集成电路中的直流偏置技术

第6章模拟集成电路本章重点模拟集成电路中的直流偏置技术6.1差分式放大电路6.2差分式放大电路的传输特性6.3集成电路运算放大器6.4实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.5问题的引出引言集成运算放大器内部电路是怎样的？它的相关特性是怎样表现出来的？本章讨论的主要问题集成运算放大器内部电路的静态工作点是怎样设置的？集成运算放大器如何解决直接耦合方式产生的零点漂移问题？实际的集成运算放大器及主要参数是怎样的？实际运算放大器非理想参数对运算精度会产生怎样的影响？本章涉及的主要概念差模信号、共模信号、差模增益、共模增益、共模抑制比教学基本要求

◆了解各种电流源的工作原理、特点和主要用途

◆掌握差模信号、共模信号、差模电压增益、共模电压增益和共模抑制比等基本概念

◆了解差分放大电路的工作原理和特点

◆掌握差分放大电路的静态和动态指标的计算

◆了解集成运算放大器的基本组成和主要参数

◆了解失调电压和失调电流对实际运放的影响及零漂的消除方法6.1

模拟集成电路中的直流偏置技术电流源电路1.镜像电流源2.微电流源

3.高输入阻抗电流源4.组合电流源

电流源1.MOSFET镜像电流源2.MOSFET多路电流源

电流源作有源负载电流源电路1.镜像电流源镜像电流源的参数全同无论的值如何，的电流值将保持不变，反映出的恒流特性。动态电阻一般在几百千欧以上问题：电流源是双口网络还是单口网络？镜像电流源的其他形式2.微电流源由于很小，所以也很小。（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻）3.高输出阻抗电流源4.组合电流源、和支路产生基准电流和、和构成镜像电流源和、和构成微电流源电流源1.MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时：输出电阻：用T3代替R,T1~T3特性相同，且工作在放大区，当时，输出电流为2.MOSFET多路电流源

电流源作有源负载共射极电路的电压增益为：对于此电路就是镜像电流源的动态电阻，通常因此电压增益为：比用电阻作负载时电压增益提高了。6.2差分式放大电路概述差分式放大电路的一般结构射极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路概述1.直接耦合放大电路级与级之间无隔直电容特点：（1）静态工作点相互关联（2）可以放大直流信号（3）存在零点漂移问题2.零点漂移定义：输入信号为零时，输出电压不为零且缓慢变化的现象。产生零漂的主要原因：（1）温度变化引起，也称温漂（2）电源电压波动温漂指标：温度每升高1℃，输出电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。假设若第一级漂了则输出漂移若第二级漂了则输出漂移因此第一级是关键问题:已知两个放大器的输出漂移电压均为两个放大电路是否都可以放大的信号？电压增益电压增益输入端漂移电压为0.2mV输入端漂移电压为0.002mV输出漂移电压为200mV输出漂移电压为200mV所以A1不可以，A2可以。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。如“斩波稳零放大器”◆采用差分式放大电路差分式放大电路的一般结构1.有关概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益其中差模信号产生的输出共模信号产生的输出总输出电压共模抑制比，反映抑制零漂能力的指标。根据有共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分；差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分；两输入端的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。2.用三端器件组成的差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路演变：单级共射放大电路基本差分式放大电路结构特点：对称共用Re采用双电源两个输入端两个输出端四种工作方式：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

静态分析动态分析：仅输入差模信号，和大小相等，相位相反。和大小相等，相位相反。信号被放大。2.抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使两个集电极电流产生变化，且变化趋势相同。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。3.主要指标计算1、双入、双出以双倍的元器件换取抑制零漂的能力。（1）差模情况交流通路：电源等效输入差模信号对发射极的影响交流通路接入负载时输入电阻输出电阻2、双入、单出接入负载时输入电阻输出电阻3、单端输入只考虑差模信号时，单端输入等效于双端输入计算指标与双端输入相同1、双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以：（2）共模情况共模增益输入电阻输出电阻2、单端输出共模增益输入电阻输出电阻抑制零漂能力增强（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出越大，抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压（4）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号几种方式指标比较双出输出方式单出双出单出双出输出方式单出双出单出1.若在基本差分式放大电路中增加两个电阻（如图所示）。则动态指标将有何变化？双端输出差模增益差模输入电阻共模输入电阻单端输出共模增益2.差分式放大电路如图所示，分析下列输入和输出的相位关系：与反相与反相与同相与同相与反相与同相3.静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？例T1、T2、T3均为硅管，当时，当时，。

求：（1）及的值；（2）（3）当时，（4）当输出接一个

负载时差模电压增益。（1）静态（2）电压增益（3）差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时共模电压带来的误差约为0.3%（4）当时

4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态动态即节点差模电压增益接负载后单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益差模输入电阻输出电阻差模输入电阻6.3差分式放大电路的传输特性根据又可得传输特性曲线的传输特性曲线扩大传输特性的线性工作范围6.4集成电路运算放大器集成电路运算放大器CMOSMC14573集成运算放大器741集成电路运算放大器CMOSMC145731.电路结构和工作原理（1）直流分析已知和可求出根据各管子的宽长比，可求出其它支路电流。2.电路技术指标的分析与计算（2）小信号分析设则输入级电压增益第二级电压增益总电压增益集成运算放大器741原理电路输入级T1～T6组成的差分式放大电路，信号由T4和T6的集电极输出。T1、T3和T2、T4组成共集—共基复合差分电路。T1、T2共集电路可以提高输入阻抗，T3、T4的共基极电路和T5、T6、T7组成的有源负载，可以提高输入级的电压增益、扩大差模和共模输入电压范围，同时可以改善频率响应。另外，T5、T6、T7组成的有源负载大大提高了输入级的共模抑制比，且始终有。为外接调零电位器，通过调节，可以保证静态时输出为零。中间级T16、T17组成复合管共射极放大电路，作为其有源负载，交流电阻很大。所以，本级可以获得很高的电压增益，同时也具有较高的输入电阻。电容用于频率补偿，以免产生自激振荡。输出级T14和T20组成互补对称电路。T18、T19和R8产生一个静态电压，为T14、T20提供一起始偏压，使T14和T20工作于甲乙类放大状态。

T24管接成共集电路，以减小对中间级的负载影响。偏置电路由构成主偏置电路，产生基准电流。T11和T10组成微电流源电路，由为输入级中的T3、T4提供偏置电流。T8和T9构成镜像电流源，为输入级提供工作电流。T12和T13为双端输出的镜像电流源，集电极输出的电流，为中间放大级提供静态偏置，同时兼作有源负载提高电压增益；集电极的输出，为输出极提供偏置电流。保护电路正常工作时，T15和T21均截止。当输出短路或电流过大时，正向输出电流使R9两端的压降增大，T15导通对T14的基极产生分流，从而限制了T14的电流；负向输出电流使R10两端电压增大，T21导通，使T23和T22导通，降低了T16及T17的基极电压，使T17的集电极和T24的发射极电压上升，导致T20趋于截止，因而限制了T20的电流，达到保护的目的。6.5实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响实际集成运放的主要参数集成运放应用中的实际问题实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）1.输入失调电压输入电压为零时，为了使输出电压为零，在输入端加的补偿电压。一般约为。超低失调运放为。高精度运放OP-117。MOSFET达2.输入偏置电流集成运放两个输入端静态电流的平均值BJT为MOSFET运放在PA数量级。3.输入失调电流输入电压为零时，流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即

。一般约为4.温度漂移（1）输入失调电压温漂（2）输入失调电流温漂差模特性1.开环电压增益和带宽BW开环差模电压增益开环带宽单位增益带宽741型运放的频率响应2.差模输入电阻和输出电阻BJT输入级的运放一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放超高输入电阻运放、一般运放的，而超高速AD9610的3.最大差模输入电压共模特性1.共模抑制比和共模输入电阻一般通用型运放为（80~120）dB，高精度运放可达140dB,2.最大共模输入电压运放作为电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值。高质量的运放可达大信号动态特性1.转换速率放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变