第05章 集成电路运算放大器

第5章集成电路运算放大器

集成电路运算放大器中的电流源

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

电流源概述

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

一、镜象电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVV====bbb

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。退出T1VCCiC1RT2IRIOiRET3结构特点T1管c、b之间插入一射随器T3。电路优点减小分流

i，提高IO作为IR镜像的精度。由图整理得式中RO=rce2输出电阻退出

二、精密镜象电流源

三、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IC2

远小于IREF

,当R取几k时，

IREF为mA量级，而IC2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。退出

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

e2e1E1E2e2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV»»»++因相等，于是有退出

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镜像电流源MOS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R被有源电阻T3取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若T1T2性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为(W/l)1、(W/l)2根据，得其中退出图示电路中假设两场效应管的参数相同，VGS(th)=0．75V，I0=1mA，IR=5mA若忽略沟道长度调制效应，试问T1和T2两管的沟道宽长比（W/L）是多少？

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，因此增益为比用电阻Rc就作负载时提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源退出F324简化原理电路退出高精度运放简化原理图退出运放简化原理图退出有源负载差分放大器T1、T2构成的镜像电流源代替RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。

电路特点：

由镜像电流源知当差模输入时则差模输出电流当共模输入时则共模输出电流退出T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2性能分析：

结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。由于则差模增益差模输入电阻差模输出电阻退出差分放大电路vi1vi2线性放大电路vo电路完全对称的理想情况：差模电压增益差模信号放大两个输入信号之差共模信号

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。退出差模信号和共模信号电路性能特点差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为

vi1=-vi2=vid/2差模输入电压vid=vi1-

vi2共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为

vi1=vi2=vic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信号之代数和。

vi1=vic+vid/2vi1=vic-

vid/2即退出差分放大电路的组成

差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。

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。静态分析动态分析当输入信号为零时，即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，一管电流增加，另一管电流减小，所以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VBQ1=

VBQ20估算电路Q点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。因此退出抑制零点漂移的原理零点漂移——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，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。分析步骤：差模分析画半电路差模交流通路计算Avd、Rid、Rod

共模分析画半电路共模交流通路计算Avc、KCMR、Ric

根据需要计算输出电压

双端输出：

计算vo单端输出：

计算vo1、

vo2退出差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路REE对差模视为短路。iC2=ICQ-

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ（不变）故RL中点视为交流地电位，即每管负载为RL/2。直流电源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路1）半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。退出2）差模性能指标分析差模输入电阻差模输出电阻差模电压增益注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。半电路差模交流通路RC+-vod1+-vid1RL2T1ii退出单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不变减小减小RC+-vod1=

vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路退出共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路每管发射极接2REE。iC2=ICQ+

iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则RL对共模视为开路。直流电源短路接地。1）半电路共模交流通路因此REE上的共模电压：2iCREE因为流过RL的共模电流为0。半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE退出2）共模性能指标分析共模输入电阻共模输出电阻共模电压增益电路特点半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。利用对称性抑制共模信号（温漂）原理：退出单端输出电路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。不变半电路共模交流通路

RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL退出单端输出电路特点单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。利用REE抑制共模信号原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL一般射极电阻REE取值较大因此很小。结论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。退出共模抑制比（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。（1）双端输出时KCMR为无穷大退出普通差放存在的问题：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零点漂移能力但IEEQ点降低输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大退出双端输出时单端输出时

任意输入时，输出信号的计算其中其中退出双电源差分放大电路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：=100，VBE=0.6V另一种工程估算法：交流参数rbe:例：图示电路，已知

=100，vi=20sint(mV)，求vo解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)（1）分析Q点（2）分析Avd2

、Avc2由于则（3）计算vo由于则退出例1：解：退出小结(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退出例2：

一、估算Q点：二、动态分析：

等效的发射极耦合电阻REE—比例式电流源的输出电阻退出例2：

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。画差模信号通路：例2：画共模信号通路：把直流电源、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）：共模信号通路例2：

2.单出-（双入或单入）：

（1）差模特性：

差模信号通路例2：

2.单出-（双入或单入）：

（2）共模特性退出退出退出退出退出退出退出退出退出差模传输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。双极型差放__差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称则得退出差模传输特性曲线10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1-

iC2vID/VTIEE-IEE可以证明：

当|vID|

26mV时，差放线性工作（单管电路vI<2.6mV）。|vID|

>100mV后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。说明：若在两管发射极上串联电阻RE，则利用RE的负反馈作用，可扩展线性范围。RE线性范围但Avd

退出最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3

保证T1、T2、T3管工作在放大区，所对应的最大共模输入电压。要保证T1、T2管放大区工作：要保证T3管放大区工作：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1.开环差模电压放大倍数AodAod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Uop-p图集成运放的传输特性退出3.差模输入电阻ridrid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=2MΩ。认为理想集成运放的rid为无穷大。退出4.输出电阻roro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Iomax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Uidmax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,会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏,PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏,如F007的Uidmax为±30V。退出7.最大共模输入电压U

icmax输入端共模信号超过一定数值后,集成运放工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uicmax值为±13V。8.输入失调电压UIO该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器),它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时,输出也为零,但实际中往往输出不为零,将此电压折合到集成运放的输入端