第0章集成電路運(yùn)算放大器36頁

1、差分式放大器 集成電路運(yùn)算放大器中的集成電路運(yùn)算放大器中的電流源電流源 一、電流源電路的特點(diǎn)：這是輸出電流恒定的電路。它具有很高的輸出電阻。1、bjt、fet工作在放大狀態(tài)時(shí)，其輸出電流都是具有恒流特性的受控電流源；由它們都可構(gòu)成電流源電路。2、在模擬集成電路中，常用的電流源電路有： 鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等3、電流源電路一般都加有電流負(fù)反饋，4、電流源電路一般都利用pn結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對(duì)電流的影響。 電 流 源 概 述 電電 流流 源源 概概 述述 2、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、 增大動(dòng)態(tài)范圍。二、電流源電路的用途：1、給直接

2、耦合放大器的各級(jí)電路提供直流偏置電流，以獲得極其穩(wěn)定的q點(diǎn)。 3、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長的電壓輸出。 4、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。 集成電路電流源集成電路電流源 一、一、鏡象電流源三極管三極管t1、t2匹配，匹配，則,be2be1be21vvv=bbb iiiiiircbcbc()=1222212b 且且rvvibeccr=，當(dāng)當(dāng)b 2時(shí)時(shí), iicr2=，ic2和和 ir是是鏡鏡象象關(guān)關(guān)系系。 鏡象電流源其中：基準(zhǔn)電流 是穩(wěn)定的，故輸出電流 也是穩(wěn)定的。i2cir 二、精密鏡象電流源 精密鏡象電流源和普通鏡象電流源相比，其鏡象精度提高了b 倍。 精密電流源 電路中增

3、加了t3 管， ib3 比鏡象電流源的2ib小3倍。因此ic2和iref之間的鏡象精度提高了 倍。3bref3bref1c2c12iiiiiib=b31 三、微電流源微電流源 微電流源電路,接入re2電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集成放大器的前置級(jí)中。 微電流源2221eebebeberivvv=ic2 遠(yuǎn)小于iref ,。rviccref 當(dāng)r取 幾k 時(shí)， iref 為ma量級(jí)，而ic2可降至a量級(jí)的微電流源。且ic2 的穩(wěn)定性也比iref 的穩(wěn)定性好。222ebeecrvii= 四、比例式電流源四、比例式電流源 在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電

4、阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。比例式電流源 因兩三極管基極對(duì)地電位 e2e1e1e2 e2 e2e1e1be2be1e2e2be2e1e1be1=rrii r irivvrivriv 因相等，于是有 五、多路電流源五、多路電流源 通過一個(gè)基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源。圖中一個(gè)基準(zhǔn)電流iref可獲得多個(gè)恒定電流ic2、ic3。 多路電流源vi1vi2線性放大電路vo電路完全對(duì)稱的理想情況：)(21iivdovvav=差模電壓增益差模信號(hào)idv放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差共模信號(hào))(2121iiicvvv= 差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能

5、力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。共模信號(hào) ：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。 差分放大電路是由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。 差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。時(shí)，021=iivv靜態(tài)分析靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，即0=2/21ccccce0c21=ccobeccvvvvrivviiii這時(shí)，由于電路完全對(duì)稱。當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，時(shí)，即2/21idiivvv=一管電流增加，另一管電流減小，

6、所以021=ccovvv即在兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出。抑制零點(diǎn)漂移的原理抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移 當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。 在差分電路中，溫度的變化，電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)與在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移動(dòng)畫動(dòng)畫6-1零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移動(dòng)畫動(dòng)畫6-2差模電壓增益差模電壓增益becidoiiooidovdrrvvvvvvvvab=121212雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、單端輸出becvdvdrraa2211b=加負(fù)載電阻加負(fù)載電阻rlbelvdr

7、ra=b2/lclrrr =式中：差分放大電路有兩個(gè)輸出端集電極c1和集電極c2。 若信號(hào)從c1 和c2輸出，則稱為雙端輸出，反之，若信號(hào)僅從集電極 c1或c2 對(duì)地輸出，則稱為單端輸出。共模共模電壓增益電壓增益 avc（1）雙端輸出時(shí)：021=vvvicococvca（2）單端輸出時(shí)：ocobecicocvcrrrrrvva22111=bb 共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。 avc1越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。 (2)差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻入電阻rid是基本放大電路的兩倍。是基本放大電路的兩倍。besid2rrr=(3

8、)輸出電阻 輸出電阻在輸出電阻在 單端輸出時(shí)，單端輸出時(shí)， 雙端輸出時(shí)，雙端輸出時(shí)， corr =co2rr =共模抑制比共模抑制比cdcmrvvaak=dblg20cdcmrvvaak=（2）單端輸出時(shí)共模抑制比共模抑制比kcmr是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。=aakvcvdcmr（1）雙端輸出時(shí)kcmr為無窮大beovcvdcmrrraakb=11恒流源差分放大電路恒流源差分放大電路 為了提高共模抑制比應(yīng)加大為了提高共模抑制比應(yīng)加大re 。但。但re加大后，加大后，為保證工作點(diǎn)不變，必須提高負(fù)電源，這是不經(jīng)濟(jì)為保證工作點(diǎn)不變，必須提高負(fù)電源，這是不經(jīng)濟(jì)的?？捎煤懔髟吹?。可用恒流源t3來代替來

9、代替re 。恒流源動(dòng)態(tài)電阻大，可提高恒流源動(dòng)態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。同時(shí)恒流源的共模抑制比。同時(shí)恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提管壓降只有幾伏，可不必提高負(fù)電源之值。高負(fù)電源之值。恒流源電流數(shù)值為ie =(vz - vbe3 )/ re 雙電源差分放大電路差分放大電路的靜態(tài)計(jì)算差分放大電路的靜態(tài)計(jì)算 將電路中信號(hào)源短路即可獲得計(jì)算靜態(tài)的直流通路。已知：b=100，vbe=0.6vesbeeeb2)1 (=rrvvibarveee6201001221=bmaiibc6 . 0006. 0100=b另一種工程估算法：mavireeee6 . 020122=aiiebb61006 . 01=vr

10、ivvccccce6=交流參數(shù)rbe:k.rbe67460261001300=例1：差動(dòng)電路中，晶體管參數(shù)：b1=b2=60，rbb=300，vui11=，vui01. 12=。 求： （1）靜態(tài)工作時(shí)的兩管集電極電流 ic； （2）雙端輸出時(shí)的ou和從 t1單端輸出時(shí)的1ou。 01. 1121=oiioidovduuuuvva解：17234721000060=becvdrrab01. 0=oumaic5 . 02/1=cbeimvr26)1 (300b=17201. 0=ouvuo72. 1=vuuoo86. 0211=小小 結(jié)結(jié)(對(duì)于基本共發(fā)放大器構(gòu)成的差放）對(duì)于基本共發(fā)放大器構(gòu)成的差放

11、） 雙端輸入 單端輸入 雙端輸入 單端輸入 雙 端 輸 出 單 端 輸 出 avd 2/,/rrrrrlclbel=brrrrrlclbel/,2=bridrbe2rorc2rcavc0r2reel/kcmrrgrrbembeee/bricr2reebe1b例例2：80=bv.vbe20=ma.rrvviieeccrcq247524234=ma.iiicqcqcq122421=vrivvvvccqeccceqceq53 . 31 . 22 . 0121121=krce50 一、估算q點(diǎn)：二、動(dòng)態(tài)分析：=kbeireq3 . 11 . 2268030026130012, 1b 等效的發(fā)射極耦合電

12、阻ree比例式電流源的輸出電阻=bkrrrceoee405050811444例例2：480250813155338021=bb=./.rrrawbelvd 1.雙出（雙入或單入）：差模特性： rbe=1.3k, 把直流電源、vic 都短路；rl 兩臂各分一半；兩臂的差模信號(hào)電流大小相等、方向相反，同時(shí)流過t4 時(shí)抵消，使t4 無差模電流、也無差模電壓，t4、 r1 可視作短路（或開路），這里作短路處理；對(duì)于rw：兩臂各分一半。=b=k.rrrwbeid656025081312212=k.rrco662畫差模信號(hào)通路：例例2： 畫共模信號(hào)通路：把直流電源、vid 都短路；rl 兩端共模信號(hào)電位相

13、等，故其中無共模電流流過，故可視作開路；由于兩臂的共模信號(hào)電流同時(shí)流過t4 、r1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時(shí)，需用2ree表示。rw的影響可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,電流源的輸出電阻（等效的ree）為4050k。1.雙出（雙入或單入）：共模信號(hào)通路=aakvvavcvdcmricocvc, 0=b=mrrreebeic656405028121例例2： 2. 單出-（雙入或單入）： （1）差模特性： 差模信號(hào)通路53002508131113380212121./.rrrawbelvd=b=b=krrrwbeid3 . 3025. 0813 . 121b=k.rrco33例例2：

14、2. 單出-（雙入或單入）： （2）共模特性000304050211332./.rrvvaeelicocvc=105100030530=.aakvcvdcmrdbog10020105=集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。 運(yùn)算放大器方框圖 1.輸入級(jí) 使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。 4.偏置電路 提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.輸出級(jí) 由pnp和npn兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱

15、功率放大器。 2.電壓放大級(jí) 要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。 運(yùn)算放大器的引線 運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)+表示；另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反，用符號(hào)“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。集成放大器的符號(hào)運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器外外形形圖圖 1.差模電壓放大倍數(shù)avd=，實(shí)際上avd80db即可。 理想運(yùn)算放大器的條件 2.差模輸入電阻rid=，實(shí)際上rid比輸入端外電路的 電阻大23個(gè)量

16、級(jí)即可。3.輸出電阻ro= 0，實(shí)際上ro比輸入端外電路的電阻 小12個(gè)量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。 實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器 都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。 理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。 理想運(yùn)算放大器的特性 (1)(1)虛短虛短 由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般都在80 db以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10 v14 v。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mv，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。 (2)(2)虛斷虛斷 由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般都在1 m以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1 a，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通常可把運(yùn)放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。 “虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 下面舉兩個(gè)例子說明虛短和虛斷的運(yùn)用。 例1：試