第六章节模拟集成单元电路

1、 第六章第六章 模拟集成单元电路模拟集成单元电路 6.5 有源负载差动放大器有源负载差动放大器图图6.42 带有有源负载的差动放大器带有有源负载的差动放大器Q1和和Q2是由电流源是由电流源IQ 提供偏置的差分对，提供偏置的差分对，Q3、Q4和和Q5构成负载电流源构成负载电流源（改进的镜像电流源）。（改进的镜像电流源）。 6.5.1 直流分析直流分析43435IIIIIBBE(6.141) )1 (1543555IIIIEB(6.142) 忽略基极电流忽略基极电流IB5和和Io，则，则 QIIIII2143(6.143) 所以，当所以，当 )1 (55QBoIII(6.144) 时，图时，图6.

2、42所示电路的直流电流分配是对称的。所示电路的直流电流分配是对称的。6.5.2 小信号分析小信号分析 由于晶体管由于晶体管Q1的集电极与地之间的交流小信号电阻非常小，的集电极与地之间的交流小信号电阻非常小，该差动放大器的双端输出近似为单端输出，即图该差动放大器的双端输出近似为单端输出，即图6.42中从中从Q2的集电的集电极输出。极输出。 考虑差模信号输入时，输出端小信号等效电路如图考虑差模信号输入时，输出端小信号等效电路如图6.43所示。所示。 图图6.43 输出端小信号等效电路输出端小信号等效电路由图由图6.43可得可得242/2m idoceceLg vvrrR(6.145) 小信号差模电

3、压增益为小信号差模电压增益为24(/)odmceceLidvAgrrRv(6.146) 例例6.18目的：确定带有有源负载的目的：确定带有有源负载的BJT差动放大器的差模增益。差动放大器的差模增益。电路如图电路如图6.42所示。所示。 IQ=0.20mA，假设所有，假设所有BJT的厄利电压的厄利电压VA=100V。 确定开路确定开路 LR时及时及 kRL100时的差模电压增益。时的差模电压增益。 解：解： kIVrQAce1000220. 010022kIVrQAce1000220. 0100240.20223.85mA/V0.026QmTIgV由式由式(6.146)可得：可得： LR2424

4、(/)/3.851000/10001925dmceceLmceceAgrrRgrr时，时， kRL100时，时， 24()3.851000/1000/100321dmceceLAg r r R说明：由此例可见，负载效应是很严重的。说明：由此例可见，负载效应是很严重的。例例6.19目的：确定带有目的：确定带有有源负载的有源负载的MOSFET差差动放大器的差模增益。动放大器的差模增益。如图如图6.44所示，求该电所示，求该电路的差模增益路的差模增益 dodvvA 图图6.44 带有有源负载的带有有源负载的MOSFET差动放大器差动放大器解：图解：图6.44的输出端小信号等效电路如图的输出端小信号等

5、效电路如图6.45所示。所示。图图6.45 输出端小信号等效电路输出端小信号等效电路242/2mdodsdsg vvrr(6.147) 24(/)odmdsdsdvAgrrv(6.148) 说明：与带有有说明：与带有有源负载的源负载的BJT差差动放大器的差模动放大器的差模增益公式基本一增益公式基本一致。致。例例6.20目的：计算带有共源共栅有源负载的目的：计算带有共源共栅有源负载的MOSFET差动放大差动放大器的差模电压增益。电路如图器的差模电压增益。电路如图6.46所示。求所示。求 dodvvA 图图6.46 带有共源带有共源共栅有源负载的共栅有源负载的MOSFET差动放大器差动放大器解：由

6、式解：由式(6.49)可知共源共栅电流源的输出电阻为可知共源共栅电流源的输出电阻为4641dsmdsdsorgrrR(6.149) 所以所以 2(/)odmdsodvAgrRv(6.150) 例例6.21目的：计算含差动放大器，中间放大级和输出级的运放目的：计算含差动放大器，中间放大级和输出级的运放的增益的增益 。电路如图电路如图6.47所示。电路参数为所示。电路参数为kRkRmAImAIICQC2 . 0,10,1,2 . 03487假设所有假设所有BJT的的=100, AV=100V。求。求 ooRvvvAv和21图图6.47 带有三晶体带有三晶体管有源负载、复合管有源负载、复合晶体管对放

7、大级和晶体管对放大级和简单的射极跟随器简单的射极跟随器输出级的输出级的BJT差动差动放大器放大器 解：图解：图6.47由以下几部分构成：由以下几部分构成：由由BJT QBJT Q1 1、Q Q2 2、Q Q3 3、Q Q4 4和和Q Q5 5构成图构成图6.42所示的差动放大器所示的差动放大器;由由BJT QBJT Q9 9、Q Q1010、Q Q1111和电阻和电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3构成构成Widlar电流源电流源; 由由BJT QBJT Q6 6和和Q Q7 7复合管构成中间放大级复合管构成中间放大级 ;由由Q8和和R4构成射极跟随器输出级构成射极跟随器输出级; 下面

8、分三级分别计算电压增益：下面分三级分别计算电压增益：第一级：差动放大器第一级：差动放大器 2121vvvAov由式由式(6.146)可知，差动放大器的电压增益为可知，差动放大器的电压增益为1224/vmceceiAgrrR(6.151) 式中，式中， 2,2422QAceceTQmIVrrVIg对对Q6和和Q7构成的放大电路的小信号分析可得构成的放大电路的小信号分析可得 7661bebeirrR(6.152) 式中，式中， 66667677777111TTbebeEBTTbeCQVVrrIIVVrIIQCIIRR732,则若若 所以所以 QTbebeiIVrrR7676761211(6.153

9、) 第二级：中间放大级第二级：中间放大级 232oovvvA由式由式(6.31)可知，从可知，从 11Q集电极看入的电流源的输出电阻为集电极看入的电流源的输出电阻为 1111113111/CcembeRrgRr(6.154) 从从 8Q基极看入的电阻为基极看入的电阻为48881RrRbeb(6.155) 所以所以 7Q的集电极往下看电阻为的集电极往下看电阻为 7118/LCbRRR(6.156) 76677777731LbLbLcoRiRiRiv(6.157) iobRvi26(6.158) 7672312LioovRRvvA(6.159) 第三级：射极跟随器的电压增益第三级：射极跟随器的电压

10、增益 33oovvvA48848113RrRAbev(6.160) 总的电压增益为总的电压增益为32121vvvovAAAvvvA(6.161) 式中式中 1vA2vA3vA分别由式分别由式(6.151)、式、式(6.159)和式和式(6.160)确定。确定。 输出电阻输出电阻 81174/1beCceorRrRR(6.162) 下面代入数据计算。下面代入数据计算。kIVrrVmAVIgQAceceTQm100022 . 01002/85. 3026. 022 . 02422由式由式(6.153)可得可得 kIVRQTi26262 . 0026. 0100)1001 (212由式由式(6.15

11、1)可得可得 1224/3.85 1000/1000/26261617vmceceiAgrrRkIVrVmAVIgkIVrCAceTCmCTbe5002 . 0100/70. 7026. 02 . 0132 . 0026. 0100711711711所以，由式所以，由式(6.154)可得可得111111311888841/5001 7.700.2/131.270.0261002.6112.6 (1 100) 101.01CcembeTbeCbbeRrgRrMVrkIRrRM所以所以 7118/1.27/1.010.563LCbRRRM由式由式(6.159)可得可得997. 010)1001 (

12、6 . 210)1001 (112165563. 0626. 2)1001 (1001484372RrRARRAbevLiv总的增益总的增益 63211049. 3997. 021651617vvvvAAAAkIVrQAce5002 . 01007由式由式(6.162)可得可得81174/12.6 1270/50010/2.641 100beCceorRrRRk说明：复合晶体管（由说明：复合晶体管（由 6Q7Q构成）的输入电阻构成）的输入电阻 MRi626. 2很高，射极跟随器的输入电阻很高，射极跟随器的输入电阻 M01. 1和有源负载和有源负载 11QM27. 1都很高，因此小信号增益很大。

13、都很高，因此小信号增益很大。 的输出电阻的输出电阻例例6.22目的：计算含差动放大器，放大级和输出级的运放增益和目的：计算含差动放大器，放大级和输出级的运放增益和输出电阻。输出电阻。电路如图电路如图6.48所示。所示。BJT参数为参数为 ，AV100。求差模电压增益。求差模电压增益 ooRvvvAv和输出电阻21图图6.48 BJT运算放大电路运算放大电路解：假设除解：假设除 8Q9Q和和之外的所有之外的所有BJT的的 VVBE7 . 0on(）电流源的参考电流为电流源的参考电流为 mAI13 .19)10(7 . 0101偏置电流偏置电流 QI由下式确定由下式确定(式式(6.30) QTQI

14、IVRI12ln即即 QQII1ln266 .59用迭代法可求得用迭代法可求得 QI=0.4mA mAIIIQCC2 . 02212Q的集电极直流电压为的集电极直流电压为 mARVVIVRIVonBEoRCCo4 . 05 .117 . 02626202 . 010104)(2224忽略基极电流，有忽略基极电流，有mAIIRR4 . 0453Q4Q和和的集电极直流电压为：的集电极直流电压为：53510100.4 58VoRVI R5Q6RBJT和电阻和电阻完成直流电位偏移功能。完成直流电位偏移功能。 忽略基极电流，有忽略基极电流，有 60.4mARQIIBJT6Q的基极直流电压为的基极直流电压

15、为663()680.70.4 16.50.7VBoBE onRVVVI R当输入差模电压为零时，上式可保证直流电压为零。当输入差模电压为零时，上式可保证直流电压为零。 770( 10)2mA5oRVVIR 由上面的直流电压值可知，所有由上面的直流电压值可知，所有BJT都工作在放大区。都工作在放大区。总的差模增益总的差模增益321vvvvAAAA 式中式中 1232323,ooovvvidoovvvAAAvvv差动放大器的单端差模电压增益为差动放大器的单端差模电压增益为1221/2ovmCiidvAgRRv式中式中 4321bebeirrR由式由式(6.153)可知可知kIVRRTi13134 . 0026. 0)1001 (10021242VmAVIgTQm/70. 7026. 024 . 02所以所以 117.70201313772vA 由于负载电阻由于负载电阻 CiRR2，所以第二级对差动放大器没有明显的，所以第二级对差动放大器没有明显的由