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(gè)電路中的元器件及其連接導(dǎo)線(xiàn)，制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱(chēng)為集成電路。集成電路按其功能來(lái)分，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類(lèi)。數(shù)字集成電路用來(lái)產(chǎn)生和處理各種數(shù)字信號(hào)，模擬集成電路用來(lái)產(chǎn)生和處理各種模擬信號(hào)。

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?；峡梢宰龀砂瑪?shù)十個(gè)或更多個(gè)BJT、FET、電阻和連接導(dǎo)線(xiàn)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(lèi)很多，有集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jí)放大器。由于最初用于數(shù)字運(yùn)算，所以稱(chēng)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(hào)的產(chǎn)生、變換、處理、測(cè)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(diǎn)：1、電路元件制作在一個(gè)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(gè)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(jí)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(diǎn)和主要用途

2重點(diǎn)掌握差分放大電路的工作原理和各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)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(diǎn)：T1、T2參數(shù)相同且T1對(duì)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(shí)，IC電流隨之確定。電路簡(jiǎn)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(shí)，要求R數(shù)值較大，集成電路難以實(shí)現(xiàn)。T1對(duì)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(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用非線(xiàn)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(shí)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(chēng)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(gè)基準(zhǔn)電流，獲得多個(gè)電流源工程上：上部一組電路稱(chēng)為電流源；下部一組電路稱(chēng)為電流阱。R+VGS--

借助寬長(zhǎng)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(jiǎn)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(hào)2)直接耦合放大電路的零點(diǎn)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(shí)，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。輸入vi=0V時(shí)：形成原因：溫度變化；直流電源波動(dòng)；器件老化等。由于晶體管的特性對(duì)溫度敏感是主要原因，所以也將其稱(chēng)為溫漂。影響：零漂會(huì)引起放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。當(dāng)?shù)谝患?jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小而緩慢的變化時(shí)，這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)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(shí)，就無(wú)法從正常的放大信號(hào)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(shí)，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(jí)漂了100uV，則輸出漂移1V。

若第二級(jí)也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設(shè)

第一級(jí)是關(guān)鍵3)減小零漂的措施

用非線(xiàn)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(duì)稱(chēng)的兩個(gè)基本放大電路構(gòu)成的，兩個(gè)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(gè)輸入端和兩個(gè)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(shí)將時(shí)時(shí)相等，因此以?xún)杉姌O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(hào)共模信號(hào)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(hào)表示兩個(gè)輸入信號(hào)

認(rèn)清差模輸入電流信號(hào)和共模輸入電流信號(hào)的走向差模輸出信號(hào)共模輸出信號(hào)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(dòng)態(tài)分析若輸入差模信號(hào)，大小相等，相位相反。大小相等，信號(hào)被放大。相位相反，一管將電流增大，一管將電流減小2）動(dòng)態(tài)分析若輸入共模信號(hào)，大小相等，相位相同，均為vic。大小相等，雙端輸出時(shí)，相位相同，一般輸入信號(hào)為vid與vic的疊加

溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流變化,且變化趨勢(shì)相同，從而使VOQ=VCQ1-VCQ2≡0，因而消除了零點(diǎn)漂移。差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。零漂的效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。

實(shí)際上，兩管不可能完全對(duì)稱(chēng)，因此零點(diǎn)漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。在雙端輸出時(shí)，即，雙端輸出差放只放大差模信號(hào)，而抑制了共模信號(hào)。3.主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)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(chēng)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(hào)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(shí)

在電路完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，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(shí)io=0ic1=-ic1c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋雙入、雙出交流通路<B>雙入、單出接入負(fù)載時(shí)空載時(shí)c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋c2c1eb2b1＋vo1－－vo2＋<C>單端輸入(發(fā)射結(jié)電阻)單端輸入信號(hào)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?！鄏o幾乎不分流，e端等效為對(duì)地開(kāi)路?！鄦味溯斎氲韧陔p端輸入。具體為：?jiǎn)稳腚p出＝雙入雙出，單入單出＝雙入單出。差模電壓放大倍數(shù)的計(jì)算與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān)，只與輸出方式有關(guān)。

指標(biāo)計(jì)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(gè)輸入端接入共模輸入電壓時(shí)，放大電路的輸出電壓vo與共模輸入電壓vic的比值，稱(chēng)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(wú)關(guān)，只與輸出方式有關(guān)<A>雙端輸出

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

其值越大，說(shuō)明電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力越強(qiáng)，而對(duì)有害的共模信號(hào)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(dòng)放大器放大有用信號(hào)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(hào)的能力，希望它小一些。通常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量差分式放大電路的性能。定義：放大電路差模信號(hào)的電壓增益Avd與共模信號(hào)的電壓增益Avc之比的絕對(duì)值。單端輸出時(shí)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(hào)。由：得：說(shuō)明：在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，必須至少使共模抑制比大于共模信號(hào)與差模信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(duì)管和電阻Rd1=Rd2=Rd組成差分放大電路T3組成電流源，為T(mén)1、T2提供偏置電流ID1=ID2=Io/2ro動(dòng)態(tài)電阻很大，可以抑制共模信號(hào)。例如圖所示電路參數(shù)理想對(duì)稱(chēng)，β1＝β2＝β，rbe1＝rbe2＝rbe。（1）寫(xiě)出RW的滑動(dòng)端在中點(diǎn)時(shí)Avd的表達(dá)式；（2）寫(xiě)出RW的滑動(dòng)端在最右端時(shí)Avd的表達(dá)式，比較兩個(gè)結(jié)果有什么不同。解：（1）RW的滑動(dòng)端在中點(diǎn)時(shí)Ad的表達(dá)式為（2）RW的滑動(dòng)端在最右端時(shí)

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(diǎn)；(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(diǎn)（IC，IB，VC）；RC=10K，RL=20K，Re=11.3K2：求雙出的Avd、KCMR

。3：計(jì)算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號(hào)從T1的集電極輸出，計(jì)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(diǎn)（IC，IB，VC）；RC=10K，RL=20K，Re=11.3K2：求雙出的Avd、KCMR

。3：計(jì)算差摸輸入電阻Rid和輸出電阻Rod。4：若輸出信號(hào)從T1的集電極輸出，計(jì)算KCMR+VCC=12VVEE=-12VReRLVoT2T1RCRCVi1Vi2解：4c2c1b2b1e2e1?RP?RP例6-3差動(dòng)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(dòng)端位于中點(diǎn)，試估算：1．靜態(tài)工作點(diǎn)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(dòng)放大電路。1．UCQ1=UCQ2=Vcc-ICQ1RC1=7V(這時(shí)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(diǎn);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(diǎn);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(xiàn)：描述輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)的變化規(guī)律的曲線(xiàn)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(xiàn)

vO1，vO2＝f（vid）靜態(tài)：vid=vi1-vi2=0時(shí)，ic1=ic2=I0/2Vo1=Vo2=Vcc-(Io/2)Rc線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系，放大電路工作在放大區(qū)。非線(xiàn)性區(qū)：VT<|Vid|<4VT,Vo1、Vo2與Vid間呈非線(xiàn)性。電路工作在非線(xiàn)性區(qū)。vid≥4VT，曲線(xiàn)趨于平坦，vid增加時(shí)，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(xiàn)表示差分對(duì)管射極接有反饋電阻RW時(shí)，傳輸特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)擴(kuò)大vO1，vO2＝f（vid）的傳輸特性曲線(xiàn)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(lái)，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