分析模電06集成

6集成電路運(yùn)算放大器

在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中的元器件及其連接導(dǎo)線，制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。集成電路按其功能來分，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生和處理各種數(shù)字信號，模擬集成電路用來產(chǎn)生和處理各種模擬信號。

6集成電路運(yùn)算放大器

模擬集成電路一般由一塊厚約0.2~0.5mm2的P型硅支撐，這種硅片是集成電路的基片。基片上可以做成包含數(shù)十個或更多個BJT、FET、電阻和連接導(dǎo)線的電路。其外形一般有金屬圓殼和雙列直插結(jié)構(gòu)。模擬集成電路的種類很多，有集成運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放），集成功率放大器，集成模擬乘法器，集成穩(wěn)壓器等等。集成運(yùn)算放大器應(yīng)用最為廣泛。集成運(yùn)算放大器是一種高增益的直流多級放大器。由于最初用于數(shù)字運(yùn)算，所以稱為運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器的用途早已不限于數(shù)學(xué)運(yùn)算，它在信號的產(chǎn)生、變換、處理、測量等方面，起著非常重要的作用，所以獲得了非常廣泛的應(yīng)用。6集成電路運(yùn)算放大器集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點：1、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3、幾十PF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。5、集成電路的芯片面積小，集成度高，因此各個元器件工作電流很小，一般在毫安以下，功耗很小，在毫瓦以下。6、級間采用直接耦合方式。6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.2差分式放大電路6.3差分式放大電路的傳輸特性6.4集成電路運(yùn)算放大器6集成電路運(yùn)算放大器基本要求:

1理解鏡像電流源、微電流源的工作原理、特點和主要用途

2重點掌握差分放大電路的工作原理和各項指標(biāo)的計算

3了解集成運(yùn)放的基本組成和工作原理

鏡像電流源6.1.1BJT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6.1.2FET電流源MOSFET鏡像電流源

在模擬集成電路中，廣泛使用一種單元電路——電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作為放大電路的有源負(fù)載。1.鏡像電流源電流估算鏡像－－IC2為IREF的鏡像特點：T1、T2參數(shù)相同且T1對T2具有溫度補(bǔ)償作用IC的受電源影響大，要求電源穩(wěn)定6.1.1BJT電流源電路VCC和R一定時，IC電流隨之確定。電路簡單，應(yīng)用廣泛；要求IC1電流較大情況下，R的功耗較大，集成電路應(yīng)避免；要求IC1電流較小時，要求R數(shù)值較大，集成電路難以實現(xiàn)。T1對T2管具有溫度補(bǔ)償作用：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VBE2<<VBE1T2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

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

用阻值不大的R即可獲得微小的工作電流，稱為微電流源。*3.比例電流源RE1*

4.組合電流源T1、R1和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流IREFT1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流源基本思想：使用一個基準(zhǔn)電流，獲得多個電流源工程上：上部一組電路稱為電流源；下部一組電路稱為電流阱。R+VGS--

借助寬長比，通常用一FET管代替R6.1.2FET電流源1.MOSFET鏡像電流源2.MOSFET多路電流源R+VGS--3.JFET電流源（P261）6.1.2FET電流源(a)電路(b)輸出特性將柵極直接與源極相連，便可得到簡單的電流源。6.2差分式放大電路

6.2.1

差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)

6.2.2

射極耦合差分式放大電路

6.2.3

源極耦合差分式放大電路的

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：#為什么一般的集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦合方式？輸入短路時，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。輸入vi=0V時：形成原因：溫度變化；直流電源波動；器件老化等。由于晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，所以也將其稱為溫漂。影響：零漂會引起放大器靜態(tài)工作點的變化。當(dāng)?shù)谝患壏糯笃鞯撵o態(tài)工作點發(fā)生微小而緩慢的變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。這種漂移電壓大到一定程度時，就無法從正常的放大信號中加以區(qū)別，使放大器不能正常工作。溫漂指標(biāo)：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。例如若第一級漂了100uV，則輸出漂移1V。

若第二級也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設(shè)

第一級是關(guān)鍵3)減小零漂的措施

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100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV1.差分式放大電路的組成：差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路構(gòu)成的，兩個基本電路參數(shù)完全相同，管子的特性也完全相同,電路有兩個輸入端和兩個輸出端。電路中兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時將時時相等，因此以兩集電極電壓差作為輸出，可以克服溫度的漂移。

6.2.1

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

認(rèn)清差模輸入電流信號和共模輸入電流信號的走向差模輸出信號共模輸出信號一般：希望差模增益大，共模增益小。1.基本電路1）靜態(tài)分析

組成：

a.T1、T2特性完全相同；

b.Rc1=Rc2=Rc。

6.2.2

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=02）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，一管將電流增大，一管將電流減小2）動態(tài)分析若輸入共模信號，大小相等，相位相同，均為vic。大小相等，雙端輸出時，相位相同，一般輸入信號為vid與vic的疊加

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-VCQ2≡0，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。零漂的效果相當(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。3.主要技術(shù)指標(biāo)計算（1）差模電壓增益定義：放大電路的輸出電壓vo與差模輸入電壓vid的比值，稱為差模電壓放大倍數(shù)或差模電壓增益，用AVD表示，即

AVD=vo/vid差分放大電路的四種接法：

根據(jù)信號源和負(fù)載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋ro接入負(fù)載時

在電路完全對稱時，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。<A>雙入、雙出空載時io=0ic1=-ic1c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋雙入、雙出交流通路<B>雙入、單出接入負(fù)載時空載時c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋<C>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。∴ro幾乎不分流，e端等效為對地開路?！鄦味溯斎氲韧陔p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。（2）共模電壓增益定義：當(dāng)差分放大電路的兩個輸入端接入共模輸入電壓時，放大電路的輸出電壓vo與共模輸入電壓vic的比值，稱為共模電壓放大倍數(shù)或共模電壓增益，用AVC表示，即：

AVC=vo/vic

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)<A>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<B>單端輸出抑制零漂能力增強(qiáng)

共模信號即為伴隨輸入信號一起加入的干擾信號，因此共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。

其值越大，說明電路對有用信號的放大能力越強(qiáng)，而對有害的共模信號的抑制能力越強(qiáng)，因此表明電路的性能越好。（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出

差模電壓放大倍數(shù)反映了差動放大器放大有用信號的能力，當(dāng)然希望它大一些；共模電壓放大倍數(shù)反映了抑制共模信號的能力，希望它小一些。通常用共模抑制比作為一項技術(shù)指標(biāo)來衡量差分式放大電路的性能。定義：放大電路差模信號的電壓增益Avd與共模信號的電壓增益Avc之比的絕對值。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。由：得：說明：在設(shè)計放大電路時，必須至少使共模抑制比大于共模信號與差模信號之比。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。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)載電流源(2)工作原理1)靜態(tài)vi1=vi2=0T5、T6為比例恒流源4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路2)動態(tài)T1電流增加，T2電流減小故Io不變，ve=0結(jié)論：帶有源負(fù)載差分放大電路的輸出電流是基本單端輸出差放的兩倍6.2.3源極耦合差分式放大電路(1)電路組成雙入-雙出有源負(fù)載電流源(2)工作原理1)靜態(tài)2)動態(tài)1.CMOS差分式放大電路(1)電路組成雙入-雙出電流源(2)工作原理6.2.3源極耦合差分式放大電路2.JFET差分式放大電路T1、T2對管和電阻Rd1=Rd2=Rd組成差分放大電路T3組成電流源，為T1、T2提供偏置電流ID1=ID2=Io/2ro動態(tài)電阻很大，可以抑制共模信號。例如圖所示電路參數(shù)理想對稱，β1＝β2＝β，rbe1＝rbe2＝rbe。（1）寫出RW的滑動端在中點時Avd的表達(dá)式；（2）寫出RW的滑動端在最右端時Avd的表達(dá)式，比較兩個結(jié)果有什么不同。解：（1）RW的滑動端在中點時Ad的表達(dá)式為（2）RW的滑動端在最右端時

比較結(jié)果可知，兩種情況下的Avd完全相等；所以Avd的表達(dá)式為但第二種情況下的例6-1：電路如圖，β=100

(1)求靜態(tài)工作點；(2)求電路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)

ui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2k100ICQ1

=ICQ2

=0.5I0=0.42mAUCQ1

=UCQ2

=6–0.427.5=2.85(V)UEQ1

=UEQ2

=-0.7(V)ui1

=ui2

=0V(2)求Aud，Rid，RoRo=2RC=15(k)c2c1b2b1e2e1?RP?RPui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2k100+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：12:3:例6-2:電路中，已知三極管的β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例6-2:電路中，已知三極管的β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：4c2c1b2b1e2e1?RP?RP例6-3差動放大電路如圖所示，設(shè)晶體管的參數(shù)為β1=β2=50，rbe1=rbe2=1.5KΩ,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+β)]=10K，2．Ro=2Rc=10K例6-4:如圖電路中的三極管的β=50，VBE=0.7V.RL=RC=5

KΩ，Rb=20

KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.4KΩ。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+12V12V2.4K5K5k7.5k5.6k100Rb1解：1）例6-4:如圖電路中的三極管的β=50，VBE=0.7V.RL=RC=5

KΩ，Rb=20

KΩ，Re=5KΩ,，Rb1=5.6KΩ，RW=100Ω，rce=300kΩ，VCC=+12V，Rb2=2.4KΩ。1）求Q點;2）求雙出的Avd、Rid、R0和Avd1。

RLvoRbT1+VCCT2RCRbRCVEERb2ReIC3T3IREF+12V12V2.4K5K5k7.5k5.6k100Rb12）6.3差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性曲線：描述輸出信號隨輸入信號的變化規(guī)律的曲線根據(jù)iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2

又

vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得傳輸特性曲線

vO1，vO2＝f（vid）靜態(tài)：vid=vi1-vi2=0時，ic1=ic2=I0/2Vo1=Vo2=Vcc-(Io/2)Rc線性放大區(qū)：-VT<Vid<VT，Vid增加，ic1增加，ic2減小，Vo1減小，Vo2增加。Vo1、Vo2與Vid呈線性關(guān)系，放大電路工作在放大區(qū)。非線性區(qū)：VT<|Vid|<4VT,Vo1、Vo2與Vid間呈非線性。電路工作在非線性區(qū)。vid≥4VT，曲線趨于平坦，vid增加時，一管趨于飽和，另一管趨于截止Vo幾乎不變，呈現(xiàn)很好的限幅特性。

圖中虛線表示差分對管射極接有反饋電阻RW時，傳輸特性曲線的線性區(qū)擴(kuò)大vO1，vO2＝f（vid）的傳輸特性曲線6.4集成電路運(yùn)算放大器

6.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器

6.4.2BJTLM741集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器

多年來，集成運(yùn)算放大器一直向著高精度、高速度和多功能方向發(fā)展。

早期的運(yùn)放，全部由BJT構(gòu)成，隨后又出現(xiàn)了MOS集成運(yùn)放，以及雙極型工藝和MOS工藝相結(jié)合的集成運(yùn)放。

概述集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖采用有源負(fù)載的共