模电课件集成差分放大电路

6.1模拟集成电路中的直流偏置技术6.2差分式放大电路6.3差分式放大电路的传输特性6.4集成电路运算放大器6集成电路运算放大器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6.7放大电路中的噪声与干扰基本要求:

1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了解集成运放的基本组成和工作原理作业:6.6变跨导式模拟乘法器第1页，共57页。

镜像电流源BJT电流源电路

JFET电流源

微电流源6.1模拟集成电路中的直流偏置技术

MOSFET多路电流源FET电流源

MOSFET镜像电流源第2页，共57页。1.镜像电流源电流估算镜像－－IC2为IREF的镜像无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变－－恒流特点：T1、T2参数相同且T1对T2具有温度补偿作用IREF的受电源影响大，要求电源稳定忽略2IBBJT电流源电路第3页，共57页。交流电阻由于T2的集电极电流基本不变。所以输出交流电流≈0，即

一般Ro在几百千欧以上第4页，共57页。1.镜像电流源改进－－带缓冲级的镜像电流源由于增加了T3，使IC2更加接近IREF－－精度更高的镜像电流源问题－－精度不够高若需要IC2较小，则要求R很大(集成电路中难以实现)改进－－微电流源∴当β不够大时，误差较大第5页，共57页。2.微电流源由于很小，所以IC2也很小IC2的稳定性较好∵VCC变化

IREF、

VBE变化而Re2较大VBE2<<VBE1T2工作在且T1对T2具有温度补偿作用非线性区IC2的变化<<IREF的变化第6页，共57页。*2.比例电流源RE1第7页，共57页。*3.多路电流源第8页，共57页。R+VGS--

借助宽长比，通常用一FET管代替RFET电流源1.MOSFET镜像电流源2.MOSFET多路电流源R+VGS--第9页，共57页。3.JFET电流源（P261）FET电流源SGDiD=简单的电流源第10页，共57页。6.2差分式放大电路

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的第11页，共57页。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？电源电压波动或温度变化引起，也称温漂。输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。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。第12页，共57页。例如若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，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。如“斩波稳零放大器”采用差分式放大电路漂了100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV第13页，共57页。

差分式放大电路的一般结构共模输入电流共模输入电流T1T2差模输入电流电路特点：1）T1、T2特性相同(BJT、FET)；2）两个输入端，两个输出端；3）元件参数对称。共模抑制比差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益总输出电压若用差模、共模信号表示两个输入信号第14页，共57页。实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。不能通过外接调零装置进行补偿.从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是Vo+就是Vo－。6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处Rb=20KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是Vo+就是Vo－。入，则输出端输出正的输出电压，若输入6变跨导式模拟乘法器电源电压极性接反或过高；例6-4:如图电路中的三极管的β=50，VBE=0.MOSFET镜像电流源2．差模电压放大倍数Aod。图中虚线表示差分对管射极接有反馈电阻RW时，传输特性曲线的线性区扩大数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米1.基本电路1）静态分析组成：

a.T1、T2特性完全相同；b.Rc1=Rc2=Rc。

射极耦合差分式放大电路2.工作原理vi1=vi2=0输入为0，输出也为0。vo2vo1vo2vo1vo1=vo2vo=vo1-vo2=0第15页，共57页。2）动态分析若输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，信号被放大。相位相反，第16页，共57页。2）动态分析若输入共模信号，大小相等，相位相同。大小相等，双端输出时，相位相同，第17页，共57页。一般输入信号为vid与vic的叠加温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流变化,且变化趋势相同，从而使VOQ=VCQ1-VCQ2≡0，因而消除了零点漂移。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。实际上，两管不可能完全对称，因此零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。在双端输出时，即，双端输出差放只放大差模信号，而抑制了共模信号。第18页，共57页。双入、双出交流通路3.主要技术指标计算（1）差模电压增益<A>双入、双出第19页，共57页。c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋ro接入负载时在电路完全对称时，双入双出的增益与单管的相同。以双倍元器件换取抑制零漂的能力<A>双入、双出空载时io=0ic1=-ic1c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋第20页，共57页。<B>双入、单出接入负载时空载时c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋第21页，共57页。3.主要指标计算（1）差模电压增益<C>单端输入(发射结电阻)单端输入信号vid相当于平均分配在T1、T2上。即等效于vi1=(1/2)vid，vi2=-(1/2)vid，等同于双端输入。∴恒流源支路几乎不分流，e端等效为对地开路。第22页，共57页。3.主要指标计算（1）差模电压增益<C>单端输入∴单端输入等同于双端输入。具体为：单入双出＝双入双出，单入单出＝双入单出。

差模电压放大倍数的计算与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。

指标计算与双端输入相同。第23页，共57页。（2）共模电压增益共模交流通路第24页，共57页。共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关<A>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。所以共模增益<B>单端输出抑制零漂能力增强第25页，共57页。（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出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。第26页，共57页。几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出双端输入单端输入第27页，共57页。几种方式指标比较输出方式双出单出不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。第28页，共57页。4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路(1)电路组成双入-单出有源负载电流源(2)工作原理1)静态2)动态vi1=vi2=0T5、T6为比例恒流源第29页，共57页。例6-1：电路如图，β=100

(1)求静态工作点；(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)

ui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6V

6V100

100

7.5k

7.5k

6.2k

100

ICQ1

=ICQ2

=0.5I0=0.42mAUCQ1

=UCQ2

=6–0.427.5=2.85(V)UEQ1

=UEQ2

=0.7(V)ui1

=ui2

=0V第30页，共57页。(2)求Aud，Rid，RoRo=2RC=15(k)c2c1b2b1e2e1½RP½RPui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6V

6V100

100

7.5k

7.5k

6.2k

100

第31页，共57页。+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：12:3:例6-2:电路中，已知三极管的β均为100，VBE=0.7V。1：静态工作点（IC，IB，VC）；RC=10K，RL=20K，Re=11.3K2：求双出的Avd、KCMR

。3：计算差摸输入电阻Rid和输出电阻Rod。4：若输出信号从T1的集电极输出，计算KCMR第32页，共57页。例6-2:电路中，已知三极管的β均为100，VBE=0.7V。1：静态工作点（IC，IB，VC）；RC=10K，RL=20K，Re=11.3K2：求双出的Avd、KCMR

。3：计算差摸输入电阻Rid和输出电阻Rod。4：若输出信号从T1的集电极输出，计算KCMR+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：4第33页，共57页。例6-3差动放大电路如图P3-5所示，设晶体管的参数为β1=β2=50，rbe1=rbe2=1.5KΩ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.7V，稳压二极管稳定电压U2=8V，Rw的滑动端位于中点，试估算：1．静态工作点ICQ1、ICQ2、UCQ1、UCQ2。2．差模电压放大倍数Aod。3．差模输入电阻Rid和输出电阻Ro。解：具有稳流源的差动放大电路。1．UCQ1=UCQ2=Vcc-ICQ1RC1=7V(这时由于UCQ1=UCQ2，故RL上电流为零)3．Rid=2[Rb+rbe1+(1+β)]=10K，2．Ro=2Rc=10K第34页，共57页。例6-4:如图电路中的三极管的β=50，VBE=0.7V.RL=RC=5

KΩ，Rb=20

KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.4KΩ。1）求Q点;2）求双出的Avd、Rid和R0;3）求出Avd1、KCMR的表达式。

RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12V

12V2.4K5K

5k

7.5k

5.6k100

Rb1解：1）第35页，共57页。总电压增益为各级的乘积电源电压极性接反或过高；一般输入信号为vid与vic的叠加#为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？差模输入电阻Rid,是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的Rid约为2M，用场效应管作差动输入级的运放，Rid可达M。射极耦合差分式放大电路5KΩ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）例6-4:如图电路中的三极管的β=50，VBE=0.VOS大小反映了运放的对称程度。UEQ1=UEQ2=0.VOS越大，说明对称程度越差。例6-4:如图电路中的三极管的β=50，VBE=0.7V.RL=RC=5

KΩ，Rb=20

KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.4KΩ。1）求Q点;2）求双出的Avd、Rid和R0;3）求出Avd1、KCMR的表达式。

RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12V

12V2.4K5K

5k

7.5k

5.6k100

Rb12）第36页，共57页。例6-4:如图电路中的三极管的β=50，VBE=0.7V.RL=RC=5

KΩ，Rb=20

KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.4KΩ。1）求Q点;2）求双出的Avd、Rid和R0;3）若单端输出，求Avd1、KCMR的表达式。

RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12V

12V2.4K5K

5k

7.5k

5.6k100

Rb13）

第37页，共57页。6.2.3差分式放大电路的传输特性图中纵坐标为静态：vid=vi1-vi2=0时，ic1=ic2=I0/2线性放大区：-VT<Vid<VT，ic1增加，ic2减小。非线性区：vid≥4VT，曲线趋于平坦，vid增加时，一管趋于饱和，另一管趋于截止ic1-ic2几乎不变。图中虚线表示差分对管射极接有反馈电阻RW时，传输特性曲线的线性区扩大第38页，共57页。将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI)，中规模集成电路(简称MSI),大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。

6.4集成电路运算放大器第39页，共57页。概述集成运放内部结构框图采用有源负载的共发射极电路，增益大电压跟随器或OCL电路，带负载能力强镜像电流源，微电流源。第40页，共57页。输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。第41页，共57页。简单的集成电路运算放大器静态：vi1=vi2=0时，vo=0动态：前级开路电压为后级信号源电压；前级输出电阻为后级信号源内阻；后级输入电阻为前级负载。总电压增益为各级的乘积＋－第42页，共57页。集成运放的特点1硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。2运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。3电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个4用有源元件代替大阻值的电阻5常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好第43页，共57页。集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小反相输入端同相输入端集成运放的符号

运放的结构可知，运放具有两个输入端vP和vN和一个输出端vO，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端从输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。第44页，共57页。集成运放的电压传输特性

集成运放输出电压vo与输入电压（vP－vN）之间的关系曲线称为电压传输特性。对于采用正负电源供电的集成运放，电压传输特性如图6-4所示。从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是Vo+就是Vo－。由传输特性可知集成运放的放大倍数：一般情况下，运放的放大倍数很高，可达几十万、甚至上百万倍。第45页，共57页。集成运放的主要技术指标开环差模电压增益开环差模电压增益指在无外加反馈情况下的输出电压与输入差模信号电压之比，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示.差模输入电阻Rid,是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的Rid约为2M

，用场效应管作差动输入级的运放，Rid可达M

。最大共模输入电压vidmax,指运放所能承受的最大共模输入电压，共模电压超过一定值时，将会使输入级工作不正常，因此要加以限制。F007的为13V。共模抑制比KCMR共模抑制比的定义与差动电路中介绍的相同，F007的KCMRR为80

86dB，高质量的可达180dB。第46页，共57页。输入失调电压VOS对于理想运放，当输入电压为零时，输出也应为零。实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。在室温及标准电压下，输入为零时，为了使输出电压为零