集成电路运算放大器的术语

1、第四章 集成运算放大电路第一节学习要求第二节集成运算放大器中的恒流源第三节差分式放大电路第四节 集成电路运算放大器第五节集成电路运算放大器的主要参数第六节场效应管简介第一节学习要求1. 掌握基本镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结构及基本特性。2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。3. 掌握基本型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输 入输出电压信号之间的相位关系。4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性， 共模抑制比。会计算 Avd Rd、Ric、Rod、Roc、Kcmr。5. 熟悉运放的主要技术指标及集成运算放大电路的

2、一般电路 结构。学习重点：掌握集成运放的基本电路的分析方法学习难点：集成运放内部电路的分析 集成电路简介集成电路是在一小块 P型硅晶片衬底上，制成多个晶 体管（或FET）、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。集成电路在结构上的特点：1. 采用直接耦合方式。2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象，采用了温度补偿的手段-输入级是差放电路。3. 大量采用BJT或FET构成恒流源，代替大阻值R ,或 用于设置静态电流。4. 采用复合管接法以改进单管性能。集成电路分为数字和模拟两大部分。返回第二节集成运算放大器中的恒流源一、基本镜象电流源0畑图d.l电路如图6.1所示。Ti,T2参数完全相同，即B 1

3、=2,1 CEO=I CE02,从电路中可知VbE=VbE2, I E1=I E2 , I C1=I C2当B>>2时,式中Ir=Iref称为基准电流，由上式可以看出，当R确定后，I R就确定，I C2也随之而定，我们把I C2看作是I R的镜像， 所以称图6.1为镜像恒流源。改进电路一:图6.2图6.2是带有缓冲级的基本镜象电流源 ，它是针对基本 镜象电流源缺点进行的改进，两者不同之处在于增加了三极管T3,其目的是减少三极管 Ti、T2的I b对Ir的分流作用， 提 高镜象精度，减少 B值不够大带来的影响。=冬"1 + 2仏血 + 1）其中R丿玄改进电路二：图6-3图6

4、.3是带有发射极电阻的镜象电流源，其中Re1=Ft2 ,两管的输入仍有对称性，所以-J 如丁= B£1°tfl冷E F若此电路Fel不等于 艮2,贝U I C2与（艮1、艮2）的比值成比例， 因此，此电流源又称为比例电流源。二、微电流源图6A电路如图6.4所示，当I R一定时，I C2可确定为:可见，利用两管基-射电压差Vbe可以控制I 0。由于Vbe的数 值小，用阻值不大的 艮2即可得微小的工作电流-微电流源。例:电路如图6.5所示，若二=10 则：嵐=261nl0 用E 6.5已知：BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。三、电流源的主要应用-有源负载前面曾提到，

5、增大R可以提高共射放大电路的电压增益。 但是，Rc不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太 高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替RC，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小。因而不致于减小输出 幅度呢？自然地，我们可以考虑晶体管恒流源。由于电流源 具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广 泛地把它作负载使用-有源负载，如图6.6所示。QV't'cJ图6.6第三节差分式放大电路 基本概念：F;线性放大器ffl 6.7图6.7表示一个线性放大器，它有两个输入端，分别接V。在电路完全对称的理想有信号Vil和V

6、i2 ；输出端的信号为 情况下，输出信号电压可表示为式中Avd是差分放大器的差模电压增益。可见电路的两个输入端所共有的任何信号对输出电压都不会有影响。但在一 般情况下，实际的输出电压不仅取决于两个输入信号的差模 信号Vid，而且还与两个输入信号的共模信号Vic有关，它们分别是唏=勺1 一帀苗2当用差模信号和共模信号表示两个输入信号时，有在差模信号和共模信号同时存在时，对于线性放大器而 言，可以利用叠加原理来求出总的输出电压，即叫=+AVic式中 < 为差模电压放大倍数，丄 称为共模电压放大倍数。一、基本差分放大电路1. 基本电路ffic 8基本差动式放大器如图 6.8所示 相同的晶体管，

7、电路对称，参数也对称图中T1,T2是特性如:VbE=VbE2,R c1 = FC2=R,嘉=民2= Rb, B i=B 2=B。电路有两个输入端和两个输出端2. 工作原理(1) 当Vi1=Vi2=0时，即静态时，由于电路完全对称：I cl =I c2= I 0/2, R clI cl = R c2l c2, Vo = V cl-Vc2 = 0 即输入为 0 时， 输出也为0。(2) 加入差模信号时，即Vs1=-V s2=Vsd/2，从电路看VB1增大使得i B1增大，使i cl增大，使得Vci减小VB2减小使得i B2减 小，又使得i c2减小，使得Vc2增大.由此可推出：Vo=Vc1 -Vc

8、2=2vci,每个变化量v不等于0,所以有信号输出。若在输入端加共模信号，即Vs1=Vs2,由于电路的对称性 和恒流源偏置，理想情况下Vo=0,无输出。这就是所谓"差动"的意思；即两个输入端之间有差别， 输出端才有变动。3、抑制零点漂移的原理在差分电路中，无论是温度的变化， 还是电流源的波动 都会引起两个三极管的i c及Vc的变化。 这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，在理想情况下，Vo不变，从而抑制了零漂。凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模 信号。常见的有：（1）Vi1不等于-V i2，信号中含有共模信号；（2）干扰信号（通常是同时作用于输入端）；（3）零漂。

9、实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较 困难的，但输出漂移电压也将大为减小。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，对于这部分有用信号，希望得 到尽可能大的放大倍数；而共模输入信号可能反映由于温度 变化产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种 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。4、主要技术指标的计算0图&9（1 ）静态工作点的估算I C1=I C2=I c=I c/2V C1=V)2=VCc-| cRdI B1=I B2=I c/ B =I B=I/2 B(2)差摸电压增益

10、和输入、输出电阻差放电路有两个输入端和两个输出端。 同样，输出也分 双端输出和单端输出方式。 组合起来，有四种连接方式：双端 输入双端输出、双端输入单端输出 ，单端输入双端输出，单端 输入单端输出。ffl d.10(a) 双入双出电路差模输入：v i1 =-V i2 =Vid/2，贝y i C1上升时,i C2下降。若电路完全对称时，则AiC1=i C2,因为I 0不变，因此Ve=0,电路可以用图 6.9表示。由上面的计算可见，负载在电路完全对称，双入双出的情 况下,AvD= Avi,可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的 能力。差模输入电阻R :从两个输入端看进去的等效电阻R=2be差模输

11、出电阻R0:从两个输出端看进去的等效电阻R0=2RcR, R i是单管的两倍。(b) 双入单出电路对于差模信号：由于另一三极管的 C极没有利用，因此Vo只有双出的一半。H _1 d 1 朋；血=tAi =差模输入电阻：由于输入回路没变，所以R=2rbe,差模输出电阻：Ro=FCio(c) 单端输入电路对于单端输入，相当与图6.10的b2接地。当Vi>0时，i cl增大，使i el也增大，Ve增大。由于T2的b极通过接地，则 VBE2=0-V e= -V e，所以有VBE2减小,i c2也减小。整个过程，在单 端输入Vi的作用下，两个BJT的电流为i ci增大,i C2减少。所 以单端输入

12、时，差分放大的、T2仍然工作在差分状态。单端输入与双端输入是一致的。小结:只要是双端出，不管是单入还是双入，其Avd、R、R.都是一样的血燈g 噜A = 2匕&皿Rd也是只要是单端出，不管是单入还是双入，其Avd R、一样的。(3)共模电压增益双端输出的A/co因为Vii =Vi2，此时变化量相等，即Vci=Vc2,因止匕仏+咖"2A/c也实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样， 很小，放大电路的抑制共模能力还是很强的。单端输出的A/c对于共模信号，因为两边电流同时增大或同时减小 .因此 在e极处得到的是两倍的i eo Ve=2i eFt,这相当于每个BJT的 发射极分别

13、接2艮电阻，如图6.11所示。（这里的Re就是恒流 源交流等效电阻）因此有 = 1=2 =遅A尬 % 氐斗（1 +历2临2r0（4 ）共模抑制比&MRKcmr是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。定义为：字 或 岛虻肌字汹Ac出呛A/D越大,Avc越小.则共模抑制能力越强，放大器的性能越优良, 所以KcmR越大越好。理想情况下：双端输出的Kcm=b单端输出的共模抑制比为：Ar叫2% 邑双端输出电路的总输出电压:单端输出电路的总输出电压:例1 :集成运放BG305的输入级如图6.12所示，各BJT的B 1= B 2=30, B 3= B 4= B 5= B 6=50, 各 BJT 的

14、 VbE=0.7V , R）=100K, 艮=50K, Rf10K（滑动端调至中点），艮=1K, R即第二级的R 为 23.2K o求：（1）该放大级的静态工点；（2）差动放大倍数Avd；（3）差动输入电阻R，差动输电阻Roo解耳十隔禺十氐 1001鼻 +馆=辭=0 + 04 了心=°' 1氐冬4 *切（& 4 05阳 =15-0.15（50+5） «6.75K 切1 =厶s =越于二科 三菁三导=3jUA-1 *- = 0.1/1 = 100?az4A 30解（2）差动放大倍数A/DT 1瓦=0.7 ji = G =孑网知200 十(1 十饶)= 200+

15、 (1 + 30)- 269ZQ3x10 33x10仏-g - 200 + (1+ 50)p - »1KQ中屜十 3/Vi疗 269 +31x9.1551卩怒队仪-30x50-1500Rl = R + 0.5|0 5 =(50 + 5)|0.5 «23.2-9 6血150296551 *-26解（3）差动输入、出电阻 R、Ro& =込劝）也= 2x(269+31x9 1)1 1MQ& 2& +心=2x0 + 10 = 110 返回第四节集成电路运算放大器 模拟集成电路的分类模拟集成电路按功能大致可分为：线性放大器、功率放大器、比较器、乘法器、稳压器、

16、（D/A、A/D）转换器、锁相环器件等。其中线性放大器按性能可分为通用型和专用型。线性放大器中，发展最早、应用最广的是集成运算放大电路。 图6.13 示出部分运放的实物图。*rl1、集成运放的基本组成框图和符号（如图6.14所示）6.13、简单集成电路运算放大器厲t电時142、一个简单的集成运放（如图6.15所示）4-v +mvEZEL（1）直流分析：当片I十厂对，5=0L B i ASFn-如） &论1 = %厂N _ &尽_兀忍职二兀X* "鸟厶凤* %c ° 4（鸟丰瓦）放大电路总增益的计算九-加吃临略知鬆 %念/I十例张十甘0）坨 *=13.4毎.汝

17、“邑垒一如一空2百 嗨切耳2砌 島电=鸟/鬲=禺论十（"0）區怜+ 3砂= 5.1/f20800 5.1±Q貝厂如 如 如-129x（-2.6）x1- -335返回第五节集成电路运算放大器的主要参数1、输入失调电压Vio±(1-10)诂2、输入偏置电流I IB4 （Sf + 4#耳匕。3、输入失调电流I io1讪_0.闵图6 164、温度漂移AE/Ar±(10-20)/°C3应几个刚5、 最大差摸输入电压Vidmax6、 最大共摸输入电压Vcmax7、最大输出电流 I Omax&开环电压增益A/o运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增

18、益201k4po/<1B/了 e 1*4 MHeL囚T皿Ln-r-.L &- 丄 -此 a a io 15*7a ic3他图6 179、开环带宽BWV( fH)10、单位增益带宽 BWV( fT)11、转换速率&返回第六节 场效应管（FET）简介 一、结型场效应管（一） JFET的结构和特点1、结构G图613场效应管的结构如图 6.18所示，它是在一块N型半导体 的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域，用P+表示，形成两个P+N结。N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极So把两边的P区引出电极并连在一起称为 栅极G 如果在漏、源极间加上正向电压，N区中的多子（也

19、就是电子）可以导电。它们从源极 S出发，流向漏极D。电流方向N型的，故<D/w A |袒先断轨迹毛 0-8r JZI区 5)=叱一吃mV胪由D指向S,称为漏极电流Id.。由于导电沟道是 称为N沟道结型场效应管。2、特点V GS< 0, R很咼; 电压控制器件; 单极性器件；3、N沟道JFET的输出特性相应的I D0.6048 10 121620 WV图6 19在VgS=0时，沟道电阻最小，I d达到最大。当Vg< 0时，耗尽层变大，沟道电阻变大， 下降。因此形成图6.19所示的特性曲线。4. JFET与BJT的特点比较 (1)场效应管是电压控制器件:通过Vgs控制i D。从输

20、出特性看，各条不同输出特性曲线的参变量是 乂8在恒流区，i D与Vds基本无关。并通过跨导 gm=i D V gS Vds描述场效应管的放大作用。而晶体管是通过i b控制i c。参变量是i b。放大区，i c与Vce基本无关。通过电 流放大系数B = C i b描述放大作用。(2) i G=0O所以，直流、交流 R都很高。而晶体管b极和e极 处于正偏状态，be间R较小：几千欧。(3) 场效应管利用的是一种极性的多子导电(单极型器件)， 具有噪声小，受外界 T及辐射的影响小等特点(温度稳定性 好)。(4) 由于场效应管对称，有时 D-S极可互换使用。各项性能基本不受影响。应用时较方便、灵活。但若

21、制造时已将S和衬底连在一起，则 D-S不能互换。(5) 场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成，且所占面积小，集成度高。(6) M0S场效应管R高，G极的感应电荷不易泄放。SiO2层薄，G极与衬底间等效电容很小，感应电荷少量即可形成高电压，将S02击穿而损坏管。存放管子时，应将G-S短接，避免G极悬空。焊接时，烙铁外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而 击穿管子。(7) 场效应管的应用场效应管在恒流区内工作时，当GS电压变化AV gs时，D极电流相应变化d。若将d通过较大的R_,从R_上取出 的厶Vo=4dR_，可能比AV gs大许多倍，即AV gs得到了放大。 所以场效应管和晶体管一样在电路中可起放大的作用