模拟电子技术基础第15讲恒流源和差分放大电路.ppt

6 1集成电路运算放大器中的电流源 6 2差分式放大电路 6 3集成电路运算放大器 6 4集成电路运算放大器的主要参数 6集成电路运算放大器 小结 作业 学习指导 概述 6 5专用型集成电路运算放大器 学习指导 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 构成特定功能的电子电路 称为集成电路 其体积小 而性能却很好 集成电路按其功能分 有模拟集成电路和数字集成电路 模拟集成电路的种类繁多 其中集成运算放大器 简称集成运放 是应用极为广泛的一种 主要内容 1 集成运放中的电流源 2 差分式放大电路 3 集成运放及主要参数 基本要求 1 正确理解镜像电流源 微电流源的工作原理 特点和主要用途 2 重点掌握差分放大电路的工作原理和各项指标的计算 3 正确理解运放的基本组成和工作原理 学习目标 1 了解电流源的构成 恒流特性及其在放大电路中的作用 2 正确理解直接耦合放大电路中零点漂移 简称零漂 产生的原因 以及零漂指标的定义方法 3 熟练掌握差模信号 共模信号 差模增益 共模增益和共模抑制比的基本概念 4 熟练掌握差分放大电路的组成 工作原理以及抑制零点漂移的原理 5 熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算 以及输出与输入之间的相位关系 6 了解集成运放的内部结构及各部分功能 特点 7 了解集成运放主要参数的定义 以及它们对运放性能的影响 概述 集成电路组件 将有源器件 无源器件电阻电容及电路连线等都集中在一块半导体基片上 并封装在一个外壳内便形成一个完整的电路和系统 集成元器件的特点 1 电路结构与元件参数具有对称性电路中各元件在同一基片上 又是通过相同工艺过程制造的 容易制成特性相同的管子 通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差 它们的比值误差较小 匹配性好 对称性也好 因此集成电路中大量采用比值电路和对称电路 2 三极管是集成化元器件中最容易制造的 最基本的元件 二极管大多由三极管的发射结构成 3 用有源器件代替无源器件 1 电阻元件由半导体的体电阻构成 阻值越大 占用面积越大 其范围几十 20k 高阻值的电阻多用三极管等有源元件代替或外接 2 电容元件一般由PN结的结电容或MOS管电容来制作 一般的容量小于200PF 不易制造大电容和电感元件 故集成电路中常采用直接耦合方式 集成运算放大器 集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路 1 要放大缓慢变化的信号2 便于集成 运放的基本单元电路1 电流源2 差分式放大电路 6 1集成电路运算放大器中的恒流源 镜像电流源 多路电流源 电流源作有源负载 微电流源 在模拟集成电路中 广泛地使用电流源 为放大电路提供稳定的偏置电流 或作为放大电路的有源负载 1 镜像电流源 电路组成 T1 T2的参数完全相同 即 参考电流 输出电流 当 1 镜像电流源 恒流特性 无论Rc的值如何 IC2的电流值将保持不变 把IC2看作是IREF的镜像 故称为镜像电流源 当不够大时 二者就存在一定的差别 故引入T0 精度更高的镜像电流源 所以 1 镜像电流源 交流电阻 由于T2的集电极电流基本不变 所以交流量 一般Ro在几百千欧以上 优点 1 从结构上来看 T1对T2有温度补偿作用 IC2的温度稳定性较好 2 可以得到较大的工作电流 mA级 要想减小IC2 就要增大R 不利于集成 所以引入微电流源 缺点 2 微电流源 所以IC2也很小 数千欧 故称为微电流源 3 多路电流源 当IREF确定后 改变各电流源的射极电阻 可以获得不同比例的输出电流 4 电流源作有源负载 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 因此增益为 表明集电极动态电流几乎全部流向负载电阻 即用电流源取代共射极电路的集电极电阻RC 放大管 6 2差分式放大电路 直接耦合放大电路 零点漂移 长尾差分式放大电路 组合差放 6 2 0概述 6 2 1差分式放大电路 差分式放大电路中的一般概念 恒流源差分放大电路 共模负反馈差放 6 2 0概述 1 直接耦合放大电路 可以放大直流信号 2 直接耦合放大电路的零点漂移 零漂 主要原因 温漂指标 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式 外因 温度变化 温漂 电源电压的波动 温度每升高1度时 输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值 1 阻容耦合方式适用于 20Hz 200KHz 的交流信号 但在实际应用中 待放大的信号频率可能低于20Hz 或者是变化比较缓慢的 此时耦合电容的容抗会增加 增大了信号的衰减 阻碍了信号的传输 2 在集成电路中制造电容比较困难 比如制造一个10pF的电容 所占用的硅片面积是制造10个三极管所占用的硅片面积 不利于集成 内因 直接耦合和BJT是温度敏感器件 例如 若第一级漂了10mV 则输出漂移1V 若第一级没有漂移 第二级漂了10mV 则输出漂移10mV 假设 第一级是关键 3 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式 采用差分式放大电路 100uV 漂移10mV 漂移1V 1V 漂移10mV 漂移10mV 差分电路的组成 由两个结构完全对称的共射电路组成 通过射极公共电阻Ree耦合构成 1 2 VBE1 VBE2 VBErbe1 rbe2 rbeICBO1 ICBO2 ICBORC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 6 2 1差分式放大电路 一 长尾差分式放大电路 差分电路的输入输出方式 输入方式 单端输入 双端输入 输出方式 单端输出 双端输出 差模信号和共模信号 差模信号 一对大小相等 极性相反的信号 用Uid1 Uid2表示 Uid1 Uid2 共模信号 一对大小相等 极性相同的信号 用Uic1 Uic2表示 Uic1 Uic2 差分电路的分析 1 静态分析 由于电路结构对称 管子特性一致 IBQ1 IBQ2 IBQICQ1 ICQ2 ICQUC1 UC2 UC 差分电路的分析 2 动态分析 Uid1 Uid2 即相当于输入一对差模信号 Ie1 Ie2 Ib1 Ib2Ie1 Ie2Uc1 Uc2 流过Ree上的交流总电流 Ie Ie1 Ie2 0 Ree上交流压降为0 因此 画交流通路时 Ree可视为短路 即两管的发射极直接接地 由Uc1 Uc2可知RL两端电位一端为正 一端为负 RL的中点应是地电位 即每管对地的负载电阻为RL 2 1 对差模信号的放大作用分析 工作原理 2 动态分析 1 对差模信号的放大作用分析 R L Rc RL 2 rid 2 Rb rbe rod 2Rc 与单管增益相同 差分电路的分析 Uid1 Uid2 双端输入 双端输出 rid 2 Rb rbe rod 2Rc 双端输入 单端输出 是单管增益的一半 rid 2 Rb rbe rod Rc 2 动态分析 1 对差模信号的放大作用分析 差分电路的分析 工作原理 2 对共模信号的抑制作用分析 Iec1 Iec2 Uic1 Uic2 Uic Ibc1 Ibc2Iec1 Iec2 流过Ree上的电流 Iec Iec1 Iec2 2Iec1 Ree上的电压 URee Iec1 2Ree 画交流通路时 单管射极电阻应为2Ree 单端输出电压增益 2 动态分析 差分电路的分析 1 2Ree Rb rbe 工作原理 对于Uic来说 两个输入端并联 因此差放双端共模输入电阻为 差放的特点 输入无差别 输出就不动 输入有差别 输出就变动 2 对共模信号的抑制作用分析 2 动态分析 差分电路的分析 共模抑制比CMRR 衡量差放的一个重要指标 或 双端输出 单端输出 3 对任意信号的分析方法 Ui1 Uic Uid 2Ui2 Uic Uid 2 Uic Uic1 Uic2 Ui1 Ui2 2Uid Ui1 Ui2 Uid1 Uid2 Uid 2 例 Ui1 10mVUi2 8mV Uic Ui1 Ui2 2 9mVUid Ui1 Ui2 2mV Ui1 Uic1 Uid1 9 1 mVUi2 Uic2 Uid2 9 1 mV 2 动态分析 差分电路的分析 已知Ec 12V Ee 6V 60rbb 100 Rc Rb Ree 10K RW 100 Ui1 5mV Ui2 3mV求 输入差模电压Uid1 Uid2和共模电压Uic 双端输出差模 Uod和共模电压 Uoc 解 求静态值 rbe 例题 求Uid1 Uid2 Uic Uid1 Uid2 Ui1 Ui2 2 Uic Uic1 Uic2 Ui1 Ui2 2 5 3 2 4mV 5 3 2 1mV 求AUd Uod 31 31 1 31mV 求AUc Uoc 双端输出 AUc 0 Uoc 0 例题 二 恒流源差分放大电路 为了提高共模抑制比应加大Ree 但Ree加大后 为保证工作点不变 必须提高负电源 这是很不经济的 同时集成电路难以制造大电阻 为此可用恒流源来代替Ree 恒流源动态电阻大 可提高共模抑制比 恒流源可提供一个稳定的偏流 同时恒流源的管压降只有几伏 可不必提高负电源 电路1 恒定电流 Ube I3R3 2UD I2R2 由于IB3很小 I1 I2 有源负载 提供大动态电阻 用恒流源输出等效高阻代替实体电阻 称该电阻为有源负载 二 恒流源差分放大电路 若Ube UD 则I3R3 UD I2R2 又R1 R2 1 电路组成及工作原理 静态 电路2 二 恒流源差分放