第集成电路运算放大器

1、 集成电路运算放大器中的集成电路运算放大器中的电流源电流源 一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、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3、电流源电路一般都加有电流负反馈，4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。 电 流 源 概 述 退出 电电 流流 源源 概概 述述 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、 增大动态范围。二、电流源电路的用途：1、给直接耦合放

2、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。 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。 退出 集成电路电流源集成电路电流源 一、一、镜象电流源三极管三极管T1、T2匹配，匹配，则,BE2BE1BE21VVV=bbb IIIIIIRCBCBC()=1222212b 且且RVVIBECCR=，当当b 2时时, IICR2=，IC2和和 IR是是镜镜象象关关系系。 镜象电流源其中：基准电流 是稳定的，故输出电流 也是稳定的。I2CIR 退出T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 结构特点结构特点T1管管c c、b b之间插入一射随器之

3、间插入一射随器T3。 电路优点电路优点减小分流减小分流 i ，提高，提高IO作为作为IR镜像的精度。镜像的精度。由图由图b=12B1C1C1RiiiiI)1(21Obb= IR22O2II=bbbb整理得整理得式中式中RVVIBE(on)CCR2=RO= rce2输出电阻输出电阻 退出 二、精密镜象电流源二、精密镜象电流源 三、微电流源微电流源 微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。 微电流源2221eEBEBEBERIVVV=IC2 远小于IREF ,。RVICCREF 当R取 几k 时， IREF 为mA量级，而IC2

4、可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。222eBEECRVII= 退出 四、比例式电流源四、比例式电流源 在镜象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。比例式电流源 因两三极管基极对地电位 e2e1E1E2 e2 E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRII R IRIVVRIVRIV 因相等，于是有 退出 五、多路电流源五、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。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。 多路电流源 退出 MOS

5、镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻只是原参考支路中的电阻R被有源电阻被有源电阻T3取代。取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若若T1 T2性能匹配，工作在饱和区性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为宽长比分别为(W/l )1 、( W/l )2根据根据2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCi=OD2D1RIiiI=DS1DS3SSDDvvVV=GS1DS1vv=GS3DS3vv=，得得R12O)/()/(IlWlWI=2GS(th)GS1SSDDGS(th)GS113)()/()/(VvVVVvlWlW=2GS(th)G

6、S11OXnR)()(2VvlWCI=其中其中 退出图示电路中假设两场效应管的参数相同，图示电路中假设两场效应管的参数相同，VGS(th)=075V，I0=1mA ，IR=5mA若忽略沟若忽略沟道长度调制效应，试问道长度调制效应，试问T1和和T2两管的沟道宽长两管的沟道宽长比（比（W/L）是多少？）是多少？ = =ioV=VVA共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：beLc)/(rRRb b 对于此电路对于此电路Rc就是就是镜像电流源的交流电阻，镜像电流源的交流电阻，因此增益为因此增益为beLV=rRAb b 比用电阻比用电阻Rc就作负载时提高了。就作负载时提高了。放大管放大管镜像电流源

7、镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源 退出 F324简化原理电路简化原理电路 退出 高精度运放简化原理图高精度运放简化原理图 退出 运放简化原理图运放简化原理图 退出T1、T2构成的镜像电流源代替构成的镜像电流源代替RC4 。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 电路组成：电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。构成双端输入单端输出差放。 电路特点：电路特点： 由镜像电流源知由镜像电流源知C3C2ii当差模输入时当差模输入时C3C4ii=则差模输出电流则差模输出电流C3C4C2O2iiii=当共模输入时当共模输入时C3C4ii=则共模输出电流

8、则共模输出电流0C4C2O=iii 退出T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 性能分析：性能分析： 结论：结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。双端输出的增益。2/EECQ4CQ3CQ2CQ1IIIII=由于由于则则TCQm4m3m2m1/VIgggg=)/(ce4ce2m4Lm4drrgRgAv=差模增益差模增益差模输入电阻差模输入电阻ebe4be3bid2)(2=rrrR差模输出电阻差模输出电阻ce4ce2O/ rrR= 退出vi1vi2线性放大电路vo电

9、路完全对称的理想情况：)(21iiVDovvAv=差模电压增益差模信号idv放大两个输入信号之差共模信号)(2121iiicvvv= 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。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。差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。 退出q 差模信号差模信号和共模信号和共模信号 差模信号：指大小相等、极性相反的信号。差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为表示为 vi1 = - -vi2 = vid / 2差模输入电压差模输入电压 vid = vi1 - - vi

10、2 共模信号：指大小相等、极性相同的信号。共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为表示为 vi1 = vi2 = vic共模输入电压共模输入电压 vic = (vi1 + vi2 ) / 2 任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模 信号之代数和。信号之代数和。 vi1 = vic+ vid / 2vi2 = vic - - vid / 2即即 退出 差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成，电路差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数参数对称对称相等。相等。 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。差分放大电路

11、的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。时，021=iivv静态分析静态分析动态分析动态分析当输入信号为零时，即0=2/21CCCCCE0C21=CCoBECCvvvVRIVVIIii这时，由于电路完全对称。当在电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，时，即2/21idiivvv=一管电流增加，另一管电流减小，所以021=CCovvv即在两个输出端有信号电压输出。T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL因电路采用正负双电源供电，则因电路采用正负双电源供电，则 VBQ1 = VBQ2 0 0 估算电路估算电路Q点点T1VCCREEVEERC

12、RCT2IEEICQ1ICQ2令令 vi1 = vi2 = 0 0，画出电路直流通路。，画出电路直流通路。2EECQ2CQ1III=EEEEBE(on)EERVVI因此因此CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV= 退出抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理零点漂移零点漂移 当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。 在差分电路中，温度的变化，电源电压的波动都会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。 退出q 差放半电路分析法差放半电路分析法 因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差因

13、电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路半电路交流通路。在此基础。在此基础上分析电路各项性能指标。上分析电路各项性能指标。分析步骤：分析步骤： 差模分析差模分析画半电路差模交流通路画半电路差模交流通路 计算计算Avd、Rid、Rod 共模分析共模分析画半电路共模交流通路画半电路共模交流通路 计算计算Avc、KCMR、Ric 根据需要计算输出电压根据需要计算输出电压 双端输出双端输出： 计算计算vo单端输出单端输出： 计算计算vo1 、 vo2 退出q 差模性能分析差模性能分析T1+- -+ - -VCCREEvi1

14、voVEE+- -vi2RCRCT2RL 双端输出电路双端输出电路 REE对差模视为短路。对差模视为短路。iC2 = ICQ - - iCiC1 = ICQ + iC因因IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ（不变）（不变）故故RL中点视为交流地电位，中点视为交流地电位，即每管负载为即每管负载为RL / 2 。直流电源短路接地。直流电源短路接地。RC+ - -vod1+ - -vid1RL2 2T1半电路差模交流通路半电路差模交流通路 1 1）半电路差模交流通路）半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。注意：关键在于对公共器件的处理。 退出2 2）差模性能指标分析）差模性能指标

15、分析iididivR=差模输入电阻差模输入电阻eb1 i22=rRiid2id1ivv=iid12iv=差模输出电阻差模输出电阻C1ood22RRR=差模电压增益差模电压增益idoddvvAv=id2id1od2od1vvvv=id1od122vv=1vA=ebLC)2/(=rRRb注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有 得到提高。得到提高。 半电路差模交流通路半电路差模交流通路 RC+ - -vod1+ - -vid1RL2T1ii 退出 单端输出电路单端输出电路 与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。的处理上

16、。T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RLiididivR=eb1 i22=rR不变不变C1o1odRRR=idod1d1vvAv=id1od12vv=21vA=ebLC)/(21=rRRb减小减小减小减小RC+ - -vod1= vod+ - -vid1RLT1ii半电路差模交流通路半电路差模交流通路d2vA= 退出q 共模性能分析共模性能分析T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL 双端输出电路双端输出电路 每管发射极接每管发射极接2REE。iC2 = ICQ + + iCiC1 = ICQ + iC因因IEE

17、 = iC1 + iC2 = 2ICQ+ 2iC则则RL对共模视为开路。对共模视为开路。直流电源短路接地。直流电源短路接地。1 1）半电路共模交流通路）半电路共模交流通路因此因此REE上的共模电压：上的共模电压：2iC REE因为流过因为流过RL的共模电流为的共模电流为0。半电路共模交流通路半电路共模交流通路 RC+ - -voc1+ - -vic1=vicT12REE 退出2 2）共模性能指标分析）共模性能指标分析iicicivR =共模输入电阻共模输入电阻1 iR=iic1iv=共模输出电阻共模输出电阻共模电压增益共模电压增益icocdvvAv=icoc2oc1vvv=0=电路特点电路特点

18、半电路共模交流通路半电路共模交流通路 RC+ - -voc1+ - -vic1=vicT12REE）（)1 (221EEebb=Rr无意义无意义双端输出电路双端输出电路利用对称性利用对称性抑制共模信号。抑制共模信号。利用对称性抑制共模信号（温漂）原理：利用对称性抑制共模信号（温漂）原理： =CQ2CQ1TII0)(CQ2CQ1o=VVV)(CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV= 退出 单端输出电路单端输出电路 T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。的处理上。iicicivR =1

19、iR=）（)1 (221EEebb=Rr不变不变半电路共模交流通路半电路共模交流通路 RC+ -voc1=voc+ -vic1=vicT12REERLC1o1ocRRR=icocc1vvAv=1vA=EELEEebLC2)1 (2)/(RRRrRR=bbc2vA= 退出单端输出电路特点单端输出电路特点 单端输出电路利用单端输出电路利用REE的的负反馈作用抑制共模信号。负反馈作用抑制共模信号。 利用利用REE抑制共模信号原理：抑制共模信号原理： CQTIEQVBQI)(EQBQBEQVVV=T1+- -+ - -VCCREEvi1voVEE+- -vi2RCRCT2RLCQI 一般射极电阻一般射

20、极电阻REE取值较大取值较大EELc12RRAv因此因此很小。很小。结论结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有无论电路采用何种输出方式，差放都具有 放大差模信号、抑制共模信号的能力。放大差模信号、抑制共模信号的能力。 退出共模抑制比共模抑制比cdCMRvvAAK=dBlg20cdCMRvvAAK=（2）单端输出时共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。=AAKvcvdCMR（1）双端输出时KCMR为无穷大beovcvdCMRrrAAKb=11 退出 普通差放存在的问题：普通差放存在的问题：q 采用恒流源的差分放大器采用恒流源的差分放大器REE KCMR 抑制零点漂移能力抑制

21、零点漂移能力 但但IEE Q点降低点降低 输出动态范围输出动态范围 T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T333BE(on)EE212EE)(RVVRRRI=ebid2= rRCod2RRebCd22=rRAvbo3C2c2RRAv)/1 (21e3b333ce3o3RRrRRrRb其中其中2/EE2CQ1CQIII=o3mCMRRgK=很大很大 退出 双端输出时双端输出时 单端输出时单端输出时q 任意输入时，输出信号的计算任意输入时，输出信号的计算idd2o1oovAvvvv=i2i1idvvv=其中其中idd1icc1od1oc11ovAvAvvvvv=idd2icc2

22、od2oc22ovAvAvvvvv=其中其中i2i1idvvv=2i2i1icvvv=ebLCd)2/(=rRRAvbebLCd2d12)/(=rRRAAvvbc2c1vvAA=EELC2/RRR 退出 双电源差分放大电路差分放大电路的静态计算差分放大电路的静态计算 将电路中信号源短路即可获得计算静态的直流通路。已知：b=100，VBE=0.6VesBEEEB2)1 (=RRVVIbARVeEE6201001221=bmAIIBC6 . 0006. 0100=b另一种工程估算法：mAVIReEEE6 . 020122=AIIEBb61006 . 01=VRIVVCCCCCE6=交流参数rbe:

23、k.rbe67460261001300= 例：图示电路，已知例：图示电路，已知b b =100，vi i= =20sin t(mV)，求，求vo o 解：解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k 10k 10k (12V)(- -12V)（1）分析）分析Q点点mA25. 02/EECQ2CQ1=IIImA5 . 0/ )(EEEEBE(on)EE=RVVI（2）分析）分析Avd2 、Avc2252)/(ebLCd2=rRRAvb11. 02/EELC2cRRRAv由于由于=k4 .1026)1 (1CQebIrb则则（3）计算）计算vo oii2i1idvvvv=2/2/

24、)(ii2i1icvvvv=由于由于则则(mV)sin479idd2icc2o2otvAvAvvvv= 退出例1：差动电路中，晶体管参数：b1=b2=60，rbb=300，VUI11=，VUI01. 12=。 求： （1）静态工作时的两管集电极电流 IC； （2）双端输出时的oU和从 T1单端输出时的1oU。 01. 1121=OIIOidoVDUUUUvvA解：17234721000060=beCVDrRAb01. 0=OUmAIC5 . 02/1=CbeImVr26)1 (300b=17201. 0=OUVUO72. 1=VUUOO86. 0211= 退出小小 结结(对于基本共发放大器构成

25、的差放）对于基本共发放大器构成的差放） 双端输入 单端输入 双端输入 单端输入 双 端 输 出 单 端 输 出 Avd 2/,/RRRrRLCLbeL=bRRRrRLCLbeL/,2=bRidrbe2RoRC2RCAvc0R2REEL/KCMRrgrRbembeEE/bRicR2rEEbe1b 退出例例2：80=bV.VBE20=mA.RRVVIIEECCRCQ247524234=mA.IIICQCQCQ122421=VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121=krce50 一、估算Q点：二、动态分析：=kbeIrEQ3 . 11 . 226803002

26、6130012, 1b 等效的发射极耦合电阻REE比例式电流源的输出电阻=bkrRRceoEE405050811444 退出例例2：480250813155338021=bb=./.RrRAWbeLvd 1.双出（双入或单入）：差模特性： rbe=1.3k, 把直流电源、Vic 都短路；RL 两臂各分一半；两臂的差模信号电流大小相等、方向相反，同时流过T4 时抵消，使T4 无差模电流、也无差模电压，T4、 R1 可视作短路（或开路），这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。=b=k.RrRWbeid656025081312212=k.RRco662画差模信号通路：例例2： 画共模信号通路：把直

27、流电源、Vid 都短路；RL 两端共模信号电位相等，故其中无共模电流流过，故可视作开路；由于两臂的共模信号电流同时流过T4 、R1，因此，把它等效到每管发射极时，需用2REE表示。RW的影响可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源的输出电阻（等效的REE）为4050k。1.双出（双入或单入）：共模信号通路=AAKVVAvcvdCMRicocvc, 0=b=MRrREEbeic656405028121例例2： 2. 单出-（双入或单入）： （1）差模特性： 差模信号通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvd=b=b=kRrRWbeid3 . 3025. 0

28、813 . 121b=k.RRco33例例2： 2. 单出-（双入或单入）： （2）共模特性000304050211332./.RRvvAEELicocvc=105100030530=.AAKvcvdCMRdBog10020105= 退出 退出 退出 退出 退出 退出 退出 退出 退出完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。q 双极型差放双极型差放_差模传输特性差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+- -vID假设电路对称假设电路对称121=TBE1eSC1VvIi=TBE2eSC2VvIi=C2C1EEiiI=

29、BE2BE1IDvvv=则则TID/EEC2e1VvIi=TID/EEC1e1VvIi=得得)2(thTIDEEC2C1VvIii= 退出差模传输特性曲线差模传输特性曲线10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1- - iC2vID/VTIEE- -IEE可以证明：可以证明： 当当| vID | 26mV 时，差放线性工作（单管电路时，差放线性工作（单管电路vI 100mV 后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。说明：说明：若在两管发射极上串联电阻若在两管发射极上串联电阻RE，则利用，则利用RE的负反馈的负反馈 作用，

30、可扩展线性范围。作用，可扩展线性范围。RE 线性范围线性范围 但但 Avd 退出最大差模输入电压范围：最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3 保证保证T1、T2、T3管工作在管工作在放大区，所对应的最大共模放大区，所对应的最大共模输入电压。输入电压。BE(on)1CE(sat)1CCCCICVVRIVv要保证要保证T1、T2管放大区工作：管放大区工作：BE(on)1CE(sat)33E3EEICVVRIVv要保证要保证T3管放大区工作：管放

31、大区工作： 退出集成电路运算放大器 集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。 运算放大器方框图 退出 1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。 4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。 3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。 2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。 退出 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 1.

32、开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数, 即idoodUUA= 对于集成运放而言, 希望Aod大, 且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍), 理想集成运放认为Aod为无穷大。 退出2. 最大输出电压最大输出电压U op-p 0.1 0.2 0.3 0.4Uid / mV0.10.20.30.41010线性区Uo / VUid0图图 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 退出 3. 差模输入电阻差模输入电阻rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好, 一般

33、集成运放rid为几百千欧至几兆欧, 故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。 F007的rid=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。 退出 4. 输出电阻输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。 有时只用最大输出电流Io max表示它的极限负载能力。 认为理想集成运放的ro为零。 5. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力, 其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好, 理想集成运放的CMRR为无穷大。 退出 6. 最大差模输入电压最大差模输入电压Uid max 从集成运放输入端看进去, 一般都有两个或两个以上的发射结相串联, 若输入端的差模电压过高,