模電集成差分放大電路

1、模電課件集成差分放大電路第1頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 鏡像電流源 BJT電流源電路 JFET電流源 微電流源6.1 模擬集成電路中的 直流偏置技術(shù) MOSFET多路電流源 FET電流源 MOSFET鏡像電流源第2頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四1. 鏡像電流源電流估算鏡像 IC2為IREF的鏡像無論Rc的值如何， IC2的電流值將保持不變恒流特點：T1、T2參數(shù)相同且T1對T2具有溫度補(bǔ)償作用IREF的受電源影響大，要求電源穩(wěn)定忽略2IB BJT電流源電路第3頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四交流電阻 由于T2

2、的集電極電流基本不變。所以輸出交流電流0，即一般Ro在幾百千歐以上第4頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四1. 鏡像電流源改進(jìn)帶緩沖級的鏡像電流源 由于增加了T3，使IC2更加接近IREF精度更高的鏡像電流源問題精度不夠高若需要IC2較小，則要求R很大(集成電路中難以實現(xiàn))改進(jìn)微電流源當(dāng)不夠大時，誤差較大第5頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四2. 微電流源由于很小，所以IC2也很小IC2的穩(wěn)定性較好VCC變化IREF、VBE變化而Re2較大VBE2VBE1T2工作在且T1對T2具有溫度補(bǔ)償作用非線性區(qū)IC2的變化IREF的變化第6頁，共60頁，20

3、22年，5月20日，23點41分，星期四*2. 比例電流源RE1第7頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四*3. 多路電流源第8頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四R+VGS- 借助寬長比，通常用一FET管代替R FET電流源1. MOSFET鏡像電流源2. MOSFET多路電流源R+VGS-第9頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四3. JFET電流源（P261） FET電流源SGDiD=簡單的電流源第10頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四6.2 差分式放大電路 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu) 射極耦合差分式放大

4、電路 源極耦合差分式放大電路的第11頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 概述1) 直接耦合放大電路可以放大直流信號2) 直接耦合放大電路的零點漂移零漂：主要原因：溫漂指標(biāo)：# 為什么一般的集成運算放大器都要采用直接耦合方式？電源電壓波動或溫度變化引起，也稱溫漂。輸入短路時，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。溫度每升高1度時，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。第12頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例如若第一級漂了100 uV，則輸出漂移 1 V。 若第二級也漂了100 uV，則輸出漂移 10 mV。假設(shè) 第一級是關(guān)鍵3) 減小零漂

5、的措施 用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償 調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器” 采用差分式放大電路漂了 100 uV漂移 10 mV+100 uV漂移 1 V+ 10 mV漂移 1 V+ 10 mV第13頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu) 共模輸入電流共模輸入電流T1T2差模輸入電流電路特點：1）T1、T2特性相同(BJT、FET)；2）兩個輸入端，兩個輸出端；3）元件參數(shù)對稱。共模抑制比差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓若用差模、共模信號表示兩個輸入信號第14頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四1. 基本電路1）靜

6、態(tài)分析 組成： a.T1、T2特性完全相同； b.Rc1=Rc2 =Rc 。 射極耦合差分式放大電路2. 工作原理vi1=vi2=0輸入為0，輸出也為0。vo2vo1vo2vo1vo1=vo2vo=vo1-vo2=0第15頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四2）動態(tài)分析若輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反，第16頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四2）動態(tài)分析若輸入共模信號，大小相等，相位相同。大小相等，雙端輸出時，相位相同，第17頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四一般輸入信號為vid與vic的疊

7、加 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流變化,且變化趨勢相同，從而使VOQ=VCQ1-VCQ20，因而消除了零點漂移。差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制作用。其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。 實際上，兩管不可能完全對稱，因此零點漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。在雙端輸出時，即，雙端輸出差放只放大差模信號，而抑制了共模信號。第18頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四雙入、雙出交流通路3. 主要技術(shù)指標(biāo)計算（1）差模電壓增益 雙入、雙出第19頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四c2c1eb2b1vo1vo2ro接入負(fù)載時在電路完全對稱時

8、，雙入雙出的增益與單管的相同。以雙倍元器件換取抑制零漂的能力 雙入、雙出空載時io=0ic1=-ic1c2c1eb2b1vo1vo2第20頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 雙入、單出接入負(fù)載時空載時c2c1eb2b1vo1vo2c2c1eb2b1vo1vo2第21頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四3. 主要指標(biāo)計算（1）差模電壓增益 單端輸入(發(fā)射結(jié)電阻)單端輸入信號vid相當(dāng)于平均分配在T1、T2上。 即等效于vi1=(1/2)vid，vi2=-(1/2)vid，等同于雙端輸入。 恒流源支路幾乎不分流，e端等效為對地開路。第22頁，共60頁，

9、2022年，5月20日，23點41分，星期四3. 主要指標(biāo)計算（1）差模電壓增益 單端輸入單端輸入等同于雙端輸入。具體為：單入雙出雙入雙出， 單入單出雙入單出。差模電壓放大倍數(shù)的計算與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)。 指標(biāo)計算與雙端輸入相同。第23頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四（2）共模電壓增益 共模交流通路第24頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān) 雙端輸出 共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益 單端輸出抑制零漂能力增強(qiáng)第25頁，共60頁，2022年

10、，5月20日，23點41分，星期四（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強(qiáng)單端輸出時的總輸出電壓（4）頻率響應(yīng)高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。第26頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出雙端輸入單端輸入第27頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。第28頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路(1) 電路組成雙入-單出有源負(fù)載電流

11、源(2) 工作原理1) 靜態(tài)2) 動態(tài)vi1=vi2=0T5、T6為比例恒流源第29頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例6-1：電路如圖，=100 (1)求靜態(tài)工作點；(2)求電路的差模 Aud，Rid，Ro。解(1) ui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6 V6 V100 100 7.5 k7.5 k6.2 k100 ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0=0.42mAUCQ1 = UCQ2 = 6 0.42 7.5 = 2.85 (V)UEQ1 = UEQ2 =0.7 (V)ui1 = ui2 =0V第30頁，共60頁，2

12、022年，5月20日，23點41分，星期四(2)求 Aud，Rid，RoRo = 2RC = 15 (k)c2c1b2b1e2e1RPRPui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6 V6 V100 100 7.5 k7.5 k6.2 k100 第31頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：12:3:例6-2:電路中，已知三極管的均為100，VBE=0.7V。1：靜態(tài)工作點（IC，IB，VC）；RC=10K ，RL=20K， Re=11.3K2：求雙出的Avd、 K

13、CMR 。3：計算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號從T1的集電極輸出，計算KCMR第32頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例6-2:電路中，已知三極管的均為100，VBE=0.7V。1：靜態(tài)工作點（IC，IB，VC）；RC=10K ，RL=20K， Re=11.3K2：求雙出的Avd、 KCMR 。3：計算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號從T1的集電極輸出，計算KCMR+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：4第33頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例6-3差動放大電路如圖P

14、3-5所示，設(shè)晶體管的參數(shù)為1=2= 50，rbe1=rbe2=1.5K,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.7V，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓U2=8V，Rw的滑動端位于中點，試估算：1 靜態(tài)工作點ICQ1、ICQ2、UCQ1、UCQ2。2 差模電壓放大倍數(shù)Aod。3 差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。解：具有穩(wěn)流源的差動放大電路。1 UCQ1 = UCQ2 = Vcc - ICQ1RC1 = 7V (這時由于UCQ1=UCQ2，故RL上電流為零)3 Rid = 2 Rb + rbe1 + (1+)=10K，2Ro = 2Rc =10K第34頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期

15、四例6-4:如圖電路中的三極管的=50，VBE=0.7V. RL=RC=5 K，Rb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RW=100，rce=300k，VCC=+12V， Rb2=2.4K。1）求Q點; 2）求雙出的Avd、Rid和R0; 3）求出Avd1、KCMR的表達(dá)式。 RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12 V12 V2.4K 5K5 k7.5 k5.6k100 Rb1解：1）第35頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例6-4:如圖電路中的三極管的=50，VBE=0.7V. RL=RC=5 K，Rb=20 K，R

16、e=5K,，Rb1=5.6 K，RW=100，rce=300k，VCC=+12V， Rb2=2.4K。1）求Q點; 2）求雙出的Avd、Rid和R0; 3）求出Avd1、KCMR的表達(dá)式。 RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12 V12 V2.4K 5K5 k7.5 k5.6k100 Rb12）第36頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四例6-4:如圖電路中的三極管的=50，VBE=0.7V. RL=RC=5 K，Rb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.6 K，RW=100，rce=300k，VCC=+12V， Rb2=2.4K。

17、 1）求Q點; 2）求雙出的Avd、Rid和R0; 3）若單端輸出，求Avd1、KCMR的表達(dá)式。 RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12 V12 V2.4K5K5 k7.5 k5.6k100 Rb13） 第37頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性圖中縱坐標(biāo)為靜態(tài)：vid=vi1-vi2=0時，ic1=ic2=I0/2線性放大區(qū)：-VTVidVT，ic1增加，ic2減小。非線性區(qū)：vid4VT，曲線趨于平坦，vid增加時，一管趨于飽和，另一管趨于截止ic1-ic2幾乎不變。 圖中虛線表示差分對管

18、射極接有反饋電阻RW時，傳輸特性曲線的線性區(qū)擴(kuò)大第38頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 將電路的元器件和連線制作在同一硅片上，制成了集成電路。隨著集成電路制造工藝的日益完善，目前已能將數(shù)以千萬計的元器件集成在一片面積只有幾十平方毫米的硅片上。按照集成度（ 每一片硅片中所含元器件數(shù)）的高低，將集成電路分為小規(guī)模集成電路(簡稱SSI) ，中規(guī)模集成電路(簡稱MSI), 大規(guī)模集成電路(簡稱LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)。 運算放大器實質(zhì)上是高增益的直接耦合放大電路，集成運算放大器是集成電路的一種，簡稱集成運放，它常用于各種模擬信號的運算，例如比例運算、微分運算、積

19、分運算等，由于它的高性能、低價位，在模擬信號處理和發(fā)生電路中幾乎完全取代了分立元件放大電路。 6.4 集成電路運算放大器第39頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四概述集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大電壓跟隨器或OCL 電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)鏡像電流源，微電流源。第40頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四 輸入級常用雙端輸入的差動放大電路組成，一般要求輸入電阻高，差摸放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小，輸入級的好壞直接影響運放的輸入電阻、共模抑制比等參數(shù)。中間級是一個高放大倍數(shù)的放大器，常用多級共發(fā)射極放大電路組成，該級的放

20、大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千乃數(shù)萬倍。輸出級具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小的特點，常用互補(bǔ)對稱輸出電路。偏置電路向各級提供靜態(tài)工作點，一般采用電流源電路組成。第41頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四簡單的集成電路運算放大器靜態(tài)：vi1=vi2=0時，vo=0動態(tài)：前級開路電壓為后級信號源電壓；前級輸出電阻為后級信號源內(nèi)阻；后級輸入電阻為前級負(fù)載?？傠妷涸鲆鏋楦骷壍某朔e第42頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四集成運放的特點1 硅片上不能制作大容量電容，所以集成運放均采用直接耦合方式。2 運放中大量采用差動放大電路和恒流源電路，這些電路可以抑制漂移和穩(wěn)定工作點

21、。3 電路設(shè)計過程中注重電路的性能，而不在乎元件的多一個和少一個4 用有源元件代替大阻值的電阻5 常用符合復(fù)合晶體管代替單個晶體管，以使運放性能最好第43頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端集成運放的符號 運放的結(jié)構(gòu)可知，運放具有兩個輸入端vP和vN和一個輸出端vO，這兩個輸入端一個稱為同相端，另一個稱為反相端，這里同相和反相只是輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，若輸入正電壓從同相端從輸入，則輸出端輸出正的輸出電壓，若輸入正電壓從反相端輸入，則輸出端輸出負(fù)的輸出電壓。 第44頁，共60頁，2022年，5月20日

22、，23點41分，星期四集成運放的電壓傳輸特性 集成運放輸出電壓vo與輸入電壓（vPvN）之間的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性。對于采用正負(fù)電源供電的集成運放，電壓傳輸特性如圖6-4所示。從傳輸特性可以看出，集成運放有兩個工作區(qū)，線性放大區(qū)和飽和區(qū)，在線性放大區(qū)，曲線的斜率就是放大倍數(shù)，在飽和區(qū)域，輸出電壓不是Vo+就是Vo。由傳輸特性可知集成運放的放大倍數(shù)：一般情況下，運放的放大倍數(shù)很高，可達(dá)幾十萬、甚至上百萬倍。第45頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益 開環(huán)差模電壓增益指在無外加反饋情況下的輸出電壓與輸入差模信號電壓之比，它是決定運算精

23、度的重要指標(biāo)，通常用分貝表示.差模輸入電阻Rid,是衡量差動管向輸入信號源索取電流大小的標(biāo)志，F(xiàn)007的Rid約為2M，用場效應(yīng)管作差動輸入級的運放，Rid可達(dá)M。最大共模輸入電壓vidmax,指運放所能承受的最大共模輸入電壓，共模電壓超過一定值時，將會使輸入級工作不正常，因此要加以限制。F007的為13V。共模抑制比KCMR共模抑制比的定義與差動電路中介紹的相同，F(xiàn)007的KCMRR為8086dB，高質(zhì)量的可達(dá)180dB。第46頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四輸入失調(diào)電壓VOS 對于理想運放，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出也應(yīng)為零。實際上，由于差動輸入級很難作到完全對稱，零

24、輸入時，輸出并不為零。在室溫及標(biāo)準(zhǔn)電壓下，輸入為零時，為了使輸出電壓為零，輸入端所加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓VOS。VOS大小反映了運放的對稱程度。VOS越大，說明對稱程度越差。一般VOS的值為1V20mV，F(xiàn)007的VOS為15mV。輸入失調(diào)電壓的溫漂 是指在指定的溫度范圍內(nèi)，VOS隨溫度的平均變化率，是衡量溫漂的重要指標(biāo)。 不能通過外接調(diào)零裝置進(jìn)行補(bǔ)償. 輸入偏置電流IB:輸入偏置電流是衡量差動管輸入電流絕對值大小的標(biāo)志，指運放零輸入時，兩個輸入端靜態(tài)電流、的平均值. 差動輸入級集電極電流一定時，輸入偏置電流反映了差動管值的大小。IB越小，表明運放的輸入阻抗越高。IB太大，不僅在不同信號源內(nèi)阻時，對靜態(tài)工作點有較大的影響，而且也影響溫漂和運算精度。第47頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四第48頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四第49頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四集成運算放大器的種類 第50頁，共60頁，2022年，5月20日，23點41分，星期四集成運算放大