模拟电子技术基础,清华大学出版第4章 模拟集成电

第4章模拟集成电路4.1集成运算放大器概述4.2电流源电路4.3差动放大电路4.4集成电路的输出级电路4.5集成电路运算放大器4.6实际集成运算放大器的主要参数前面讨论了二极管、晶体管、场效应管，它们都是分立的器件。目前应用最广泛的还是将二极管、晶体管或场效应管、电阻等元器件及连接导线同时制作在一块半导体基片上，构成一个具有某种功能的完整电路，这就是集成电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。4.1集成运算放大器概述1.相邻元件的特性一致性好2.用有源器件代替无源器件3.二极管大多由晶体管构成4.只能制作小容量的电容4.1.1集成电路中元器件的特点集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。集成运放是一种多级放大电路，其内部通常包含四个基本组成部分：输入级、中间级、输出级以及偏置电路。4.1.2集成运放的典型结构偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点，为各级提供合适的工作电流。采用各种电流源电路。输入级：前置级，多采用差动放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用复合晶体管共射极放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用互补推挽电路。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。图示为集成运算放大器的电路符号。左图是国家标准规定的符号，右图是国内外常用的符号。两种符号中的表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。uo端为输出端，输出信号在此端与地之间输出。u－端为反相输入端，当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号相位相反，这种输入方式称为反相输入。u+端为同相输入端，当信号由此端与地之间输入时，输出信号与输入信号相位相同，这种输入方式称为同相输入。如果将两个输入信号分别从u－和u+两端与地之间输入，则信号的这种输入方式称为差动输入。常见的集成运算放大器有圆形、扁平型、双列直插式等，有8管脚、14管脚等，如图所示。集成运放的输出电压uo与输入电压ud（ud=u+－u－）之间的关系称为集成运放的电压传输特性，包括线性区和饱和区两部分，如图所示。4.1.3电压传输特性正饱和区负饱和区线性区+UOM-UOMU0Udo在线性区内uo与ud成正比关系。即：uuAuAuodoo当uo增加到一定值后进入了正负饱和区。正饱和区，负饱和区。CComoUUuEEomoUUu4.2.1镜像电流源特点是T1和T2两管的参数完全一致。尽管T1集电极和基极被短接，集电结在零偏置情况下依靠内电场的作用下仍具有吸引电子的能力。因此两管的集电极电流相等。4.2电流源电路22122CrBrCCIIIIII当时2RURUUIICCBECCrC2表明改变基准电流Ir，输出电流IC2也就改变，Ir与IC2之间就像一面镜子，故称为镜像电流源电路或电流镜电路。4.2.2比例电流源从电路可知2E2BE21E1BE1RIURIU由于三极管T1、T2管是同工艺同材料制出来的管子，故基极和发射极的管压降基本相等，故有即2E21E1RIRIrCIRRI212可见改变R1和R2的阻值，就可以改变IC2和Ir的比例关系。式中基准电流11RRUUIrBECCr4.2.3微电流源在集成电路中，有时需要微安级的小电流，可采用微电流源电路。2E2BE21E1BE1RIURIU根据晶体管发射结电压与发射极电流的近似关系可得SETBEIIUUln则2121lnEETBEBEIIUUU代入第一个式子整理得211122lnEETEEIIURIRI取R1=0时得2122lnEETEIIRUI222lnCrCTIIIUR4.2.4电流源用作有源负载在集成运放中，放大器多以电流源作负载。这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效的RC。由于晶体管是有源器件，电路中又以它为负载，故称之为有源负载。典型的有源负载共射放大电路如图所示。图中，T2、T3管构成镜像电流源作T1管的集电极负载。由于该电流源的动态内阻为rce3，所以此时T1管的电压增益只需将共射增益表达式中的RC用rce3取代即可。当实际负载RL通过射随器隔离后接入，则该级放大器可获得极高的电压增益。4.3.1直接耦合放大电路中的主要问题如果一个电路的输入信号为零时，而输出信号却不为零，将这种现象称为零点漂移，简称零漂。4.3差动放大电路零漂是直接耦合放大电路中存在的主要问题。当温度变化时，三极管各项参数也随之变化，从而造成静态工作点的漂移。由于直接耦合放大电路中各级静态工作点相互影响，故前级的漂移可经放大后送至末级，造成输出端产生较大的电压波动，即产生零漂。若零漂很严重，有用信号将完全淹没于噪声中，电路将不能正常工作。在直接耦合多级放大电路中，第一级电路的零漂决定整个放大电路的零漂指标，故为了提高放大电路放大微弱信号的能力，在提高放大倍数的同时，必须减小输入级的零点漂移。集成运算电路的输入级多采用差动放大电路，能有效抑制因温度变化引起的零点漂移。集成运放为了追求高增益的目标，其必然是一个多级放大电路。由于集成电路内部不宜制作较大容量的电容，因而集成运放中的多级放大电路只能采用直接耦合方式。4.3.2差动放大电路工作原理差动放大电路基本特点是只有两个输入端的输入信号间有差值时才能进行放大，即差动放大电路放大的是两个输入信号的差。1、基本电路结构图示为差动放大电路的基本形式，从电路结构上来看具有以下特点：（1）它由两个完全对称的共射电路组合而成；（2）电路采用正负双电源供电。2、零点漂移的抑制由于电路的对称性，温度的变化对T1、T2两管组成的左右两个放大电路的影响是一致的，相当于给两个放大电路同时加入了大小和极性完全相同的输入信号。在电路完全对称的情况下，两管的集电极电位始终相同，差动放大电路的输出为零，不会出现漂移电压。如果电路不是完全对称，由于射极电阻Re的负反馈作用也能减小集电极电位的漂移，即单端输出的零点漂移也较小。差动放大电路利用电路对称性和射极电阻Re的负反馈抑制了零点漂移现象。3、静态分析静态时，输入信号电压为零，，两输入端与地之间可视为短路，电路对称性已完全决定了左右两端的静态工作点相同，而有：0i2i1uuB2B1IIC2C1IICE2CE1UUEEEeBE2UIRUeBEEEE2RUUI1EBIIBCIIEeCCEECCCE2IRIRUUU4、动态分析1）差模信号与共模信号当两输入端所加信号ui1和ui2大小相等、极性相同时，两输出端的电位的变化也是大小相等、极性相同，因此输出电压。我们把大小相等、极性相同的ui1和ui2称为共模信号。当两输入端所加信号ui1和ui2大小相等、极性相反时，两输出端的电位的变化也是大小相等、极性相反，因此输出电压。我们把大小相等、极性相反的ui1和ui2称为差模信号。0C2C1ouuuC2C1C2C1o22uuuuu差动放大电路两个输入端信号之差定义为输入信号的差模分量（即差模信号），即i2i1iduuu差动放大电路两个输入端信号的平均值定义为输入信号的共模分量（即共模信号），即i2i1ic21uuu由上两式可以得到icidi121uuuicidi221uuu上式说明：任意一对信号可以分解为差模信号和共模信号，即电路中差模和共模信号是共存的。2）共模输入两输入端施加一对大小相等、极性相同的输入信号，即加入共模信号，这对共模信号通过UEE和Re加到左右两个管子的发射结上，由于电路对称，因而两管的集电极对地电压，差分放大电路的双端输出电压维持静态时的零值。这说明差分放大电路对共模信号无放大作用，共模电压放大倍数Auc=0。C2C1uui2i1uu因此，共模信号对电路的影响和零点漂移是一致的。差分放大电路的共模电压放大倍数反映了电路对零点漂移的抑制能力，同时也反映了电路的对称程度。3）差模输入放大电路两输入端施加一对大小相等、极性相反的输入信号，即加入差模信号。图示为基本差动放大电路差模输入时的交流通路。21iiuu差模信号使得完全对称的差分放大电路的左右两边产生完全相反且等量的变化，一管的集电极电流增大，电位降低，另一管集电极电流减小，电位升高，从而导致双端输出电压为单端输出电压的二倍。说明差动放大电路对差模信号具有放大作用。由于在差模信号作用下引起的，通过Re电流的信号分量，差模信号不会在Re上产生电压降。故Re对差模信号来说相当于短路，因而每个单管放大电路的放大倍数与共射放大电路相同，即e2e1ii0eRibeLi2od2ud2i1od1ud1rRuuAuuA双端输出时，负载电阻CLL//2RRR差模电压增益beLud2ud1i1od1i2i1od2od1ud22rRAAuuuuuuA差动放大电路与单边电路的电压增益相等。可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制共模信号的能力。由于信号是从两个基极输入，又从两个集电极输出，故差模输入电阻和差模输出电阻为单管放大倍数的两倍，即：bei2rrCo2Rr4）共模抑制比对差动放大电路而言，差模信号是有用信号，共模信号是零点漂移或干扰等原因产生的无用附加信号。为了衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常把差分放大电路的差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数的Auc比值作为评价其性能优劣的主要指标，称为共模抑制比，记作共模抑制比越大，差分放大电路分辨差模信号的能力越强，对共模干扰抑制越好。在双端输出理想对称的情况下，因Auc=0，所以趋于无穷大。CMRKCMRKucudCMRAAK或ucudCMRlog20AAKCMRK4.3.3电流源代替有源负载的差动放大电路在差分电路中，射极电阻Re越大，差分电路的共模抑制比就越大，抑制共模信号的能力就越强。通常用一个具有很大交流等效电阻而直流电阻又不大的晶体管恒流源来代替典型差分放大电路中的Re。4.3.4差动放大电路的输入输出方式当信号从一个输入端输入时称为单端输入；从两个输入端之间浮地输入时称为双端输入；当信号从一个输出端输出时称为单端输出；从两个输出端之间浮地输出时称为双端输出。因此，差动放大电路具有四种不同的工作状态：双端输入，双端输出；单端输入，双端输出；双端输入，单端输出；单端输入，单端输出。1.双端输入、单端输出图中输出信号只从左侧三极管的集电极对地输出,这种输出方式叫单端输出。beLud1ud221rRAAbbei2RrrCoRrsoLucrRA21besoCMRrrK1注：rso为图中实际电流源的动态输出电阻2.单端输入、双端输出将差放电路的一个输入端接地，信号只从另一个输入端输入，输出取自两个端子间的信号，这种连接方式称为单端输入、双端输出。该电路实现了将单端输入转换为双端输出，经常用于多级直接耦合电路的输入级。由于单端输入与双端输入情况相同,因而单端输入、双端输出电路计算与双端输入、双端输出电路计算相同。3.单端输入、单端输出电路如图示,由于单端输入与双端输入情况相同,因而单端输入、单端输出电路计算与双端输入、单端输出电路计算相同。4.4集成电路的输出级电路动态时，在输入信号一个完整的周期内，两个管子轮流导通，各导通半个周期，负载上得到一个完整波形的输出信号，故称之为互补推挽放大电路。放大电路的输出级应有一定的带负载能力，输出电阻要小，动态范围要大。因此，集成电路的输出级常采用互补推挽放大电路。T1、T2分别为NPN型和PNP型晶体管，要求T1和T2管特性对称，并且正负电源对称。静态时，输入信号为零，由于两管特性对称，供电电源对称，两管射极电压，T1、T2的发射结因零偏而未导通，输出信号为零。0EU4.5集成电路运算放大器本节介绍一种通用型集成运算放大器741作为BJT模拟集成电路的典型例子。集成电路运算放大器是一种高性能的多级直接耦合放大电路，它的主