 0：,实际上AVC是一个很小的数值。,共模电压增益越小， 放大电路的性能越好。,ro越大： 恒流源越接近理想情况。 AVC1越小，抑制共模信号的 能力越强。,2ro,(b) 单端输出的共模电压增益,接有RL时：, 共模输入电阻与共模输出电阻,基本共射放大电路,折合部分,相同,带Re的共射放大电路,用加压求流法， 信号源置零。,双端输出：Ro=2Rc ； 单端输出：Ro=Rc,共模输出电阻：,共模输入电阻：,输出电阻同差模方式,共模抑制比KCMR ：,或:,ro越大，共模抑制能力越强。,(Common Mod

16、e Rejection Ratio ),(3) 共模抑制比CMR (或CMRR),共模抑制比越大，电路性能越 ? 。,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,双端输出时：由于AVC零，,单端输出时：,共模抑制比越大，电路性能越优良。,(4) 频率响应,差分式放大电路采用直接耦合方式，因此具有极好的 低频响应。,共射电路低频响应：,带宽,(对于基本共射放大器构成的差放）,双端输入 单端输入 双端输入 单端输入,双 端 输 出 单 端 输 出,小 结,差动放大器的恒流源,若射极用Re： 为了提高共模抑制比需加大 Re ，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。 用恒

17、流源代替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，可不必提高负电源 之值。,IE =(VZ - VBE3 )/ Re,例1：计算恒流源T3电流值。,例2：计算恒流源T3电流数值。,FET差分式放大电路,当输入差模信号为 时：,双入双出电压增益为：,双入单出电压增益为：,对臂输出 极性相反！,AV与此 完全相同,AV与此 完全相同,Q点处斜率是差分放大对管BJT 的gm最大值。,输入vid时： 一管电流增大，另一管减小， 增大量=减小量， 两管电流之和恒等于IO。,当vid=0电路处于Q点时： iC1=iC2=ICQ=IO/2。,6.3 差分放大电路的传输特性

18、,BJT差放的电流传输特性曲线,1. 两管集电极电流之和恒等于IO。,iC1、iC2和vid成线性关系，电路 工作在放大区（本章的研究范围）。,2. Q点附近|vid|VT为线性区。,3. |vid|=VT 4VT为非线性区。,4. | vid |4 VT时，一管饱和， 一管截止。 vid超过100mV，差动电 路在大信号输入时呈现良好 的限幅特性或电流开关特性。,利用Re扩大线性区： 利用Re的电流负反馈作用， 使gm减小，线性工作范围增大。,JFET源极耦合差放电路传输特性曲线 的线性范围比射极耦合差放电路大许多。,1. 估算Q点,2. 动态分析,例：=80, VBE=0.2，比例式电流源

19、的输出电阻REE=4050k。试分析直流工作状态，并进行动态分析。,1）双出差模特性 （双入或单入）, T4、 R1 ： 作短路处理。 两臂差模信号电流大小相等、方向相反，同时流过T4 时 抵消，使T4 无差模电流、也无差模电压， 相当于短路。, RW：两臂各分一半。,画差模信号通路：, 直流电源、vic ： 短路；, RL： 两臂各分一半。,画共模信号通路： 直流电源、vid ：短路；,2）双出共模特性, RL ：开路； RL两端共模信号电位相等，其 中无共模电流流过，故可视作开路。, T4 、R1：以 2REE等效到射极； 由于两臂的共模信号电流同时 流过T4 、R1，因此等效到每管发射

20、极时，需用2REE表示。, RW的影响可略。,已知电流源输出电阻REE=4050k，并已得rbe=1.2k，有,3）单出差模特性 （双入或单入）,（同双出）,4）单出共模特性,(同双出),6.4 集成电路运算放大器,The Operational Amplifier(Op-Amp),实质：高增益直接耦合放大电路； 命名：早期应用,集成运放电路的组成：,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。 采用电流源电路。 输 入 级： 前置级，多采用差分放大电路。 要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。 中 间 级：主放大级，多采用共射放大电路。 要求有足够的 放大能力。 输 出 级：功率级，多

21、采用互补输出级。 要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,内部组成原理框图,1) 同相输入端 (noninverting input terminal): 信号从同相端输入时，输出端的瞬时电位极性与输入 端的相同，即输出信号电压与输入电压同相。用符号 “+”或P表示，器件外端用v+、vP表示。 2) 反相输入端 (inverting input terminal): 信号从该端输入时，输出信号变化的极性与输入端相 反，用符号“-” 或N表示，器件外端用v-、vN表示。 3) 输出端: 在输入端的另一侧。,运算放大器的基本引线：三个引线端,+,+,+,-,-,+,-,+,+,1. 静态参数,1

22、) 输入失调电压VIO (input offset voltage) ： 在输入端加的补偿电压，使输入为零时输出也为零。 反映对称程度和电位配合情况。 理想值为0。,3) 输入失调电流 IIO (input offset current) ： 输入电压为零时，流入两输入端的静态电流之差。 反映差分对管的不对称程度。理想值为0。,2) 输入偏置电流IIB (input bias current)： 输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值。 外接电阻确定后，取决于运放差分输入级BJT的性能。,6.5 集成运算放大器的主要参数,7) 最大共模输入电压Vicmax ：超过时共模抑制比显著下降。 (maximum common mode input voltage),6) 最大差模输入电压Vidmax ： 超过反向击穿。 (maximum differential mode input voltage),5) 输入失调电流温漂 IIO / T：理想值为0。,是输入失调电压在一定时间内，或一定温度变化范围内引起的输出电压的变化。一般将输出级的漂移值除以放大倍数归算到输入级来表示。例如 V/C 或 V/min 。 理想值为0。,4) 输入失调电压温漂VIO / T,3) 共模抑制比 KCMR (common mode rejection ratio)： 其典型值在80d