第04章 集成运算放大器.doc

第四章 集成运算放大器第四章 集成运算放大器科学前沿集成电路高新制造技术领域焦点目前集成电路芯片高新前沿技术主要集中在以下几个方面：(1) 电子芯片。1965年，戈登摩尔预测，每18个月集成电路芯片上晶体管的数量就会翻番，这就是著名的摩尔定律。有专家称摩尔定律最终也会因物理法则阻挠使芯片技术高增长势头终结。根据集成电路最新制造技术表明，摩尔定律所预测的趋势将最少持续多十年。芯片体积将继续缩小，而且内部可植入更多数目的晶体管与单元电路。(2) 片式系统。微电子机械系统(MEMS)，是指运用微制造技术在硅片基体上制造出集机械、传感器及电子元件一体化系统。MEMS使得片式系统（SOC）现实可行。系统中，集成电路是“大脑”，而微电子机械则赋予它眼睛和手臂，让系统能够感知与调控周围环境。作为一种突破性技术，微电子机械系统将会运用于更多的新的超越目前我们所认知的范畴。(3) 生物芯片(biochip)。生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，目前主要用途有：生物电子芯片、生物分析芯片。生物芯片本身具有并行处理功能，因此生物计算机运算速度要比当今最新代计算机快10万倍，能量消耗仅为十亿分之一，存储信息空间仅占百亿亿分之一。而且生物计算机可植入生物体与脑神经系统结合拓展大脑的能力。(4) 纳米技术。纳米技术(NT)指采用纳米级(0.1一100nm)的材料设计制造产品的技术。下一轮科技革命相信会由纳米带动。据香港中通社报道，台“国研院”纳米实验室日前开发出全球最小的9纳米功能性电阻式内存(R-RAM)，在几乎不需耗电的情况下，1平方厘米面积内可储存1个图书馆的文字数据；近日英格拉斯哥大学科学家利用纳米技术制作出世界上面积相当于一张平信邮票的大约八千分之一的最小圣诞贺卡。贺卡长290微米，宽200微米，用肉眼看不到。上绘有圣诞树，镶嵌在一小块玻璃上。展现了英国领先的纳米技术。60本章首先介绍集成电路中涉及的基本概念，然后阐述集成电路中个单元电路的实际模拟电路分析方法，重点介绍典型集成电路内部单元电路的计算、实现方法与理论。特别是详细分析了集成运放内部电路中的电流源与差放电路的工作原理及设计计算。最后介绍了集成电路使用注意事项与管脚功能等外部特性。本章重点内容有:(1) 多级放大器分析原理与方法；(2) 典型差动放大器基本理论与分析计算方法；(3)分析镜像电流源、比例电流源、微电流源等常见电流源电路原理与主要参数计算;(4) 集成电路使用方法。现代电子设备向微型化、多功能方向发展。自1904年在英国物理学家弗莱明发明真空电子管发明后，至今电子器件已经历了五代发展过程。集成电路(Integrated circuit-IC)的诞生，使电子技术出现了划时代的革命，它是现代电子技术和半导体计算机发展的基础，也是微电子技术(micro electronic technique)发展的标志。因此，集成电路全部或部分取代分立元件设计电子信息系统已经成为设计的基本理念。最典型的集成电路就是运算放大器（常简称为“运放”）(operational amplifier-OP、OPA、OPAMP)，它是具有很高放大倍数的电子器件。在实际电路应用中，通常结合反馈网络共同组成某种功能电路单元模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。4.1多级放大电路集成电路主体电路实际上是直接耦合的多级放大电路（multistage amplification circuit）。因此，多级放大电路的原理分析以及主要性能指标的计算对集成电路设计至关重要。本节主要讲解多级放大电路的耦合方式和主要性能指标计算分析方法。难点是直接耦合电路的设计与计算。4.1.1 多级放大电路级间耦合方式多级放大电路的构成较为灵活，可以是不同组态的单元电路构成，而且各单元电路可由不同类型（不同种类、不同型号）的三极管作为核心放大器件。但需要注意，多个单元放大电路的联接，产生了单元电路间的级联(cascading)问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的有效传输，且保证各级的静态工作点合理。常见耦合方式主要有：直接耦合（direct coupling）；电容耦合(capacitive coupling)；变压器耦合（transformer coupling）；光电耦合（photoelectrical coupling）。1电容耦合如图4-1所示同类三极管构成的两级电容耦合放大器,它通过电容C2将第一级和第二级电路连接起来实现交流信号顺利传输。由于电容隔直作用，前后级静态工作点（Q）是独立的，即直流信号不能传送到下一级。静态分析相对容易，由于前后级Q互不影响，各级等同于分立的单级放大电路分析，延用前面讲过的单管放大器静态分析方法。2变压器耦合如图4-2所示电路为变压器耦合放大器，第一级与第二级之间通过变压器传递交流信号,由于变压器隔直作用，前后级直流没有联系，因此变压器耦合放大器具有有效隔除直流，传递某一频率的交流信号的作用。因此各放大级的Q也相互独立。变压器耦合的主要优点是可以实现输出级阻抗与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。这种匹配方式在大功率放大场合例如分立元件扩音机，音响功放等系统中还有使用，但由于变压器本身特点的限制，不能在集成电路中应用。 图41阻容耦合多级放大电路 42 变压器耦合多级放大电路3直接耦合多级放大器直接耦合方式是指前一级的输出信号直接通过导线(或电阻)加到下一级输入端而实现信号顺利传递与放大的级联方式。实际电路如图4-3所示。多级直接耦合（电阻耦合）放大器静态分析要特别注意前后级放大器的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要解决的问题。特别是注意放大电路构成条件，由于直接耦合放大器前级的集电极电压等于下一级的基极电压，例如如果将图4-3(a)中的RE2用短路线代替，则可能导致三极管T1构成的前级放大器不能工作在放大状态。目前实际解决此类问题的方法有下面三种。1) 电位移动直接耦合放大电路如图4-3(a)所示电路, RE2构成电平移动电路。由于，UC1=UB2，所以UC2=UB2+ UCB2UB2(UC1)这样，既满足了放大条件，多级放大电路又能够正常工作。但可以分析出，如果放大级数较多，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻（电平移动关键器件），从而给电路设置正确的工作点与集成带来带来技术上困难。因此，这种方式只适用于级数较少的多级放大电路。2）NPN+PNP组合多级放大器组合电平移动直接耦合放大电路是为避免电位移动直接耦合多级放大电路缺点，级间采用NPN管和PNP管搭配的方式构成的多级放大器，如图4-3（b）所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，因此，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高而且能够满足放大条件。3) 电流源电平移动放大电路在模拟集成电路(analogue integrated circuit）中常采用一种电流源电平移动电路，如图4-3(c)所示。电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。由于电流源交流电阻大，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，输出端的直流电平并不高。这样，就实现了直流电平的合理移动。(a)电平移动直接耦合放大器 (b)NPN+PNP直接耦合放大器 (c)电流源电平移动直接耦合放大器图4-3 直接耦合多级放大电路4光电耦合多级放大器光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。实现光电耦合的基本器件是光电耦合器(photoelectric couplerPC)。1) 光电耦合器光电耦合器将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图4-4（a）所示。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在输出回路常采用复合管（也称达林顿结构）形式以增大电流放大倍数。将发光器件和光敏器件封装在同一个管壳内组成的电光电器件。由图4-4(b)、(c)可见，光电耦合器存在着非线性工作区域，如果直接用来传输模拟量时精度较差。光电耦合器的输入端是发光二极管，因此，它的输入特性可用发光二极管的伏安特性来表示，如图4-4(b)所示；输出端是光敏三极管，因此光敏三极管的伏安特性就是它的输出特性，如图4-4(c)所示。它的输出特性是描述当发光二极管的电流为一个常量iD时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系，即 （4-1）(a)光电耦合器 (b)输入特性 (c)输出特性图4-4 光耦元件输入输出特性在c-e之间电压一定的情况下，iC的变化量与iD的变化量之比称为传输比CTR（current transfer ratio），即 （4-2）不过CTR的数值比小得多，只有0.10.5。2) 光电耦合放大电路光电耦合放大电路如图4-5所示。图中信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路(输出端)。当动态信号为零时，输入回路有静态电流ID，输出回路有静态电流IC，从而确定出静态管压降UCE。当有动态信号时，随着iD的变化，iC将产生线性变化，电阻RC将电流的变化转换成电压的变化。当然，uCE也将产生相应的变化。由于传输比的数值较小，所以一般情况下，输出电压还需进一步放大。实际上，目前已有具有较强的放大能力的集成光电耦合放大电路。在图4-5所示电路中，若信号源部分与输出回路部分采用独立电源且分别接不同的“地”，则即使是远距离信号传输，也可以避免受到各种电干扰。光电耦合放大器特点是以光为媒介实现电信号的传输，能有效的抗干扰，隔躁声，响应快，寿命长。光耦取代变压器、电容，失真小，工作频率高；光耦还可以代替继电器，优点是无机械触点疲劳，可靠性高还可实现电平转换，电位隔离等功能。图4-5光电耦合放大电路需要强调的是，集成运放主体电路结构就是多级放大电路的级联组合，而适合的多级放大耦合方式有直接耦合与光电耦合方式两种。由于电抗原件（电感、电容等）体积与重量的原因不适合集成芯片技术。光电耦合是近几年才出现的耦合形式，但在某些工程应用方面（如光纤技术）已经呈现了很大的技术价值，有可能成为未来通信技术集成芯片的主导形式。4.1.2 多级放大电路的分析方法多级放大器构成形式非常多，核心放大器件可以由各种三极管（场效应管，晶体管，复合管等）构成。但分析方法与原则都遵循先直流后交流的分析原则。直流分析要根据直流通路进行，而交流分析要先作出交流通路进而再转换成微变等效模型后进行分析。1多级放大电路组成形式多级放大电路框图如图4-6所示，其最终可以等效为增益很大的单级放大电路，因此，单级放大电路分析的性能指标都是多级放大要研究的内容，如直流分析（静态工作点计算）；动态分析，主要分析指标为电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。需要指出的是各种耦合形式多级放大器交流形式相同，因此各种耦合方式的多级放大电路交流分析并无本质区别。图4-6 多级放大电路框图2多级放大电路的主要性能指标计算方法分析如图4-7（a）所示由场效应管共源放大器与晶体管共射放大器组成的两级放大电路。 (a) 阻容耦合多级放大器 (b) 阻容耦合多级放大器微变等效的电路图4-7 多级放大分析示意图1) 估算各级静态工作点前后级阻容耦合，由于电容隔直特点，各级工作点相互独立，各级独立计算，这里不再重复。2) 动态分析动态分析要利用微变等效电路分析，因此作出微变等效电路见图4-7（b）。(1) 计算第二级的输入电阻：由于 (4-3)则有ri2= R3/R4/rbe (4-4)(2) 计算各级电压放大倍数： (4-5) (4-6)(3) 计算输入电阻、输出电阻：因为所以ri= ri2R1/R2 (4-7)计算输出电阻，将图4-7(b)信号源置零得到计算输出电阻的等效图如图4-8所示。根据其计算ro如下：图4-8 多级放大计算输出电阻微变等效图由于ro=uo/ioRC (4-8)（4）计算总电压放大倍数：因为 (4-9)而源放大倍数为 (4-10)根据以上分析，多级放大分析过程计算步骤与方法如下： 首先计算出各级放大电路的直流工作电流IEQ1、IEQ2、IEQn； 再计算出各级放大电路的rbe1、rbe2、rben。 画出微变等效电路。 从末级开始逐级向前推进，计算出各级的电压放大倍数Au1、Au2、Aun。计算时应当注意，后级放大电路是前级的负载。 计算总电压放大倍数AuN (4-11)或用分贝（dB)表示，则：20lg|Au|=20lg|Au1|+20lg|Au2|+20lg|Aun|(dB) (4-12) 算输入电阻ri和输出电阻ro一般情况下，多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻，输出电阻等于末级的输出电阻ron。即ri= ri1; ro=ron (4-13)例4.1 已知图4-9所示为两级放大电路，有关参数示于图中。三极管的参数为UCC=20V，1=2=100，RS=1K，UBE1=UBE2=0.7V，RB1=51K，RB2=20K，RC1=5.1K， RE2=3.9K, RC2=4.3K，RE1=2.7K。计算放大器总电压放大倍数，以及输入、输出电阻。(a) 直接耦合两级放大器 (b) 直接耦合两级放大器微变等效电路图4-9 例4.18图解 放大电路分析遵循先直流后交流的顺序。计算时要注意晶体管rbe与IEQ有关。（1）求静态工作点。将图4-9（a）电容短路，作出电路直流通路（略）。根据直流通路近似计算如下：UC1=UB2=UCCICQ1RCQ1UCEQ1=UCC ICQ1RC1 IEQ1RE1 UCCICQ1(RC1+ RE1)=(120.995.1)V=7VUE2=UC1+0.7V=7.7V UCEQ2=UCC ICQ2RC2 IEQ2RE2 UCCICQ2(RC2+ RE2)=3V则有Q1(9.9A ,3.38V;0.99mA,7V); Q2(11A ,7V;1.1mA,3V)。（2）求电压放大倍数。先计算三极管的输入电阻，有则各级电压增益为式中，ri2 =rbe2,RL=。（3）求输入电阻。ri=ri1=rbe1/Rb1/Rb2 =(3/51/20)=3/14.4=2.48k。（4）求输出电阻。ro=RC2=4.3k。本题结论 利用NPN+PNP构成电平移动直接耦合共射放大电路，增益很高，通过合理设计选择参数可以得到很低的直流工作点。4.1.3 组合多级放大电路比较三种组态放大电路，各有优缺点。共射极（共源极）电路既有电压增益，又有电流增益，应用最广，常用作各种放大器的主放大级。但作为电压或电流放大器，它的输入和输出电阻并不理想即在电压放大时，输入电阻不够大。且输出电阻又不够小；而在电流放大时，则输入电阻又不够小且输出电阻也不够大。为满足对输入、输出电阻及其它性能要求，结合三种基本放大电路的特性，将它们适当组合，取长补短，可获得性能优良的组合放大器(groupamplifier)。特别是组合多级放大电路在芯片内部的电路结构形式中应用非常普遍。1共集共射和共射共集组合放大电路共集共射(CCCE)和共射共集(CECC)组合放大器的交流通路分别如图4-10所示。其直流工作点设置电路原则与其他多级放大器相同。利用共集放大器输入电阻大而输出电阻小的特点，将它作为输入级构成如图410(a)所示的CCCE组合放大电路时，具有很高的输入电阻，这时源电压几乎全部输送到共射电路的输入端。而如图410(b)CECC则具有很低的输出电阻与较大的放大倍数。(a)共集-共射放大器 （b）共射-共集放大器图4-10 CCCE和CECC组合放大器的交流通路2.共射共基组合放大器共基放大器的输入电阻很小，将它作为负载接在共射电路之后，致使共射放大器只有电流增益而没有电压增益。而共基电路只是将共射电路的输出电流接续到输出负载上。因此，这种组合放大器的增益相当于负载为RL(=RC/RL)的一级共射放大器的增益，二者有机结合可获得性能接近最佳的组合放大器，共射共基(CECB)组合放大器及其交流通路分别如图4-11所示。（a）共集-共基组合放大器 （b）共集-共基放大器交流通路图4-11 CECB组合放大器及其交流通路由图411，有 (4-14) (4-15)CECB组合放大器接入低阻共基电路使得共射放大器电压增益减小的同时，也大大减弱了共射放大管内部的反向传输效应。一方面提高了电路高频工作时的稳定性，另一方面明显改善了放大器的频率特性。因此，该电路形式在高频电路中广泛应用。例4.2 已知gm，rbe,试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。(a) 共源-共基组合放大器 (b) 共源-共基组合放大器微变等效电路图4-12 例4.2题图解 由于三极管rbe，gm已知，不需通过分析直流计算。因此，直接进行动态分析既可。画中频小信号等效电路如图4-12(b),则电压增益计算过程为：gmugs=(1+)ibuo=ibRC=(gmugsib)RCgmugsRCui=ugs+gmugsRS1计算输入输出电阻过程已经在前面讲过，这里直接写出结果，则有ri=RGugs+gmugs=0;ugs=0则有RORC解题结论 输入级采用MOS管，可以有效利用其输入电阻大、低功耗的优点，第二级采用晶体三极管利用其放大倍数高输出电阻低的特点组成综合性能好的两级放大器。4.2 集成运放中的电流源电流源(current source）电路在集成运算放大器中内部电路中使用非常广泛，主要作用有给各级放大单元提供静态偏置、作为放大器的有源负载、构成恒流源差放等。其基本组成的设计形式非常灵活。与电压源相对应，只要是使输出电流恒定的电源电路就称为电流源。在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路输出电流源等。虽然电流源种类非常之多，但设计电流源的总原则必须遵循以下两条： 输出符合集成电路技术要求的稳定直流电流Io； 交流输出等效电阻尽可能大。本节基本要求是正确理解电流源的定义及种类。难点是针对各类型电流源电路的原理进行计算分析。恒流源的计算是本节难点，要遵循计算方法是： 确定恒流源电路中的基准晶体管或场效应管； 计算或确定基准电流； 根据半导体器件之间的一致性，计算输出恒流值； 绘制恒流部分的交流通路，确定恒流源内阻。由于恒流源的内阻较大，计算恒流源内阻时不能忽略三极管集电极与发射极之间，或场应管漏极与源极之间的动态电阻。4.2.1 镜象电流源三级管电流源主要利用三极管放大状态输出端恒流特性设计出来的。恒流源构成三极管既有单极性的场效应管也有双极性的晶体三极管。在分立元件电路中和某些模拟集成电路中，常用如图4-13(a)所示耗尽型MOS管(或JFET)工作与恒流区（放大状态）组成的单管电流源。(a)MOS管恒流源 (b)MOS管恒流源微变等效电路图4-13 MOS管恒流源及其微变等效电路由交流等效电路图4-13(b)，有 (4-16)用晶体管构成电流源结构如图4-14(a)所示，三极管射极偏置电路由Ucc、RB1、RB2和RE组成，当它们确定之后，基极电位UB固定（IB一定），可以推知IC基本恒定。另外，从三极管的输出特性(曲线)也可以得到结论：三极管工作在放大区时，IC具有近似恒流的性质。当IB一定时，三极管的直流电阻 （4-17)一般UCEQ一般为几伏，所以RCE不大。交流电阻为 (4-18)本节主要研究由双极性晶体管构成的稳定的电流源特性。1电路组成基本镜像(mirror image)电流源主要是利用半导体三极管恒流特性制成。镜象电流源是由图4-13（a）三级管电流源演变而来的最基本的且精度不高的电流源。如图4-13(b)所示，电路结构主要由做在同一小块硅片上的两个相邻三极管T1、T2构成。其中T1管结成二极管。2电流估算基本镜像电流源电路如图4-14(b)所示，其微变等效电路见图4-14(c)。(a)三极管电流源 (b)镜向电流源 (c)镜像电流源微变等效电路图4-14 三极管电流源与镜像电流源由于构成三极管T1、T2工艺、结构及材料均相同，因此，二管子性能参数相同，则UBE1=UBE2=UBE，因此两管对应的电极电流也对称相等，即IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC由图可得流过电阻R的电流为 (4-19)根据分流关系，又可有 (4-20)当2时，有 (4-21)IREF称为基准电流，而将IC2作为输出电流，供给其它单元电路。由上式可知，IC2等于IREF，一旦IREF确定，IC2便随之确定，IREF稳定，IC2也随之稳定，IC2与IR成为一种镜像关系，故称其为镜像电流源。镜像电流源的输出电流IC2只决定于基准电流IREF，而与T2集电极负载大小及性质无关。同时，T1对T2具有温度补偿作用，IC2温度稳定性能好（假设温度增大，使IC2增大，则IC1增大，而IREF一定，因此IB减少，所以IC2减少）。当R和UCC确定后，基准电流IREF也就确定了，IC2也随之而定。3.提高镜象精度方法由式子(4-21)知，镜像电流源有如下缺点：首先IREF（即IC2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。其次，适用于较大工作电流的场合。该电流源可以提供毫安级电流。若要IC2下降，则R就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。再次，交流等效电阻Ro不够大，恒流特性不理想。最后，由式子(4-21)知，IC2与IREF镜像精度决定于。当较小时，IC2与IREF的差别不能忽略。下面讨论针对镜像电流源存在问题讨论改进方法。1）改进电路加上缓冲单元电路对于基本镜像电流源来说，当三极管的值不够大时，IC2与IREF就存在一定的差别。为了减小镜象差别，在电路中接入BJTT3，称为带缓冲级的镜象电流源。如图4-15（a）所示。利用T3的电流放大作用，进一步减小了T1和T2基极电流对IREF的分流作用，从而提高了IC2对IREF的镜像程度。假设1=2=3=且1，而且管子对称性好，有IC1=IC2。则有： （4-22）又由于T3发射极电流IE3为IE32IB2则有 （4-22）又由于IE3=IB3（1+）=（IREFIC1）（1+）所以 （4-23）22时，有IC2IREF。比较基本镜象电流源条件，很易满足条件。也就是说，值较低时镜像精度就能达到较大值基本镜象电流源。该电路利用T3的电流放大作用，减小了IB对IREF的分流作用，从而提高了IC2与IREF镜象的精度。原镜象电流源电路中，对IREF 的分流为2IB;带缓冲级的镜象电流源电路中，对IREF 的分流为2IB/3,比原来小。2）改进电路二比例电流源集成电路中需要微安级电流。如图4-15(b)所示带有发射极电阻的镜像电流源就可以提供。它是针对基本镜像电流源交流等效电阻ro不够大，恒流特性不理想而在镜像电流源两个三极管发射极引入RE1、RE2构成比例电流源。(a)带缓冲电路电流源 (b)比例电流源 (c)比例电流源微变等效图图4-15 电流源改进电路图之一比例电流源设计时两管仍要有对称性，则有RE1=RE2。分析由T1组成的回路，有IREFR+UBE+IE1RE1=UCC (4-24)由于UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2 (4-25)根据三极管发射极电流方程则有 (4-26)根据T1和T2的对称性可得IES1=IES2=IES (4-27)将式(4-27)代入式(4-25)中可得： (4-28)当2时，有IC0IE0IREF，IC1IE1，将这些关系代入式(4-28)可得 (4-29)在一定的范围内，IREFIC2，上式中的对数项可忽略，则 (4-30)将(4-24)带入(4-30) (4-31)与(4-21)式相比可得，在相同IC1的情况下，可以用较大的R，以减少IREF的值，降低R的功耗。同时RE1和RE2是两个三极管的发射极电阻，在电路中引入电流负反馈，使两三极管的输出电流更加稳定。计算T2的输出电阻ro，列出方程组如下： 解出ro为 (4-32)由公式(4-32)看出，输出阻值ro较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性。温度稳定性比基本电流源好得多。若此电路不对称，RE1也不等于RE2，则：UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2（式中，IE1即IR，IE2即Io） (4-33)参数对称的两管在IC相差10倍以内时，|UBE1-UBE1|60mV。所以，如果Io与IREF接近，或IREF较大，则UBE可忽略。 (4-34)即只要合理选择两T射极电阻的比例，可得合适的IC2、ro。因此，此电流源又称为比例电流源。集成电路中实现比例电流源常通过改变两个三极管发射区面积比来实现。因为发射区电流与发射区面积成正比。即,W为禁区宽度，n为杂质浓度，SE为发射区面积。若两管的W、n相等，而且管子值较大，则有下式成立： (4-35)若T2用双发射极三极管，则IC2=2IREF。采用此种设计方法,集成电路内部就不用设计较大的电阻RE1、RE2。3）改进电路三串接电流源为获得更高的输出电阻，利用T3，T4组成的基本电流源代替RE1，RE2，主要是用T4的输出电阻代替RE4 。由图4-16(a)得： (4-36)而所以由于管子对称性，可以求得 (4-37)由图4-16得到，带入(4-37)所以 (4-38)再由电路图4-16及等效电路图4-16（b）输出电阻ro。 (4-39)(a) 改进电流源 (b)改进电流源微变等效电路图4-16 电流源改进电路之二4.2.2微电流源镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，这在集成电路技术中要避免的，若需要减小IC2的值（例如达到微安级），可采用微电流源电路。1.电路组成与原理为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻RE2，便构成微电流源。如图4-17(a)所示。电流估算过程如下，由图4-17(a)可得：UBE1-UBE2=UBE=IE2Re2所以 (4-40)可见，利用两管基-射电压差UBE可以控制Io。由于UBE的数值小，用阻值不大的RE2接入电路即可得微小的工作电流微安级的电流源，称为微电流源。因DUBE小，IO IREF。同时IO稳定性也比IREF好。可见，用阻值不大的RE2就可获得微小的工作电流。由对照式子（4-27）得到 (4-41)方程为超越方程，可以利用解超越方程的图解法或凑试法解。其中UT为温度电压当量。利用图4-17(b)可计算输出电阻ro。 (4-42)公式(4-42)推导过程见例题4-3。(a)微电流源 (b)微电流源微变等效电路图4-17 微电流源及其微变等效电路2微电流源特点概括微电流源共性特点，主要有：（1）基准电流与输出电流确定。T1，T2是对管，基极相连，当UCC、R、RE2已知时，（略去UBE），当UBE1、UBE2为定值时，也确定了。（2）抗干扰能力强。当UCC变化时，IREF、UBE也变化，由于RE2的值一般为千欧级，变化部分主要降至RE2上，即UBE2 RC，有源负载大大提高了放大电路的电压增益。例4.3 计算如图4-21所示三极管电流源的等效动态电阻(输出电阻)。解 (1) 计算三极管电流源输出电阻。晶体管组成的普通恒流源电路如图4-21(a)所示。考虑管子本身的输出电阻rce时，恒流源的微变等效电路如图4-21 (b)。在输出端加交流电压uo并求出io后，就可以求出恒流源的输出电阻ro。假设RB=RB1RB2，由图4-21 (b)可写出下面两个方程；uo=(ioib)rce+(io+ib)RE （1）ib(rbe+RB) +(io+ib)RE=0 （2）又由(2)式可以得到带入方程(1)可推算出交流电阻为为几十千欧至几百千欧。根据实际工程情况把ro进一步近似，得(2) 微电流源的输出电阻。如图4-17所示，微电流源的微变等效电路与图4-21(b)相似，只是rbe=rbe2，rce =rce2，RB1=R， RB2=rd，RE2=RE。由于ie2ie2，rbe1 rce,即恒流源的输出电阻很大（理想值）。RE愈大，恒流源的输出电阻ro愈大，愈接近于恒流。4.3 差动放大电路直接耦合多级放大器前后级工作点互相影响，同时又由于半导体放大器件本身某些参数因受温度影响而变化，所以温度漂移现象在放大电路中的存在不可避免。多级放大器中第一级产生的温漂即使非常的微小，但经过后续各级放大器放大后就会非常大，有时就会淹没输入信号。特别是设计集成运放内部单元电路，由于其为高增益器件，温漂现象的存在使设计技术上的难度变得非常之大。可以说，能否消除温漂的关系到集成电路设计的成败。通常半导体制作技术消除温漂最有效的方法是在前级(第一级)放大电路采用差动放大电路。另外，差动放大电路也常用在诸如传感器信号放大电路等低频放大场合，所以，差动放大电路在电子信息处理系统与信号运算电路中的作用非常重要。4.3.1 差分式放大电路基本概念差动放大电路又叫差分电路，不仅能有效的放大直流信号，而且在交流环境中也能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化等原因引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。本节主要研究分析差分放大器过程中经常用到的概念，并详细讨论差动放大器的工作原理和基本性能。1零点漂移如果将直接耦合放大电路的输入端信号源置零，输出端仍然会有一固定的直流电压输出，即静态输出电压。实际上静态输出电压随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。对于差分电路，当输入端信号为零时（短路），输出应为零。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离零电位。这种现象也是零点漂移。分析零漂产生的主要原因有：(1) 温度的变化。集电极电流IC的变化，静态工作点发生变化，输出漂移量；(2) 电源电压波动。引起静态工作点的波动，产生零点漂移；(3) 元器件（主要是晶体管）参数变化。元器件参数变化必然会导致原来设计的静态工作点过高或低而产生漂移量。在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题，抑制零漂的方法一般有如下几个方面： 选用高质量的硅管； 采用补偿的方法，用一个热敏元件，抵消IC受温度影响的变化； 采用差动放大电路。温漂对差分放大器的影响相当于在两个输入端加入了共模信号。当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。2差模信号和共模信号常用概念差模信号（differential mode signal）：在差动放大电路两端加大小相同，方向相反的一对信号称差模信号，常用uid表示。如果在两输入端加不对称的信号ui1与ui2，则有：uid=ui1ui2 (4-46)共模信号（common mode signal）：是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。通俗的说，两信号的算术平均值、大小相等，相位相同就可称为共模信号，常用uic表示。同样在两输入端加不对称的信号ui1与ui2，则有： (4-46)根据以上两式可以将两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分，即; (4-47)共模与差模信号如图4-22所示。图4-22共模与差模信号比较示意图3差动放大器主要性能指标差动放大器指标除包括放大器的所有指标性能外，就其在电路中主要承担消除温漂的任务来说，需重点介绍与抑制温漂有关的性能。(1) 放大电路对差模输入信号的放大倍数称为差模电压放大倍数Aud (4-48)(2) 放大电路对共模输入信号的放大倍数称为共模电压放大倍数Auc： (4-49)在差、共模信号同存情况下，线性工作情况中，可利用叠加原理求放大电路总的输出电压uo。uo=Audusd+Aucusc (4-50)假设设有一个理想差动放大器，已知：us1=25mV，us2=10mV，Aud=100，Auc=0。则有：差模输入电压usd=us1-us2=15mV；共模输入电压usc=(us1+us2)/2=35/2=17.5mV；输出电压uo=Audusd+Aucusc=10015+017.5=1500 mV。(3) 共模抑制比（common - mode rejection ratio- CMRR): (4-51) (4-52)4.差模输入电阻rid: (4-53)5.差模输出电阻rod: (4-54)6.共模输入电阻ric： (4-55)4.3.2基本差分式放大电路差分式放大电路是一个双口网络，每个端口有两个端子，可以输入两个信号，输出两个信号。其端口结构示意图如图4-23所示。图4-23 差动放大电路方框图 本节主要研究双口差放电路框图内部元件的组成与抑制温漂原理。1电路组成及特点基本的差动放大器组成如图4-24所示，由两个共射极放大器组成。其最重要特点是电路对称，射级电阻共用，或射极电阻用电流源（电流源的作用和大电阻是一样的）代替；有两个输入端与两个输出端。为在设计时保证严格的对称性而在电路中静态工作点调节端附加了调零电位器，见图4-24。(a)发射极调零差分放大器 (b)集电极调零差分放大器图4-24 带调零的基本差动放大电路2差放工作原理分析分析如图4-24(a)所示电路，从动态、静态两个方面介绍其基本原理。(1) 静态分析。因没有输入信号，即us1=us2=0时，由于电路完全对称：IC1=IC2=0.5I则有RC1 IC1= RC2 IC2则有UO=UC1-UC2=0静态时，所以输入为零时，输出也为零。(2) 动态分析。加入差模信号时，即ui1=ui2=0.5uid。从电路上看，ui1增大使得ib1增大，使ic1增大，同时使得uc1减小。ui2减小使得ib2减小，又使ic2减小，使得uc2增大。由此可推出：uo=uc1uc2=2uc1=2uc2。若在输入端加共模信号，即ui1=ui2。由于电路的对称性和恒流源偏置，理想情况下，uo=uc1uc20，电路无输出。这就是所谓“差动”的意思两个输入端信号之间有差别，输出端才有变化信号输出。晶体管随工作时间的持续温度就会上升，三极管随温度变化明显的参数及变化规律为ICBO，两参数随温度上升而加大，而UBE具有负温度系数。由于两个差动放大管工作环境相同，所以温漂的变化规律对于差动放大电路来讲是共模信号，根据这个特点，电路抑制温漂原理定性分析如下：TIC1(IC2)IE1(IE2)UE(UB1、UB2不变)UBE1(UBE2)IB1(IB2)IC1(IC2)(3) 温漂特点。在差动式电路中，无论是温度的变化，还是其他原因引起的两个三极管的集电极电流、电压的的变化都相当于在两个输入端加入了共模信号。理想情况下，由于管子与电路参数对称而使输出电压不变，从而抑制了零漂。当然实际情况下，要做到两管以及电路参数完全对称是比较困难的，因此，差动电路会输出大为减小的漂移电压。综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的基本特征。通常情况下，我们感兴趣的是差模输入信号，对于这部分信号，希望得到尽可能高的放大倍数；而共模输入信号可能反映由于温度变化而产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某些干扰信号，对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。经过统计，常见的共模信号来源有： ui1不等于ui