第六章模拟集成电路

第六章集成运算放大器 第六章模拟集成电路 http://wlkc.hist.edu.cn/mndz/INDEX.HTM 河南科技学院精品课程

第六章集成运算放大器 几种集成电路实物图

第六章集成运算放大器 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的器件制作在一块硅片上，构成特功能的电子电路，称为集成电路。模拟集成电路的特点：（1）电路结构与元件参数具有对称性；（2）用有源器件代替无源器件；（3）采用复合结构的电路；（4）级间采用直接耦合方式；（5）电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路。

第六章集成运算放大器 6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.1.1 BJT电流源电路一、镜象电流源 1.电路组成：镜象电流源是由三级管电流源演变而来的。电路中采用两个参数相同的三极管。 -VEE

I I I C C C R 1 R I o B R R 3 2 0 U －U EE CE 图6–2 BJT单管镜像电流源电路第六章集成运算放大器 BJT电流源电路 (a)晶体管的恒流特性 (c)等效电流源表示法 (b)恒流源电路

第六章集成运算放大器 • 图6–2(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。 • 由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个恒流源。 • 由交流等效电路知，它的动态内阻为rce，是一个很大的电阻。为了使IC更加稳定，可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)，便得到图6–2(b)所示的单管电流源电路。图6–2(c)为该电路等效的电流源表示法。Ro为等效电流源的动态内阻。

第六章集成运算放大器 • 需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。

2.电流估算 第六章集成运算放大器由于两管的VBE相同，所以它们的发射极电流和集电极电流均相等。电流源的输出电流，即T2的集电极电流为：当b>>1时， -VEE 当R和VCC确定后，基准电流IREF也就确定了，IC2也随之而定。由于IC2≈IREF, 我们把IREF看作是IC2的镜象。所以，这种电流源称为镜象电流源。

第六章集成运算放大器 二、微电流源镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。 1.电路组成为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中T2的发射极串入一电阻Re2，如图所示，便构成微电流源。 A B -VEE

第六章集成运算放大器 2.电流估算由电路可见：2个管子基-射极连接的回路，可得： VAB= 可见,ΔVBE很小，可用阻值不大的Re2就可获得微小的工作电流。

第六章集成运算放大器 三、多路电流源在模拟集成电路中，经常用到多路电流源。目的是用一个电流源对多个负载进行偏置。典型的多路电流源如图所示。

(6–5) 第六章集成运算放大器 • 图中为三路电流源，T0管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有T0管时，IC1=Ir - 4IB1,加了T0管后， IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β0)。故此可得： • 因β1(1+β0)>>4容易满足，所以各路电流ICi更接近Ir，并且受β的温度影响也小。 o o

第六章集成运算放大器 四、高输出阻抗电流源具有大电阻的镜像电流源作为T3的发射极电阻,其作用与射极偏置工作点稳定电路的Re相同(P134) 。电流源五、组合电流源电流阱

第六章集成运算放大器 6.1.2 FET电流源一、MOSFET镜像电流源电路如图6.1.5(a)，若VDD>VT，管子工作在饱和区，电路为镜像电流源。电路如图6.1.5(b):

第六章集成运算放大器 二、MOSFET多路电流源电路如图6.1.6，若VDD>VT，管子工作在饱和区，电路为多路电流源。

第六章集成运算放大器 二、MOSFET多路电流源电路如图6.1.7，若VDS>VP，管子工作在饱和区，利用它的输出特性（恒流），电路电流源，r0为动态输出电阻。

第六章集成运算放大器 6.1.3 电流源用作有源负载镜像电流源电流源具有交流电阻大的特点（理想电流源的内阻为无穷大），所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。这种由有源器件及其电路构成的放大电路的负载称为有源负载。放大

vi1 线性放大电路 vo vi2 【参见教材P231图6.2.1】第六章集成运算放大器 6.2 差分式放大电路一.概述 • 就其功能来说，它是两个输入信号之差。 • 多用于集成运放的输入级。 • 如右图所示，在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为： vo=AVD(vi1-vi2) AVD——差分式放大电路的差模电压增益返回

第六章集成运算放大器 关于“输入电压的两种形式”： • 差模输入电压vid【d：differential】即：两个输入信号的电压大小相等，但极性相反。 vid ——也称为差模信号 • 共模输入电压vic【c：common】即：两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同。 vic ——也称为共模信号分别表示为

式中第六章集成运算放大器求总的输出电压：利用叠加定理 ——差模电压增益 ——共模电压增益有时即使是两种情况下输入信号的差模信号相同，但其共模信号不一致，则输出电压也是不相同的。

vo vC1 vC2 b1 b2 vE + + vi1 vi2 - - e ro Io 等等。【参见教材P233图6.2.2】第六章集成运算放大器二.基本差分式放大电路 • 电路构成特点 T1与T2的特性完全相同，电路结构对称。电路参数也相同，即：

则：又 vo vC1 vC2 b1 b2 ∴ ∵ vE + + vi1 vi2 而 - - e ro Io 【参见教材P264图6.2.2】第六章集成运算放大器工作原理（1）静态分析 VBE取0.7V

vo vC1 vC2 b1 b2 vE + + 同时， vi1 vi2 - - e ro Io 【参见教材P264图6.2.2】第六章集成运算放大器工作原理（1）静态分析 Q点各参数已求得：即输入信号为0时，输出信号也为0。

第六章集成运算放大器 工作原理（2）动态分析关于“零点漂移” • 定义：输入电压（vi）为零而输出电压（vo）不为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，简称零漂。

第六章集成运算放大器 工作原理（2）动态分析关于“零点漂移” • 产生原因：以目前的工艺水平，由温度变化所引起的半导体器件参数变化成为产生零漂现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。

vo vC1 vC2 b1 b2 vE + + vi1 vi2 - - e ro Io 第六章集成运算放大器 • 差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果。

a)考虑加入纯差模信号 【交流通路】 vo vo vC1 vC2 vC1 vC2 b1 b2 b1 b2 vE e + + + + vi1 vi2 vi1 vi2 - - - - e ro Io 【参见教材P264图6.2.2】【参见教材P265图6.2.3(a)】第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析

a)考虑加入纯差模信号 【微变等效电路】 vo vC1 vC2 ib1 b1 b2 + + βib1 + e + + vC1 vi1 vi2 - - - - vid vo - - vC2 - + + βib2 ib2 第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析注意这里讨论的输入信号已不是纯正弦波，而是杂波信号，所以不再用向量形式的符号表示了。

a)考虑加入纯差模信号 ib1 + + βib1 + vC1 - - vid vo - - vC2 - + + βib2 ib2 第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析求AVD：当c1、c2间接入负载电阻RL时

a)考虑加入纯差模信号 ib1 + + βib1 + vC1 - - vid vo - - vC2 - + + βib2 ib2 第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析求Ri：电压增益与单管放大电路的完全相同，可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制零漂的能力。求Ro：

b)考虑加入纯共模信号 ∴ voc + + b1 b2 + + voc2 vi1 vi2 voc1 - - 2ro 2ro - - 【参见教材P265图6.2.3(a)】第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析 ∵两管的电流或是同时增加，或是同时减少在双端输出时，其输出电压为：

b)考虑加入纯共模信号 voc + + b1 b2 + + voc2 vi1 vi2 voc1 - - 2ro 2ro - - 【参见教材P265图6.2.3(a)】第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析求AVC：可见对共模信号几乎没有任何放大。 AVC越小，说明放大电路的性能越好。

双入双出电路 ∞ 双入双出电路的适用范围： ①用于输入、输出不需要一端接地时；②常用于多级直接耦合放大电路的输入级、中间级。第六章集成运算放大器工作原理（2）动态分析 c)共模抑制比KCMR 定义：希望KCMR越大越好有时也用分贝数表示：

电路适用范围 vC1 将双端输入转换为单端输出，常用于多级直接耦合放大电路的输入级和中间级。 + b1 b2 vo e - + + vi1 vi2 - - ro Io 第六章集成运算放大器三.差分放大电路的其它接法以从vc1取输出电压为例：（一）双端输入、单端输出电路由于单端输出，使得输出回路不再对称，故会影响到静态工作点和动态参数。 ,当分别从T1或T2输出时，有:

电路适用范围 将单端信号转换为双端输出，常用于多级直接耦合放大电路的输入级。 vC1 vC2 vc1 vc2 【交流通路】 vi2 b1 b2 vi1 e + vi2 b1 b2 vi - + e + - ≈vid /2 ≈vid /2 vi1=vid - + ro Io - ve≈vid /2 第六章集成运算放大器（二）单端输入、双端输出电路两个输入端有一个接地，输入信号加在另一端与地之间。分析后发现：AVD、Ri和Ro与双入双出时均相同。

和前面几种接法的分析相同，不作具体分析。 电路适用范围用在放大电路输入电路和输出电路均需有一端接地的电路中。比如：从vc1输出，有从vc2输出，有第六章集成运算放大器（三）单端输入、单端输出电路但有一点提醒注意：对于单端输出电路（无论是双入还是单入），选择从不同的三极管输出，会使输出电压与输入电压反相或同相。

第六章集成运算放大器 具体内容请同学们翻看教材P270表6.2.1【差分式放大电路几种接法的性能指标比较】

ro3 第六章集成运算放大器已知：=60、VBE=0.6V、rce= 100k。例题6.2.1(P268) 设调零电位器RP的动端在中间位置。求： (1) 双端输出的AVD、KCMR； (2) 单端vo2输出的AVD2、KCMR2 ； (3) Rid、Ric ；（RL均为10k）解：先求Q点：比例电流源

交流通路 差模交流通路共模交流通路例题1 第六章集成运算放大器 (1) 双端输出的AVD、KCMR；解：

差模交流通路 共模交流通路例题1 第六章集成运算放大器 (2) 单端vo2输出的AVD2、KCMR2 ；解：

VDD Rd1 Rd2 +12V 课后作业 10kΩ 10kΩ vo2 R1 iD1 iD2 T2 IREF 1mA 课后自己对该电路分别进行静态分析 vid T1 20kΩ Rg2 Rg1 I0 1MΩ 1MΩ T3 T4 IE3 1.2mA R3 R2 IE4 2.7kΩ 3.3kΩ -VSS -12V 【参见教材P275图6.2.10】第六章集成运算放大器 6.2.3 FET差分式放大电路(P275) 图为带恒流源的JFET差分式放大电路。恒流源电路 T1和T2是差分对管

第六章集成运算放大器 • 电路组成 • T1T2组成差分对管，T3T4、R1、R2、R3组成恒流源。单入单出 2. 差模增益与共源电路相同 3. 差模输入电阻 4. 差模输入电阻

第六章集成运算放大器 如果是双入双出的差模信号：双入双出如果是双入单出的差模信号：

归纳出如下结论： 本级时，输出极性相反；相对级时，输出极性相同；第六章集成运算放大器 • 要注意单端输出时的极性关系： ※

第六章集成运算放大器 6.3 差分式放大电路的传输特性传输特性就是放大电路输出信号（电流或电压）随输入信号变化的函数关系。它可以用BJT的be结值电压vBE与发射极电流IE的基本关系求出。 UT是温度的电压当量，300K时为0.026V。图6.2.2 简化的差动放大器

(6–39a) (6–39b) 由图可知：第六章集成运算放大器 • 在图6.2.2电路中，设恒流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流，即I<UCC/RC，从而使差放管的工作点偏向截止区。在此条件下，图中的两个对称差放管V1、V2的射极电流分别为：

由于，因而将其代入式（6-4a)可解得： (6-41a) 第六章集成运算放大器 (6-40a) (6-40b)

(6-41b) 可见，iC1和iC2与成双曲线正切函数关系。因为： uo=-ic1Rc+ ic2Rc=(ic1-ic2) Rc (6-42) 故有： (6-43) 第六章集成运算放大器用同样推导方法可得：

第六章集成运算放大器 • 由式(6-41)和(6-43)，可绘出差动放大器输出电流iC1、 iC2和输出电压uo与差模输入电压uid之间的传输特性曲线，分别如图6.2.8(a)、(b)所示。分析该曲线，可以得出如下结论。 (a)差动放大器的传输特性曲线—— 电流传输特性曲线。

第六章集成运算放大器 (b) 差动放大器的传输特性曲线——电压传输特性曲线。

第六章 模拟集成电路