第六章 模擬集成電路

第六章模擬集成電路

6.1集成運(yùn)放中的電流源

6.2差分式放大電路

6.3簡單的集成電路運(yùn)算放大器

6.4集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.5專用型集成電路運(yùn)算放大器簡介

模擬集成電路特點(diǎn)：1、電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的對稱性2、有源器件代替無源器件3、采用復(fù)合結(jié)構(gòu)電路4、級間采用直接耦合方式5、采用BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管作為溫度補(bǔ)償或電位移動電路。集成運(yùn)放基本單元——電流源和差分放大電路6.1集成運(yùn)放中的電流源提供穩(wěn)定的偏置電流或作為有源負(fù)載電流源由射極偏置電路輸出電阻的求解過程可知，從電流源端口看進(jìn)去的交流等效電阻為：電流源的特點(diǎn)端口電流恒定，交流等效電阻大。等效符號1.鏡象電流源

(1).電路組成：鏡象電流源是由三級管電流源演變而來的，如圖1所示。

圖1

第六章集成電路運(yùn)算放大器6.1集成運(yùn)放中的電流源（2）電流估算

由于兩管的VBE相同，所以它們的發(fā)射極電流和集電極電流均相等。電流源的輸出電流，即T2的集電極電流為

當(dāng)b>>1時當(dāng)R和VCC確定后，基準(zhǔn)電流IREF也就確定了，IC2也隨之而定。由于Ic2≈IREF,我們把IREF看作是IC2的鏡象，所以這種電流源稱為鏡象電流源。第六章集成電路運(yùn)算放大器（3）提高鏡象精度

在圖1中，當(dāng)b不夠大時，IC2與IREF就存在一定的差別。為了減小鏡象差別，在電路中接入BJTT3，稱為帶緩沖級的鏡象電流源。如下圖所示。該電路利用T3的電流放大作用，減小了IB對IREF的分流作用，從而提高了IC2與IREF鏡象的精度。

原鏡象電流源電路中，對IREF的分流為2IB,帶緩沖級的鏡象電流源電路中，對IREF的分流為2IB/β3,比原來小。

第六章集成電路運(yùn)算放大器2.微電流源

鏡象電流源電路適用于較大工作電流（毫安數(shù)量級）的場合，若需要減小IC2的值（例如微安級），可采用微電流源電路。第六章集成電路運(yùn)算放大器(1)電路組成為了減小IC2的值，可在鏡象電流源電路中的T2發(fā)射極串入一電阻Re2，如圖所示，便構(gòu)成微電流源。（2）電流估算

由電路可得所以

可見,用阻值不大的Re2就可獲得微小的工作電流。（3）多路電流源在模擬集成電路中，經(jīng)常用到多路電流源。目的是用一個電流源對多個負(fù)載進(jìn)行偏置。典型的多路電流源如圖所示。第六章集成電路運(yùn)算放大器3．電流源用作有源負(fù)載

由于電流源具有交流電阻大的特點(diǎn)（理想電流源的內(nèi)阻為無窮大），所以在模擬集成電路中被廣泛用作放大電路的負(fù)載。這種由有源器件及其電路構(gòu)成的放大電路的負(fù)載稱為有源負(fù)載。共發(fā)射極有源負(fù)載放大電路如圖所示。（T2，T3組成的鏡像電流源作為T1的集電極有源負(fù)載）第六章集成電路運(yùn)算放大器

T1是共射極組態(tài)的放大管，信號由基極輸入、集電極輸出。T2、T3和電阻R組成鏡象電流源代替Rc，作為T1的集電極有源負(fù)載。電流IC2等于基準(zhǔn)電流IREF。

根據(jù)共射放大電路的電壓增益可知，該電路電壓增益表達(dá)式為：

其中ro是電流源的內(nèi)阻，即從集電極看進(jìn)去的交流等效電阻。而用電阻Rc作負(fù)載時，電壓增益為：

由于ro

>>Rc所以有源負(fù)載大大提高了放大電路的電壓增益。第六章集成電路運(yùn)算放大器

6.2.1差模信號和共模信號的概念

1.概念差分式放大電路是一個雙口網(wǎng)絡(luò)，每個端口有兩個端子，可以輸入兩個信號，輸出兩個信號。其端口結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

普通放大電路也可以看成是一個雙口網(wǎng)絡(luò)，但每個端口都有一個端子接地。因此，只能輸入一個信號，輸出一個信號。第六章集成電路運(yùn)算放大器6.2差分式放大電路當(dāng)差分放大電路的兩個輸入端子接入的輸入信號分別為vi1和vi2時，兩信號的差值稱為差模信號，而兩信號的算術(shù)平均值稱為共模信號。即差模信號

共模信號

根據(jù)以上兩式可以得到

可以看出，兩個輸入端的信號均可分解為差模信號和共模信號兩部分。第六章集成電路運(yùn)算放大器2.兩種信號的特點(diǎn)差模分量：大小相等，相位相反；共模分量：大小相等，相位相同；3.增益差模電壓增益總輸出電壓其中，表示由差模信

號產(chǎn)生的輸出。4.共模抑制比

共模抑制比是衡量放大電路抑制零點(diǎn)漂移能力的重要指標(biāo)。第六章集成電路運(yùn)算放大器1.電路組成及特點(diǎn)

由兩個共射級電路組成,如圖所示：特點(diǎn)：電路對稱，射級電阻共用，或射級直接接電流源（大的電阻和電流源的作用是一樣的）有兩個輸入端，有兩個輸出端第六章集成電路運(yùn)算放大器基本差分式放大電路差分式放大電路的結(jié)構(gòu)≈≈≈(1)靜態(tài)分析由于在靜態(tài)時，Vi=0即V短路靜態(tài)時Vc1=Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。即輸入為0時，輸出也為0。

第六章集成電路運(yùn)算放大器2.工作原理(2)動態(tài)分析

當(dāng)電路的兩個輸入端各加入一個大小相等極性相反的差模信號時，Vi1=-Vi2=Vid/2一管電流將增加，另一管電流減小，輸出電壓為:Vo=Vc1-Vc2≠0即差模信號輸入時，兩管之間有差模信號輸出。

（1）零點(diǎn)漂移

如果將直接耦合放大電路的輸入端短路，其輸出端應(yīng)有一固定的直流電壓，即靜態(tài)輸出電壓。但實(shí)際上輸出電壓將隨著時間的推移，偏離初始值而緩慢隨機(jī)波動，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。零漂實(shí)際上是靜態(tài)工作點(diǎn)的漂移。(對多級直接耦合電路影響較大)

（2）零漂產(chǎn)生的主要原因a)溫度的變化。溫度的變化最終都將導(dǎo)致BJT的集電極電流IC的變化，從而使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，使輸出產(chǎn)生漂移。因此，零漂有時也稱為溫漂。第六章集成電路運(yùn)算放大器2.抑制零點(diǎn)漂移的原理b)電源電壓波動。電源電壓的波動，也將引起靜態(tài)工作點(diǎn)的波動，而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。在差分電路中，無論是溫度變化還是電源波動，都會對兩管產(chǎn)生相同的作用，其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。因此，當(dāng)共模信號作用于電路時，必須分析電路的零漂情況。

（3）差分放大電路對零漂的抑制a)雙端輸出時----靠電路的對稱性和恒流源偏置抑制零漂。溫度變化兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓發(fā)生相同的變化在電路完全對稱的情況下，雙端輸出（兩集電極間）的電壓可以始終保持為零（或靜態(tài)值）抑制了零點(diǎn)漂移b)單端輸出時由于電路中Re的存在，將對電路產(chǎn)生如下影響：第六章集成電路運(yùn)算放大器以上過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。由于Re的存在，使Ic得到了穩(wěn)定，所以在雙端輸出的情況下，兩管的輸出會穩(wěn)定在0（靜態(tài)）值。抑制了零點(diǎn)漂移。Re越大，抑制零漂的作用越強(qiáng)。即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。而且由于Re上流過兩倍的集電極變化電流，其穩(wěn)定能力比射極偏置電路更強(qiáng)。第六章集成電路運(yùn)算放大器關(guān)鍵Re越大，抑制零漂能力越強(qiáng)。圖2中發(fā)射極采用電流源電路，其等效電阻更大，所以有更強(qiáng)的抑制零漂能力。由于溫度變化或電源電壓波動，會對兩管集電極電流產(chǎn)生相同的影響，其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。因此，當(dāng)提高電路的共模抑制比時，也就提高了抑制零漂的能力。

（1）雙端輸入雙端輸出

交流通路差模等效電路

3．差模輸入時主要技術(shù)指標(biāo)的計算雙端輸入雙端輸出（2）雙端輸入單端輸出（3）單端輸入雙端輸出

雙入雙出時的差模指標(biāo)：(1)電壓放大倍數(shù)Av和輸出電阻Ro只與輸出端的方式有關(guān)；

(2)單端輸出時為雙端輸出的一半；

(3)輸入電阻Ri與輸入端的方式無關(guān)；第六章集成電路運(yùn)算放大器差模特點(diǎn)：NEXT注意：

(a)差模輸入時，vi1=-vi2=vid/2,當(dāng)一管電流ic1增加時，另一管的電流ic2必然減小。由于電路對稱，ic1的增加量必然等于ic2的減少量。所以流過恒流源（或Re）的電流不變，ve=0.故如圖所示的交流通路中Re為0（短路）。

(b)差模輸入時，vi1=-vi2=vid/2,每一管上的電壓僅為總的輸入電壓vid的1/2。故雖然電路由兩管組成，但總的電壓放大倍數(shù)僅與單管的相同。即Av=-βRc/rbe(c)如果在輸出端接有負(fù)載電阻RL,由于負(fù)載兩端的電位變化量相等，變化方向相反，故負(fù)載的中點(diǎn)處于交流地電位。因此，如圖所示的交流通路中每一管的負(fù)載為RL/2。此時，總的電壓放大倍數(shù)與單管的相同。即Av=-βRL’/rbe.(d)由于雙端輸入，故輸入電阻為兩管輸入電阻的串聯(lián)，即Rid=2rbe(e)由于雙端輸出，故輸出電阻為兩管輸出電阻的串聯(lián)，即Ro=2Rc

動態(tài)指標(biāo)計算結(jié)果如下：第六章集成電路運(yùn)算放大器（2）雙端輸入單端輸出

電路和差模等效電路（a）由于單端輸出時負(fù)載上輸出的只是一個管子的變化量，而輸入情況與雙端輸出時完全一樣。故放大倍數(shù)是雙端輸出的一半。(b)單端輸出時，輸出電阻是一個管子的輸出電阻。故輸出電阻為雙端輸出的一半。第六章集成電路運(yùn)算放大器動態(tài)指標(biāo)計算結(jié)果：

(3)單端輸入應(yīng)用：有時要求放大電路的輸入端有一端接地，就要使用這種放大器單端輸入時的交流通路如圖所示。（1）圖中的ro很大（Re或者電流源的等效電阻），滿足ro>>re(發(fā)射結(jié)電阻)，故ro可視為開路。（2）Ro開路后，可認(rèn)為Vi均分在兩管的輸入回路上。即每管的輸入電壓為Vi/2.（3）于是，單端輸入時電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時近似一致。各指標(biāo)也近似相同。

第六章集成電路運(yùn)算放大器4．共模輸入時技術(shù)指標(biāo)及共模抑制比共模電壓增益：雙端輸出時的共模電壓增益是指電路的雙端輸出電壓與共模輸入電壓之比。在電路完全對稱的情況下，vo1=vo2,vo=vo1-vo2=0共模增益為輸入電阻,

共模情況下，兩輸入端是并聯(lián)的，因此第六章集成電路運(yùn)算放大器(2)單端輸出單端輸出時的共模等效電路如圖所示。它等效于一個射級電阻為2ro的共射放大電路。共模增益為：一般情況下，2ro>>rbe,β>>1,則有：≈（3）共模抑制比

共摸抑制比定義為差模增益與共模增益之比，即

或（dB）

電路的共摸抑制比KCMR顯示電路對零漂的抑制能力的大小。因此希望KCMR越大越好。雙端輸出時，電路完全對稱的理想情況下，由于共模增益Aoc=0，所以KCMR=。

單端輸出時，

若用電流源替換Re，則共模抑制比為第六章集成電路運(yùn)算放大器差分式放大電路幾種接法的性能指標(biāo)比較6.2.3FET差分式放大電路由BJT組成的差分電路對共模輸入有相當(dāng)大的抑制能力，但差模輸入阻抗很低。常采用FET差分放大電路。單入單出差分放大電路特點(diǎn)：JFET的差分電路Ri達(dá)1012Ω，輸入偏流100pA數(shù)量級；而MOSFET的差分電路Ri達(dá)到1015Ω，輸入偏流10pA以下。耗盡型NMOSFET差分放大電路靜態(tài)時，由于電路完全對稱，ID1＝ID2=IO/2，vo=vOD1-vOD2=0；當(dāng)vi1=-vi2=vid/2時，AVD＝vo/vid=-gm(rds1||rds3)6.2.4差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性就是放大電路輸出信號（電流或電壓）隨輸入信號變化的函數(shù)關(guān)系。（分析大信號工作時）它可以用BJT的be結(jié)電壓vBE與發(fā)射極電流IE的基本關(guān)系求出。由PN結(jié)的伏安特性可知又因?yàn)?/p>

由以上各式可解得第六章集成電路運(yùn)算放大器由上式做出iC1、iC2與vid的傳輸特性曲線如下圖中實(shí)線所示。從傳輸特性曲線可以看出：1．當(dāng)vid=vi1-vi2=0時，ic1+ic2=Io,ic1=ic2=Io/2,即ic1/Io=ic2/Io=0.5電路工作在曲線的Q點(diǎn)，處于靜態(tài)。2.當(dāng)vid

在0~±VT的范圍內(nèi)，vid增加時，ic1增加，ic2減小。且ic1、ic2與vid呈線性關(guān)系。電路工作在放大區(qū)。如圖中用豎虛線所示的區(qū)域。

3．當(dāng)vid≧4VT

即超過±100mV時，曲線趨于平坦。當(dāng)vid增大時，T1管趨于飽和，T2管趨于截止。Ic1-ic2幾乎不變。這時電路工作在特性曲線的非線性區(qū)。差動放大電路呈現(xiàn)良好的限幅特性。4．在兩管的發(fā)射極上分別串接電阻R1=R2=Re，可以擴(kuò)大傳輸特性的線性范圍。如圖中虛線所示。第六章集成電路運(yùn)算放大器1．集成電路運(yùn)算放大器的組成

集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由四部分組成。第六章集成電路運(yùn)算放大器6.3簡單的集成電路運(yùn)算放大器2．簡單的運(yùn)算放大器NEXT2．簡單的運(yùn)算放大器

簡單運(yùn)算放大器的原理電路如圖所示。

（1）T1,T2對管組成差分式放大電路，信號雙端輸入、單端輸出。（2）復(fù)合管T3,T4組成共射極電路，形成電壓放大級，以提高整個電路的電壓增益。（3）T5,T6組成兩級電壓跟隨器，構(gòu)成電路的輸出級，它不僅可以提高帶負(fù)載的能力，而且可進(jìn)一步使直流電位下降，以達(dá)到輸入信號電壓vid=vi1-vi2為零時，輸出電壓vO=0的目的。（4）R7和D組成低電壓穩(wěn)壓電路以供給的基準(zhǔn)電壓，它與T9一起構(gòu)成電流源電路以提高T5的電壓跟隨能力。

（5）電路符號：由此可見，運(yùn)算放大器有兩個輸入端（即反相輸入端1和同相輸入端2）,與一個輸出端3。在運(yùn)算放大器的代表符號中，反相輸入端用"-"號表示，同相輸入端用"+"表示。器件外端輸入、輸出相應(yīng)地用N,P和O表示。（6）輸入和輸出的相位：利用瞬時極性法分析可知，當(dāng)輸入信號電壓vi1從反相輸入端輸入時（vi2=0），如vi1的瞬時變化極性為(+)時，各級輸出端的瞬時電位極性為：vC2（+）→vO2（–）→vB6（–）→vO（–）則輸出信號電壓vo與vi1反相；同時，當(dāng)輸入信號電壓從同相端輸入vi2(vi1=0)時，可以檢驗(yàn)，輸出電壓vo與vi2同相。第六章集成電路運(yùn)算放大器例通用型集成電路運(yùn)算放大器741型偏置電路741工作原理1．輸入失調(diào)電壓VIO

一個理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實(shí)際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓。在室溫（25℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。實(shí)際上指輸入電壓VI=0時，輸出電壓VO折合到輸入端的電壓的負(fù)值，即VIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。VIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為（1~10）mV。第六章集成電路運(yùn)算放大器6.4集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)2．輸入偏置電流IIBBJT的集成運(yùn)放的兩個輸入端是差分對管的基極，因此兩個輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運(yùn)放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值。當(dāng)時，偏置電流為輸入偏置電流的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運(yùn)放差分輸入級BJT的性能，當(dāng)它的值太小時，將引起偏置電流增加。從使用角度來看，偏置電流愈小，由信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是重要的技術(shù)指標(biāo)。一般為10nA~1A。第六章集成電路運(yùn)算放大器3．輸入失調(diào)電流IIO

由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級有效差分對管的不對稱程度，一般約為1nA~0.1在BJT集成電路運(yùn)放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即第六章集成電路運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電流溫漂IIO/T這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)IIO的溫度系數(shù)，也是對放大器電路漂移的量度。同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個pA。

4．溫度漂移輸入失調(diào)電壓溫漂VIO/T這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)VIO的溫度系數(shù)，也是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)。VIO/T不能用外接調(diào)零裝置的辦法來補(bǔ)償。高質(zhì)量的放大器常選用低漂移的器件來組成，一般約為（10~20）V/℃。

放大器的溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移所引起的，故常用兩種方式表示：5．最大差模輸入電壓Vidmax

所指的是集成運(yùn)放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過這個電壓值，運(yùn)放輸入級某一側(cè)的BJT將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。利用平面工藝制成的NPN管約為5V左右，而橫向BJT可達(dá)30V以上。6．最大共模輸入電壓Vicmax

這是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過Vicmax值，它的共模抑制比