4 第6章集成运放

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6.4集成电路运算放大器6.5集成运算放大器的主要参数集成电路(IntegratedCircuits,IC)：在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，所构成的具有特定功能的电子电路。模拟集成电路种类：运算放大器、功率放大器、稳压电源、宽频带放大器、模-数和数-模转换器……按功能分类：模拟集成电路、数字集成电路集成电路的特点（同分立器件电路相比）集成电路是一种多级放大电路，具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在电路的选择及构成形式上又受到集成工艺条件的严格制约。因此，在电路设计上具有许多特点，主要有：1.电路结构与元件参数具有对称性，利用对称结构改善电路性能。同一硅片相同工艺参数绝对值同向偏差元件特性相同温度均一性2.多采用复合管。复合管性能较好，制作不困难。5.二极管用BJT的发射结构成。3.大电阻不易集成，尽可能用有源器件代替无源元件。高阻值电阻用有源器件组成的恒流源电路代替，制造三端器件比制造电阻所占面积小，也较经济。硅半导体的体电阻阻值范围不大：几十欧到几十千欧误差大：10%到20%尽量少用4.电感、大电容不易集成，级间采用直接耦合方式。电路中电容常用PN结结电容构成，误差较大；电感制造困难。集成电路中的两个主要单元电路：电流源、差分式放大电路6.1模拟集成电路中的直流偏置技术BJT、FET工作在放大状态时：输出电流是具有恒流特性的受控电流源，可以构成电流源电路。N沟道增强型MOSFETvCE/ViC/mA放大区0iB=40uA80uA120uA160uA200uA饱和区截止区三极管输出电流恒定的电路，具有很高的输出电阻。电流源电路：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，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。恒流源(Constant-currentsource)2)作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。1)给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。3)由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。电流源电路的主要用途如：电流源在电路中作为有源负载，其交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时，其上的直流压降小，输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。电流源电平移动电路1.镜像电流源(R_Reference)(2)背靠背；b、c连；相连侧定电流。特点：(1)电路形式及电流均“镜像”，又称“电流镜”。☞6.1.1BJT电流源电路BE1BE2=VVREFREFC12IββIIE1E2=IIRVVRVVVIEECCEEBECCREF)(=1C1C1CBC1EFR)2(22IβββIIIIIC1C2II成镜像关系2βT1、T2参数完全相同。RVVIIIEECCREFC1C2即：R确定IREF确定IC2确定IC2是IREF的镜像)1(TBEESE/VVeII)1(TDSDV/veIiDiDv0SIBRV☞电路的温度补偿特性：T1对T2管的温度补偿作用。当不够大时，IC2与IREF存在差别。β镜像电流源存在的问题：REFREFC12IββII2β☞镜像电流源VBE1TIC2IC1IE1IC1IREFIC2Re3的加入：避免T3电流过小，使下降。3βIB3比原来的2IB减小了(1+β3)倍。因此IC2和IREF之间的镜象精度大大提高。βCi0镜像电流源缺点：电路中增加了T3管。精密镜像电流源：3BREFB3REFC1C212IIIIIIa)受电源波动影响大；b)电流最低至mA级。B2I2.微电流源接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源。e2E2BE2BEBE1RIVVV∴IC2IREF故：电源电压变化时，IC2的变化远比IREF小。e2BEE2C2RVIIRVVIEECCREF而(mA量级)△VBE约几十mV，Re2为数kIC2为A量级温度稳定性也好：T1对T2有温度补偿作用微电流源优点：受电源波动影响小。BE1BE2VVT2管工作在输入特性曲线的弯曲部分特点：3.比例式电流源在镜像电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。由两三极管基极对地电位相等，有:e2e1RC2e2e1E1E2e2E2e1E1BE2BE1RRIIRRIIRIRIVV即：IC2与IR成比例关系。e2E2BE2e1E1BE1RIVRIV4.多路电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。RIRT0R0T1T2T3R1R2R3IC1IC2IC3IC0IE0IE1IE2IE3CCVIE0R0≈IRR0=IE1R1=IE2R2=IE3R310RE1C1RRIII20RE2C2RRIII30RE3C3RRIIIRC0BRC0-II,βIII较大时，当即：由于各管β、VBE相同，有：BI共射电路的电压增益为：对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻。电流源用作有源负载镜像电流源5.电流源用作有源负载理想电流源特点：电流恒定；直流电阻小，交流电阻无穷大。恒流源的作用：1.提供放大电路的偏置电流；2.替代交流大电阻。io=VVAVbeLc)//(rRR如：作共射电路的有源负载。共射电路符号O_Output当实际负载RL通过射随器隔离后接入，则可获得极高的电压增益。电流源用作有源负载rO镜像电流源放大管6.2差分式放大电路vi1vi2线性放大电路vo理想情况：电路完全对称，输出电压表示为)(i2i1DovvAvV差模电压增益差模电压idv差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。——任何两个输入端所共有的信号对输出电压不会有影响。(DifferentialAmplifierorDiff-Amp)功能：放大两个输入信号之差（差模信号）。6.2.1差分式放大电路的一般结构电路结构特点：对称性ou﹣+由于双电源供电，基极接地后T1，T2导通，不再需要通过Rb提供偏置电流双电源供电：可做到基极直流0电位差分放大电路由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻连接在一起构成。——射极耦合差分式放大电路即：1=2=ICBO1=ICBO2=ICBOrbe1=rbe2=rbeVBE1=VBE2=VBERC1=RC2=RC12-VEEa)结构对称；b)两个三极管的特性一致；c)电路参数对应相等。对称的含义：射极耦合差分式放大电路差放电路可以有两个输出端，集电极C1和集电极C2。双端输出：从C1和C2输出，浮地状态；单端输出：仅从C1或C2一个集电极对地输出。双端输入：两个输入端同时加入信号；单端输入：信号仅从一个输入端对地加入。信号的输入方式：信号的输出方式：输入输出方式双端输入(two-sidedinput)单端输入(single-sidedinput)双端输出(two-sidedoutput)单端输出(one-sidedinput)12-VEE+uo-LRLR+uo-VEE-cRVCCT+1cRT2eRui-+-++-uiui12VEE-cRVCCT+1cRT2eRui-+-++-uiui12+uo-LRLR+uo-VEE-cRVCCT+1cRT2eR-+uiVEE-cRVCCT+1cRT2eR-+ui差动放大器的四种接法(a)双端输入双端输出(b)双端输入单端输出(c)单端输入双端输出(d)单端输入单端输出差模信号和共模信号差模信号vid(differential-mode):指在两个输入端加上幅度相等,极性相反的信号。共模信号vic(common-mode):指在两个输入端加上幅度相等,极性相同的信号。差分放大电路能：放大差模信号，抑制共模信号。则：vic=？，vid=？2idic1ivvv对于任意输入的信号vi1,vi2，都可分解成差模分量和共模分量的组合形式。即输入信号可表示为：例:vi1=20mV,vi2=10mV，其中vid、vic定义为：2idic2ivvv2i1iidvvv（差模信号）2i1iic21vvv（共模信号）则：vic=15mV，vid=10mV。icCidDocodo=vAvAvvvVV运用叠加定理求得总输出电压：其中：AVD=vod/vid（差模电压增益）；AVC=voc/vic（共模电压增益）126.2.2射极耦合差分式放大电路12-VEE1.基本电路差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。1Cv2Cv(1)静态分析2.工作原理（双入双出）当输入信号为零时，即vi1=vi2=0V时，由于电路完全对称，有：V70=cCCCEcCCCCE.RIVVRIVV差动放大器通常采用正负两路电源供电，以使输入端的直流电位为零。V70BEE.VV即：输入信号为零时，输出信号为零。2OCC2C1/IIii0C2C1ovvv(2)动态分析电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压。2idi1/vv02C1Covvv即：两个输出端有信号电压输出。结果：一管电流增加，另一管电流减小。——差模输入方式2i1iidvvv☞a)输入为差模信号（vid）2idi2/vv在差分电路中，由温度变化、电源电压波动引起的两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。b)输入为共模信号（vic）解决方法：利用对称电路，抑制零点漂移。解决思路：如果存在一个产生零点漂移的信号源，从输出信号中扣除掉，就可以克服零点漂移.——共模输入方式0C2C1ovvv1)定义：输入为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离起始点而上下波动，称为零点漂移（零漂）。2)原因：温度变化、电源电压波动等内部原因。3)影响：静态工作点与被放大信号混淆，被后级传播恶化。c)关于零点漂移：例如：假设100,=1VA则：第一级漂移输出时增大为1V，第二级漂移扩大为10mV。。1=3VA每极均有100μV的漂移。抑制第一级或前几级的温漂是关键。漂了100μV漂移了10mV+100μV漂移了1V+10mV+100μV100,=2VA漂移了：同前级有时会将信号淹没!!尤其缓慢变化的信号3.主要技术指标的计算差模工作状态分为四种:1)双端输入、双端输出（双----双）2)双端输入、单端输出（双----单）3)单端输入、双端输出（单----双）4)单端输入、单端输出（单----单）不同接法放大性能有所不同主要讨论的问题有：电压放大倍数AVD,AVC输入电阻Rid,Ric输出电阻Ro共模工作状态分为两种:1)双端输入、双端输出（双----双）2)双端输入、单端输出（双----单）•VCC交流接地。(a)双端输入、双端输出时：(signalground)①差模电压增益iC1的增加量=iC2的减小量ro上的动态电流大小相等方向相反，和为0ro上动态压降=0发射极相当于交流接地交流通路的画法：•发射极交流接地。（差模地）iid流向2idi2i1vvv(1)差模工作状态beci1o1i2i1o2o1idoD22-rβRvvvvvvvvAV-•输出端电阻为RL/2。c1c1、c2点电位变化方向相反、大小相等负载RL中点为交流地电位接在两输出端的负载相当于RL/2。2LRc2无RL：接入负载时：beLDrRβAV即：用成倍的元器件换取抑制零点漂移的能力。beLc)2(rR||Rβ(b)双端输入、单端输出时：只利用了一个集电极输出的变化量。beLcD1rR||RβAV21becDi1o1i2i1o1ido11D2212-rβRAvvvvvvvAVV注意放大倍数的正负号c1LRc21ov对臂输出，极性相反！