第06章 集成电路运算放大器 36页.doc

本文由zhuyuanyuan103贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 差分式放大器 集成电路运算放大器中的电流源 集成电路运算放大器中的电流源 电 流 源 概 述 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： 等 镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源 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 二、电流源电路的用途： 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。 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、 增大动态范围。 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。 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。 集成电路电流源 一、镜象电流源 匹配， 三极管T1 、T2 匹配， 1 = 2 = VBE1 = VBE 2 = VBE , 则 IR = IC1 + 2 IB = IC2 + 2 IB 2 = I C 2 (1 + ) V CC ? V BE 且 IR = ， 当 2 时 , R I C 2 = I R ， I C2 和 I R 是 镜 象 关 系 。 其中：基准电流 镜象电流源 IR 是稳定的，故输出电流 I C 2 也是稳定的。 二、精密镜象电流源 精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其 镜象精度提高了 倍。 电路中增加了T3 管， I C 2 = I C 1 = I REF ? I B 3 = I REF ? 2 I B (1 + 3 ) IB3 比镜象电流源的2IB小 3倍。因此IC2和IREF之间的 镜象精度提高了 (1 + 3 ) 倍。 精密电流源 三、微电流源 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。 VBE1 ? VBE 2 = ?VBE = I E 2 Re 2 ?VBE IC 2 I E 2 = Re 2 IC2 远小于IREF , I REF V CC R。 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。 微电流源 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。 因两三极管基极对地电位 相等，于是有 V BE1 + I E1 R e1 = V BE2 + I E2 R e2 因 V V BE2 BE1 I E1 R e1 I E2 Re2 I E2 R e1 I E1 R e2 比例式电流源 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 差分放大电路 电路完全对称的理想情况： vo = AVD (vi1 ? vi 2 ) 差模电压增益 vi1 vi2 线性放 大电路 vo 差模信号 vid 放大两个输入信号之差 1 共模信号 vic = (vi1 + vi 2 ) 2 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。 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 当输入信号为零时，即 vi1 = vi 2 = 0时， 由于电路完全对称。 这时，iC1 = iC 2 = I C = I 0 / 2 VCE = VCC ? I C RC + VBE vo = vC1 ? vC 2 = 0 动态分析 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， 即vi1 = ?vi 2 = vid / 2时， 一管电流增加，另一管电流减小，所以 vo = vC1 ? vC 2 0 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。 零点漂移动画 动画6-1 零点漂移 动画 零点漂移动画 动画6-2 零点漂移 动画 差模电压增益 双端输入、双端输出 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。 加负载电阻R 加负载电阻 L vo vo1 ? vo 2 2vo1 RC AVD = = = =? vid vi1 ? vi 2 vid rbe 双端输入、单端输出 RC 1 AVD1 = AVD = ? 2 2rbe AVD = ? RL rbe RL 式中：RL = RC / 2 共模电压增益 共模电压增益 Avc （1）双端输出时： Avc = (voc1 ? voc 2 ) v ic 0 共模电压增益越小， 放大电路的性能越好。 （2）单端输出时： =v A v vc1 oc1 ic RC =? ? RC r be + (1 + )2ro 2ro Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。 (2)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入， 不论是单端输入还是双端输入，差模输 入电阻R 是基本放大电路的两倍。 入电阻 id是基本放大电路的两倍。 Rid = 2(Rs + rbe ) (3)输出电阻 输出电阻在 R 单端输出时， 单端输出时， o = Rc Ro 双端输出时， 双端输出时， = 2Rc 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 K CMR K CMR Avd = Avc Avd (dB) = 20 lg Avc （1）双端输出时KCMR为无穷大 K K CMR = A A vd vc （2）单端输出时共模抑制比 ro CMR = A A vd 1 vc1 rbe 恒流源差分放大电路 加大后， 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， 为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济 可用恒流源T 来代替R 的。可用恒流源 3来代替 e 。 恒流源动态电阻大， 恒流源动态电阻大，可提高 共模抑制比。同时恒流源的 共模抑制比。 管压降只有几伏， 管压降只有几伏，可不必提 高负电源之值。 高负电源之值。 恒流源电流数值为 IE =(VZ - VBE3 )/ Re 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 12 VEE ? VBE V EE = 6A IB = (1 + )2 R e 100 ? 20 Rs + (1 + ) 2 Re I C I B = 100 ? 0.006 = 0.6mA 另一种工程估算法： I E VEE 2 Re = 12 20 = 0.6mA B E I = I (1 + ) 0.6 100 = 6A V = V ? I R 6V CE CC C C 交流参数rbe: r be = 300 + (1 + 100 ) 26 0 .6 4 .67 k? 双电源差分放大电路 例1： 差动电路中，晶体管参数：1=2=60，rbb=300?， ?U I 1 = 1V ， ?U I 2 = 1.01V 。 求： （1）静态工作时的两管集电极电流 IC； （2）双端输出时的 ?U o 和从 T1 单端输出时的 ?U o1 。 解： IC =1/ 2 = 0.5mA 26mV rbe = 300 + (1 + ) IC AVD U O vo ?U O ?U O = = = = vid ?U I 1 ? ?U I 2 1 ? 1.01 ? 0.01 RC rbe 60 10000 =? = ?172 3472 AVD = ? U O 1 = 172 ?UO =1.72V ?UO1 = ?UO = 0.86V 0.01 2 对于基本共发放大器构成的差放） 小 结(对于基本共发放大器构成的差放） 对于基本共发放大器构成的差放 双端输入 入 单端输入 双端输入 单端输 双 端 输 出 单 端 输 出 ? RL 2 r be , RL = RC / R L Avd ? RL / r be , RL = RC / ( R L 2 ) Rid Ro Avc K CMR Ric 2 RC 0 2 r be RC R EE / r be g m r be ? RL / 2 R EE r be + (1 + ) 2 R EE 例2： = 80 ： V BE = 0.2V r ce = 50k? 一、估算Q点： V CC ? (V EE ) = 24 4.2mA I CQ 4 I R 5.7 R3 + R 2 I CQ1 = I CQ 2 = I CQ 4 2 = 2.1mA V CEQ1 = V CEQ 2 = V CC ?V E1 ? I CQ1 RC = 12 ? 0.2 ? 2.1? 3.3 5V 二、动态分析： r be = 300 + (1 + )26 1, 2 I EQ1 300 + 80 ? 26 2.1 1.3k? 等效的发射极耦合电阻REE比例式电流源的输出电阻 R EE = R o 4 (1 + 4 ) r ce 4 = 81 ? 50 = 4050k? 例2： ： 1.双出（双入或单入）： 差模特性： rbe=1.3k?, 画差模信号通路： 把直流电源、Vic 都短路； RL 两臂各分一半； 两臂的差模信号电流大 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，T4、 R1 可视作短 路（或开路）， 这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。 Avd = ? R L 80 ? (3.3 / 5.5) =? ?48 1.3 + 81? 0.025 r be + (1 + ) RW 2 Ro = 2 Rc = 6.6k? Rid = 2r be + (1 + ) RW 2 = 21.3 + 81 ? 0.025 = 6.65k? 例2： ： 1.双出（双入或单入）： 共模特性：已算得rbe=1.3k?,电流源 的输出电阻（等效的REE）为4050k?。 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 共模信号通路 射极时，需用2REE表示。RW的影响可 略。 = V oc = 0 , K CMR = Avd Avc 81 ? 2 ? 4050 = 656M? Ric = r be + (1 + )2 R EE V ic Avc 例2： ： 2. 单出-（双入或单入）： （1）差模特性： R id = r be + (1 + ) RW 2 = 1.3 + 81 ? 0.025 3.3k? Ro Rc = 3.3k? 差模信号通路 1 R L 1 80 ? (3.3 / 11) ? =? ? = ?30.5 Avd = ? 2 r be + (1 + ) RW 2 2 1.3 + 81 ? 0.025 例2： ： 2. 单出-（双入或单入）： （2）共模特性 3.3 / 11 = voc ? R L = ? = ?0.0003 Avc 2 ? 4050 vic 2 R EE Avd = 30.5 1 ? 5 10 K CMR = Avc 0.0003 20?og 10 = 100dB 5 集成电路运算放大器 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。 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。 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。 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。 集成放大器的符号 运算放大器的引线 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。 运 算 放 大 器 外 形 图 理想运算放大器的条件 1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。 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。 理想运算放大器的特性 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。 (1)虚短 (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