模拟基础电路技术 8

5电压型集成运放单元电路主要内容集成电路放大器简介电流源电路及其应用差分放大单元电路组合放大单元电路有源负载放大电路高频通论多级放大器集成运算放大器内部结构框图集成电路放大器的特点：多级放大器之间采用直接耦合方式级联尽可能用有源器件替代无源器件利用对称结构改善电路性能MOS电路BJT电路§5.2电流源电路及其应用集成电路中电流源(恒流源)电路的作用：为各级提供合适的静态偏置电流作为有源负载实现高阻值电阻§5.2电流源电路及其应用电流源的基本参数：输出电流IO等效输出电阻RoQ：什么样的元件或者模块可以实现这样的功能呢？§5.2电流源电路及其应用§5.2电流源电路及其应用Q：如何保证VGS的稳定呢？类似分压式偏置？×需要较多的外围电阻VT1工作在饱和区，忽略沟道长度调制效应1.MOS镜像电流源电路(CurrentMirror)参考支路又栅极电流为0，则假设VT2也工作在饱和区，则1.MOS镜像电流源电路(CurrentMirror)电流传输比两管物理参数一致，且，则1.MOS镜像电流源电路(CurrentMirror)例5.2

电路如图5.2所示，VDD=VSS=5V，两个MOS管器件参数匹配，(W/L)1=2(W/L)2=10，kn’=50μA/V2，Vt=1V，VA=∞，若要求IO=2mA，则电阻R应如何选择？

因为两个MOS管器件参数匹配，(W/L)1=2(W/L)2，且IO=2mA，则由式可得又可得VGS1=5V(舍去-3V)，故由可得2.BJT镜像电流源电路及比例电流源电路VT1工作在放大区，忽略基区宽度调制效应，假设VT2也工作在放大区，则

参考支路2.BJT镜像电流源电路及比例电流源电路假设VT1和VT2完全相同，则可得2.BJT镜像电流源电路及比例电流源电路若β足够大，即可忽略两管B极的分流，通过控制晶体管的发射结面积之比即可控制电流源输出电流的比例电流传输比2.1BJT比例电流源电路另一种实现形式2.1BJT比例电流源电路另一种实现形式若忽略基调效应，且β足够大，则可得又且2.2微安级电流源(Wildar电流源)假设VT1和VT2物理参数一致，忽略基区宽度调制效应，且β足够大，可得又2.2微安级电流源(Wildar电流源)3.电流导向电路(Current-SteeringCircuits)给每级放大器分别设计偏置电路，将造成设计复杂度的上升和芯片面积的浪费电流导向技术：在设计时，一个恒定的参考直流电流在一个地方生成，然后被复制到芯片上其他多个地方，分别为各级放大器提供偏置，复制过程中通过对电流传输比的控制来改变各级偏置电流的大小MOS电流导向电路若外电路保证所有MOS管都能工作在饱和区，则

参考支路BJT电流导向电路若外电路保证所有晶体管工作在放大区，晶体管参数一致，且β足够大，则参考支路例：假设所有器件的尺寸相同，求电路中每个节点的电压和流过每个支路的电流。假定|VBE|=0.7V，β=∞。VT1、R1和VT2构成参考支路，可得VT1和VT3、VT4构成电流源，可得VT5和VT6构成电流源，可得VT10和VT11构成电流源，可得VT2和VT7、VT8、VT9构成电流源，可得求各支路电流IREFIR4求各节点电压MOS电流导向电路的分析与之类似IREF电流源小结功能性基本参数：IO、RO性能参数：电流传输比、电流稳定性放大器应用中的噪声困扰先辈们提出的噪声解决方案差分放大器Differential-amplifier(差分对:Differential-Pair)差分放大器的相关基础知识电阻型负载差分对：左右对称结构基本功能：放大差模信号抑制共模信号2个输入端，2个输出端多种输入-输出组合方式差模信号与共模信号定义差模信号共模信号一对任意信号vi1和vi2可以用其差模信号与共模信号的加权代数和来表示任意一对信号的信号分解等效差分放大器放大差模信号，抑制共模信号，根据叠加定理，分别进行差模分析和共模分析差分放大器的输入输出组合方式多种输入输出组合方式：双入双出双入单出单入双出单入单出1输入输出方式（a）双入双出（差分输入-差分输出）1输入输出方式（b）双入单出单端输入相当于两个输入信号中任意一个信号为0，由信号分解等效可知，单端输入可等效看作双端输入。=0=0MOS差分对电路分析直流分析确定静态工作点参数确定小信号参数交流输入范围交流分析：差模分析Avd,Rid,Rod共模分析Avcm,Ricm,Rocm共模抑制比：CMRRMOS差分对的直流分析令vi1

=vi2

=0，则小信号参数：左右对称MOS差分对的交流分析——定性分析令vi1

=vi2，则1.共模分析抑制共模信号MOS差分对的交流分析——定性分析1.共模分析共模输入信号上限：条件：VT1和VT2工作在饱和区非常小MOS差分对的交流分析——定性分析1.共模分析共模输入信号下限：条件：Iss中的MOS工作在饱和区假设VCS为ISS工作在饱和区所需的最小电压MOS差分对的交流分析——定性分析令vi1

=-vi2，则2.差模分析放大差模信号MOS差分对的交流分析——定性分析2.差模分析令vi1

=

vid，vi2

=0，使得刚好ISS全部流入VT1，iD2=0，则差模输入范围上限为差模输入范围为VOV:漏极电流为ISS/2时的过驱动电压MOS差分对的交流分析——定性分析3.差模传输特性归一化曲线VOV:漏极电流为ISS/2时过驱动电压推导过程见MOOC文档MOS差分对的交流分析——定性分析3.差模传输特性归一化曲线VOV:漏极电流为ISS/2时的过驱动电压当时，可得gm小信号条件MOS差分对的交流分析——定性分析3.差模传输特性归一化曲线gmISS不变，减小W/L，可增加VOVMOS差分对——差模参数推导1.差模交流通路虚地MOS差分对差模参数分析:差模电压增益1.差模交流通路双端输出(空载)半电路法MOS差分对差模参数分析:差模电压增益2.差模小信号等效电路(1)差模电压增益双端输出(空载)单端输出(空载)MOS差分对差模参数分析:差模电压增益双端输出(带载)MOS差分对差模参数分析:差模电压增益双端输出(带载)(1)差模电压增益单端输出(带载)MOS差分对差模参数分析:差模输入电阻2.差模小信号等效电路(2)差模输入电阻MOS差分对差模参数分析:差模输出电阻2.差模小信号等效电路(3)差模输出电阻双端输出单端输出MOS差分对——共模参数推导1.共模交流通路MOS差分对共模参数分析:共模电压增益1.共模交流通路双端输出(空载)单端输出(空载)(忽略ro)半电路法MOS差分对共模参数分析:共模电压增益1.共模交流通路双端输出(带载)单端输出(带载)(忽略ro)半电路法MOS差分对共模参数分析:共模输入电阻1.共模交流通路MOS差分对共模参数分析:共模输入电阻2.共模小信号等效电路MOS差分对共模参数分析:共模输出电阻2.共模小信号等效电路双端输出vtitMOS差分对共模参数分析:共模输出电阻2.共模小信号等效电路vtit单端输出MOS差分放大器的共模参数分析双端输出：VT1单端输出：VT2单端输出：共模输入电阻：共模输出电阻：(空载)(带载)（半电路法）MOS差分对共模参数分析:共模抑制比定义：双端输出时共模抑制比单端输出时共模抑制比(ro>>RD)MOS差分对的输出MOS差分对小结基本功能：放大差模，抑制共模特征：左右对称结构，适合集成电路设计差分放大器，对共模信号和差模信号输入均有限制有两个输入端口，双端输入和单端输入性能基本相同有两个输出端口，双端输出与单端输出性能略有不同本次课学习目标BJT差分放大器电路功能：放大差模信号，抑制共模信号性能分析与设计：放大器参数直流分析差模分析共模分析BJT差分对电路结构与MOS差分对一样电路功能：放大差模，抑制共模输入输出方式与MOS相同：两种输入方式，两种输出方式双入双出双入单出(1)BJT差分对直流分析令vi1

=vi2

=0，则(2)BJT差分对交流分析——定性分析令vi1

=vi2，则1.共模分析抑制共模信号(2)BJT差分对交流分析——定性分析1.共模分析共模输入信号上限：条件：VT1和VT2工作在放大区非常小(2)BJT差分对交流分析——定性分析1.共模分析共模输入信号下限：条件：

IEE中的BJT工作在放大区假设VCS为IEE工作在放大区所需的最小电压：+VCS-0.7V(2)BJT差分对交流分析——定性分析放大差模信号令vi1

=-vi2，则2.差模分析(3)BJT差分对大信号差模传输特性小信号范围：差模输入范围：应用：快速电流开关、ECL门电路扩展BJT差分对线性输入范围的方法以牺牲增益为代价，换取线性输入范围的拓展(4)BJT差分对的小信号工作特性1）差模分析——交流通路2)差模分析——小信号等效电路3)差模分析：差模电压增益双端输出(空载)单端输出(空载)

VT1集电极为反相输出端VT2集电极为同相输出端3)差模分析：差模电压增益双端输出(带载)

单端输出(带载)4)差模分析：差模输入电阻

5)差模分析：差模输出电阻

双端输出单端输出6)共模分析——交流通路7)共模分析——小信号等效电路(忽略ro)8)共模分析——共模电压增益(忽略ro)双端输出单端输出(空载)单端输出(带载)9)共模分析——输入电阻(忽略ro)共模输入电阻10)共模分析——共模输出电阻(忽略ro)双端输出单端输出11)交流分析——共模抑制比(忽略ro)双端输出单端输出12)差分放大器输出双端输出理想情况单端输出本次课学习目标差分放大器例题放大器频率响应分析高频小信号模型放大器高频参数分析方法开路时间常数法米勒等效分析法例题滑动端处于中间位置，设三极管参数

=100，Vbe=0.7v,忽略厄尔利效应：

求：（1）静态工作点；（2）差模电压增益、差模输入电阻和输出电阻；（3）共模电压增益、共模输入电阻和输出电阻。（1）直流通路（2）差模交流通路（2）差模输入差模交流通路差模小信号等效电路（2）小信号参数差模电压增益差模输入电阻差模输出电阻（3）共模交流通路（3）共模输入共模交流通路共模小信号等效电路（3）共模电压增益共模输入电阻共模输出电阻(1)求所需的VCM；(2)求使的RD值；(3)确定漏极的直流电压；(4)由图确定该电路的双端和单端共模增益。例题：已知器件参数为(1)由可得直流通路(2)(3)(4)Q:该电路能正常工作吗？验证：其中电路两边不对称对差分放大器性能的影响（了解）失配对双端输出时CMRR的影响产生原因电路两边不对称对差分放大器性能的影响（了解）输入失调电压产生原因：MOS的RD、W/L和Vt失配等；BJT的RC、AE、β和ro失配等；即结构不对称解决方法：引入调零电路输入失调电流产生原因：电路失配(主要是β的失配)解决方法：引入平衡电阻BJT差分对小结(与MOS差分对比较)与MOS差分对高度相似同样偏置条件下：由于BJT的gm更大，因此差模增益和共模抑制比更高BJT差分对的线性输入范围更小，需增加射极电阻BJT差分对由于器件原因，差模输入电阻很小，增加射极电阻或采用组合管的方式可以解决差分对小结基本功能：放大差模信号，抑制共模信号，即有去噪作用电路结构特征：左右严格对称采用恒流源偏置通过降低共模增益，来提高共模抑制比同等条件下，MOS差分对的差模输入性能更好同等条件下，BJT差分对差模增益更高STC频率响应及折线波特图（线上MOOC文档学习）信号及其频率时域波形频谱200Hz.wav400Hz.wav和弦.wav信号及其频率回顾：放大器的频率响应度量系统函数(频域表达式)线性放大器回顾：放大器“带宽”定义放大器频率响应的计算复函数复数频率变量二极管高频小信号模型二极管高频小信号模型pF级MOS内部电容栅极电容(Cgs、Cgd、Cgb)：其单位面积电容值记为COXCgs、Cgd，一般为pF及以下数量级Cgb，只在截止时体现，忽略不计耗尽层电容(Csb、Cdb)Csb，一般S和B极短接，影响忽略不计Cdb，一般很小，影响忽略不计MOS高频小信号模型单位增益频率fT：CS组态的短路电流增益为1时的频率饱和区，工程估算MOSFET单位增益频率忽略sCgd

令s=jω，定义

典型值在几百MHz～几百GHz之间阻容耦合放大器的幅频特性中频区—耦合电容、旁路电容短路—内部电容开路低频区—考虑耦合电容、旁路电容

的阻抗—内部电容开路

高频区—耦合电容、旁路电容短路—考虑内部电容阻抗BJT内部电容基区扩散电容Cde发射结结电容Cje集电结结电容Cμ反偏正偏反偏BJT高频混合π小信号模型Cπ：典型值为几pF～几十pFCμ：典型值为零点几pF～几pFrx：典型值为几Ω～几十Ω放大区，工程估算BJT的高频参数fTCE组态短路电流增益BJT的高频参数单位增益带宽（增益带宽积）典型值在几百MHz～几百GHz之间放大器幅频响应中的重点求解参数:fH电容耦合放大器幅频波特图直接耦合放大器幅频波特图耦合和旁路电容引起器件内部电容引起忽略耦合、旁路及器件电容影响无耦合、旁路电容，忽略器件电容影响器件内部电容引起<几十Hz>几十kHz放大器高频响应参数fH求解方法忽略低频(fL→0)，放大器高频响应函数表达式为：其中：中频增益(或直流增益)归一化增益函数对于稳定的电子系统：ωp1，ωp2，……ωpm称为极点角频率，均为正值ωz1，ωz2，……ωzn称为零点角频率，可正，可负，或为∞放大器高频响应参数fH求解方法定义法：步骤：1.已知或能求解出A(s)表达式，则令s=jω，代入A(s)，并求解|A(ω)|;2.令|A(ω)|=AM/，或20lg|A(ω)|=20lgAM-3dB，求解此时的ωH；3.上限截止频率fH=ωH/2π。放大器高频响应参数fH求解方法主极点法：设放大器有m个极点角频率，且，一般要求极点之间相差4倍及以上，且零点均很大，对ωH影响小，则称为该放大器的主极点，即有

放大器高频响应参数fH求解方法无主极点时的近似计算：若主极点不存在，则可用近似计算公式为放大器高频响应参数fH求解方法米勒定理12参数间的等效关系如下:12米勒定理应用：CS放大器高频响应分析米勒定理应用：CS放大器高频响应分析米勒定理应用：CS放大器高频响应分析KZ12米勒定理应用：CS放大器高频响应分析米勒倍增效应米勒倍增因子米勒定理应用：CS放大器高频响应分析中频增益：由CS放大器高频响应小结单级CS放大器高频响应近似等效于一阶低通滤波，这是一个简化的结果，特别是忽略了Cgd在输出部分的影响。

中，通常RG比较大，，可见越大，fH越小。Cgd连接在输入和输出节点之间，引入米勒倍增效应，使得fH不会太大，因此常称CS放大器为窄带放大器。CG和CD放大器由于不存在米勒倍增效应，因此fH比CS放大器高得多，一般我们会采用组合放大器的形式来获取高增益和宽带宽。米勒倍增效应与米勒定理米勒倍增效应是米勒定理的一个应用特例，它说明了跨接在输入和输出之间的电容，对整个电路频率响应的影响；米勒定理是在米勒倍增效应基础上推广得来的，目前除用于研究跨接元件的电路等效之外，还可用于设计一些常用电路，比如反馈电路，负阻转换器等；在集成电路中，我们还可以利用米勒倍增效应产生大电容，以解决集成电路中不能牺牲芯片面积来产生大电容的问题。米勒定理应用：CE放大器高频响应分析米勒定理应用：CE放大器高频响应分析米勒倍增效应放大器高频响应参数fH求解方法开路时间常数法可以证明，b1的值可以这样得到：

依次考虑高频等效电路中的各个电容，当电容作用时，其它电容开路、信号源置零，求出从看进去的等效电阻。对所有电容重复之一过程，将单独计算得到的时间常数相加，则可得开路时间常数上限截止频率求解示例例：如图所示CS放大器，求其中频源电压增益AM和上限截止频率fH。信号源内阻为100kΩ，RG=4.7MΩ，RD=RL=15kΩ，gm=1mA/V，ro=150kΩ,Cgs=1pF,Cgd=0.4pF。解法1：基于米勒定理其中

解法1：基于米勒定理

等效电容

可以得到总输入电容为

上限3dB频率为解法2：开路时间常数法

求中频增益解法2：开路时间常数法

求Cgs的并联电阻Rgs解法2：开路时间常数法

求Cgd的并联电阻RgdG点的节点方程为D点的节点方程：则

放大器频率响应小结半导体器件电容决定放大器高频响应参数，进而影响放大器带宽高频响应参数分析方法：系统函数分析：定义法、主极点法、近似公式电路估算分析：米勒定理、开路时间常数法低频响应参数分析：MOOC文档系统函数分析：定义法电路估算分析：短路时间常数法集成运算放大器内部结构框图组合放大电路——中间放大级设计问题：基本组态各有特点，单级增益不够高，部分电路带宽偏窄解决方案：多级级联的组合放大电路提供较高的增益提供较高的带宽与前后级进行阻抗变换说明：不同的组合结构可以获得不同的电路特性固定结构的组合放大器可视作单级放大器分析设计方法基本与单级电路相似，但连接时要注意一些特殊问题的处理1.多级放大器的耦合方式及对信号传输的影响具有隔直流作用的耦合方式阻容耦合：多用于分立器件构成的电路，耦合电容几十到几百微法变压器耦合：多用于分立元件电路，还可以实现阻抗匹配光电耦合：利用发光元件和光敏元件实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰，在分立电路和集成电路中都有应用直接耦合方式：用于集成电路内部电路连接(1)直接耦合中可能出现的直流工作点问题级间直流电平配置问题(1)直接耦合中可能出现的直流工作点问题级间直流电平配置问题解决方法：在后级的发射极接入RE(n+1)，以提高后级B极电位，扩大前级动态范围(1)直接耦合中可能出现的直流工作点问题级间直流电平配置问题(1)直接耦合中可能出现的直流工作点问题级间直流电平配置问题解决方法：加电平位移电路(Level-shiftingCircuit)，降低VC(1)直接耦合中可能出现的直流工作点问题工作点漂移问题漂移(Drift)是指当外界环境因素变化时造成的静态工作点移动。因温度变化而引起漂移简称温漂，对半导体器件尤其明显。解决方法：第一级采用低温漂的差分放大器(2)多级放大器交流参数分析一个级联系统的总电压增益等于组成它的各级放大器电压增益的乘积例：一个三级级联电压放大器系统，已知第一级的输入电阻为100kΩ，输出电阻为10kΩ，开路电压增益为Avo1=10V/V；第二级的输入电阻为10kΩ，输出电阻为1kΩ，开路电压增益为Avo2=100V/V；第三级的输入电阻为100kΩ，输出电阻为100Ω，开路电压增益为Avo3=1V/V。(1)若最后一级的负载为10kΩ，求电路的总电压增益；(2)若输入信号源vsig=10mV，Rsig=10kΩ，求最后负载上得到的输入电压大小。(1)总电压增益为(2)源电压增益为(2)多级放大器交流参数分析(2)多级放大器交流参数分析由定义推导，且忽略高次项，可得若希望更准确一些，可估算为2.经典组合电路(1)Cascode电路CS-CG或CE-CB结构称为Cascode放大器CS或CE具有高互导的特点CG或CB具有电流缓冲特性和优越的高频响应(1)Cascode放大器交流性能分析(1)Cascode放大器交流性能分析输入电阻(1)Cascode放大器交流性能分析开路电压增益=0=0(1)Cascode放大器交流性能分析开路电压增益其中第一级CS放大器的开路电压增益为：第二级CG放大器的开路电压增益为：=0=0(1)Cascode放大器交流性能分析输出电阻(1)Cascode放大器交流性能分析输出电阻(1)Cascode放大器交流性能分析CS-CG电压增益输入、输出电阻利用CG放大器输入阻抗小的特点，可有效克服CS放大器中的米勒倍增效应，从而扩展了CS放大器，即组合结构的上限频率例

电路如例图5.8所示，假设所有MOS器件的参数一致，每个器件均有gm=1mA/V，ro=25kΩ，(1)若电路负载RL=100kΩ，分别求解两个电路的电压增益；(2)若电路负载RL=25kΩ，分别求解两个电路的电压增益。(1)图(a)为Cascode放大器，故其开路电压增益为：输出电阻为：所以RL=100kΩ时，图(a)电路的电压增益为：图(b)为CS放大器，RL=100kΩ时的电压增益为：(2)RL=25kΩ时图(a)电路的电压增益为：图(b)电路的电压增益为：CE-CB电压增益CE-CB电流增益利用CB放大器输入阻抗小的特点，可有效克服CE放大器中的米勒倍增效应，从而扩展了CE放大器，即组合结构的上限频率MOS有类似的电路结构，即CS-CG(1)Cascode放大器(2)CD-CS,CC-CE,CD-CE组态利用电压跟随器改善与前级的阻抗匹配利用跟随器输出阻抗小的特点，作为第二级电路的源阻抗，能有效扩展第二级电路，同时也是组合结构的上限频率。更高的输入电阻更高的增益(3)CC-CB和CD-CG组态(3)CC-CB和CD-CG组态电压增益为CE放大器的一半，且为同相电路由于CC级的缓冲作用，CB放大器小输入电阻的问题得到了解决CC和CB放大器均不受米勒倍增效应影响，因此该结构高频时性能极其优异。例题及频率响应分析见MOOC文档组合放大器小结特点：高增益、宽带宽、兼顾实现输入输出阻抗变换方法：根据需要将基本组态结构进行组合，实现更加优良的性能指标电阻型负载放大器的问题RD的取值矛盾：过大，影响直流工作点的位置，限制交流输出摆幅；过小，影响放大器的交流增益大小集成电路中电阻会占用芯片面积有源负载放大器的优势有源负载具有交流电阻大、直流电阻小的特点，可以很好的解决放大器设计中，电阻选择在交直流情况下的矛盾。用晶体管替代电阻，还可以节省芯片面积。集成电路中要实现较大阻值的电阻，一般都将晶体管作为有源负载来实现。1.有源负载CS放大器结构特点:VT1放大管，CS组态VT2、VT3构成电流源，为VT1提供偏置电流VT2负载管假设VT2、V