6 模拟集成电路3

6.2.1 差分式放大电路的一般结构
1. 引入原因：直接耦合电路的特殊问题
问题 1
前后级Q点相互影响
ui
R1 RC1
R2 T1
解决办法
增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。
+UCC RC2
T2 uo RE2
11
问题 2 零点漂移
uo
指输入信号电压为零时，输出电压发
生缓慢地、无规则地变化的现象。
对零点漂移的抑制水平。
RB2
RB1
是差有模用信信+号u+号i1 ––
RC +
T1
uo – RC T2
+UCC
RB2
RB1 +– ui2 –+
(2) 差模信号 ui1 = – ui2 大小相等、极性相反 两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，
uo= (VC1－VC1 )－(VC2 + VC１ ) =－2 VC1 即对差模信号有放大能力。
输出方式
双出
单出
uo =Auc（双）uc + Aud(双）ud

Aud1ud


RL
rbe
ud
uo1=Auc（单）uc + Aud(单）ud

1 2
Aud1ud


RL
2rbe
ud
双出
单出
uo =Auc（双）uc + Aud(双）ud
(4-29)
2、动态分析：
RC uo1 uo uo2 RC
RL
ui1
T1
T2
RB1
+ ui1 –
IO –VEE
RC
T1
+ uo1
RL/2 –
+
1）双端输出
VCC 加差模信号：ui1 = - ui2
ui2
Aud(双）
uo u id

uo1 uo2 ui1 ui2

2uo1 2 u i1

22
例: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV
定义一:
uid 2 m V uic 1 8 m V
ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV － 2 mV
定义二:
uid 4 m V uic 1 8 m V
ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 晶体管参数随温度变化、
电源电压波动、电路元件参数的变化。 危害：
直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。
严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效
信号电压还是漂移电压。
解决办法 输入级采用差动放大电路
12
例如
漂移
10 mV+100 uV
假设 AV1=100,
AV2=100AV ,3=1。
由于 U BE 很小，
所以IC2也很小。
ro≈rce2（1＋
Re2 ）
rbe2 Re2
（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 R）o
4. 组合电流源
T1、R1 和T4支路产生基准电流 IREF
T1和T2、T4和T5构成镜像电流源
T1和T3，T4和T6构成了微电流源
IR EFVC CVEE R U 1BE1UEB4
(3) 任意输入 ui1 、ui2 大小和极性是任意的。
uid
=
1 2
(ui1

ui2
)
差模信号
RC
uO1
uO2
RC
+VCC
uic
=
1 2
(ui1

ui2
)
共模信号
ui1 +
uO
T1
T2
ui2 +
ui1=uic uid
-
-
ui2=uic uid
IO –VEE
例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV 例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV
uo1 ui1 ui2
Auc(单）
uo uic
uo1 uic
uo=A uduidA ucui2c7
RC uO1
+VCC uO2 RC
对Ad而言，双端输入与单 端输入效果是一样的。
uO
ui1
T1
T2
ui2
双端输入： ui1 =0+ 0.5ud
IO –VEE
ui2= 0-0.5ud 单端输入： ui1 =0.5ud +0.5ud ，
+
静态时，ui1 = ui2 = 0
+UCC
+ ui2 –
静态估算
IBRBU E2E1UBERE
IC IB
UEE IBR BUBE 2IER 1E
结论：
IBR BUBE 21 IBR E 典型差动放大电
U C E U C C U E EIC R C 2 IER 1 E
对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有 抑制作用。
典型差分放大电路
RS +
RC + uo – RC T1 RP T2
RS
+UCC +
ui1
RE
ui2
–
+–UEE
–
RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。 UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。
恒流源式差动放大电路
两组电源供电：+VCC 、 –VEE
漂移 1 V+ 10 mV
若第一级漂了100 uV，
则输出漂移 1 V。
若第二级也漂 了100 uV，
漂了 100 uV
则输出漂移 10 mV。 第一级是关键
漂移 1 V+ 10 mV
3. 减小零漂的措施
用非线性元件进行温度补偿
采用差分式放大电路
13
由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有 良好的低频特性。适合于集成化的要求，在集成 运放的内部，级间都是直接耦合。
且工作在放大区，当=0时，输出
电流为
ID2(W/L)2Kn 2(VGS2VT2)2 Kn2(VGS2VT2)2
相当于RD电阻 常用的镜像电流源
6.1.2 FET电流源
2. MOSFET多路电流源
IREFID0 Kn0(VGS0 VT0)2
ID2
W2 W1
/ /
L2 L1
IREF
ui2 = 0.5ud -0.5ud
uo=A uduidA ucuic
分析结果表明：动态指标仅与输出方式有关
28
共模抑制比(CMRR)的定义
CMRR — Common Mode Rejection Ratio
K = Ad
CMRR
Ac
K (dB) = CMRR
20 log
Ad
Ac
(分贝)
例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB
ui1 = 8 mV + 2 mV ui2 = 8 mV － 2 mV
ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV － 2 mV
放大器只放大两个输入信号的 这种输入常作为比较放大来应用， 差值信 号—差分放大电路。 在自动控制系统中是常见的。
(3) 任意输入
定义一:
uid
=
1 2
(ui1
6 模拟集成电路
6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.2 差分式放大电路 6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器 6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应
用电路的影响
6.6 模拟乘法器变跨导式
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
1. 镜像电流源
uO2 RC +VCC
输
入+ 双
T1 uO T2
输
入 单
+
+ ui1
T1 uO T2
端 输
uid
出-
IO –VEE
端
-
输 uid -
IO
出
ui2
-+
–VEE
24
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
1、静态分析： ui1= ui2= 0时
静态(vi1=0,vi2=0)
1
ui1
IC1=IC2IC2IO
T1 、T2：对管（同型号、同 参数），结构对称。
3.三类输入信号
RB2
RB1
+
共模信号
+
需要抑制– u–i1
RC + uo – RC
T1
T2
+UCC
RB2
RB1 ++ ui2 ––
(1) 共模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相同 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出
电压为零，即对共模信号没有放大能力。 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它
ID3
W3 W1
/ /
L3 L1
IREF
ID4
W4 W1
/ /
L4 L1
IREF
6.1.2 FET电流源
3. JFET电流源
(a) 电路
(b) 输出特性
end
6.2 差分式放大电路
6.2.1 差分式放大电路的一般结构 6.2.2 射极耦合差分式放大电路 6.2.3 源极耦合差分式放大电路
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源
IOID 2IRE F V D DV R SS V G S
当器件具有不同的宽长比时
IO

W2 W1
/ /
L2 L1

IRE
F
（=0）
ro= rds2
MOSFET基本镜像电路流
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源
用T3代替R，T1~T3特性相同，
|Au | | Auo | 0.707| Auo |
O
通频带
f
幅频特性
fH
抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路
的一个重要的问题。
14
2. 用三端器件组成的差分式放大电路
1.电路结构特点
RB2 RB1
+ ui1
RC + uo – RC
T1
T2
+UCC
RB2 RB1
+
两个输入、 两个输出
ui2
–
–
3. 高输出阻抗电流源
2. 微电流源
4. 组合电流源
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源 2. MOSFET多路电流源 3. JFET电流源
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源
T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2
UBE2=UBE1 IE2 = IE1 IC2 =IC1

uo1 2ui1

1 2
Au1


RL
2rbe
RL Rc//RL
A uc(单 )
u o1 u ic


rb e

R L
2 1

ro
R L
2 ro
31
五. 几种方式指标比较
输出方式
双出
AVD


( Rc
//
1 2
RL )
rbe
AVC
0
K CM R

单出
(Rc // RL )

ui2
)
差模信号
uic
=
1 2
(ui1

ui2
)
共模信号
ui1=uic uid
ui1 +
RC
uO1
T1
uO2
RC
uO
T2
IO
ui2=uic uid
–VEE
+VCC
ui2 + -
定义二:
uid=ui1 ui2
uic
=
1 2
(ui1

ui2
)
ui1 =uic

uid 2
ui2 =uic

uid 2
路的静态工作点 由负电源提供。
U C C U E EICR C 2 R E
2、动态分析：
RC uo1 uo uo2 RC
+ VCC
Aud(双）uuiod
uo1uo2 ui1ui2
ui1
RL
T1
T2
ui2
Auc(双）uuioc
uo1uo2 uic
IO –VEE
Aud(单）uuiod
2rbe Rc // RL
2ro
ro rbe
双出

(Rc
//
1 2
RL )
rbe
0

单出
(Rc // RL )
2rbe Rc // RL
2ro
ro rbe
32
五. 几种方式指标比较
ui1 =0+ 0.5ud , ui2= 0-0.5ud
ui1 =0.5ud +0.5ud ui2 = 0.5ud -0.5ud
当β较大时，IB可忽略
Io＝IC2≈IREF＝
V C CU B E( V E E )V C CV E E
R
R
动态电阻
ro
( iC2 )1 vC E2
IB2
rce
一般ro在几百千欧以上
2. 微电流源
IOIC2IE2 UBE1 UBE2 Re2
U BE R e2
VC E1=VC E2
VCCICRc2V E
RC uO1
uO2 RC
uO
T1
T2
+VCC ui2
IO –VEE
V C C IC R c 2( 0 .7 V )
IB 1
IB 2

IC β
25
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
RB
ui1 –
IE1
RE –UEE
IE2
基本差分放大电路原理图
T1 、T2：对管（同型号、 同参数），结构对称。
两管静态工 作点相同
2.抑制零点漂移的原理
RB2 RB1
+ ui1
–
RC
+ uo –
RC
T1
T2
+UCC
RB2
RB1
+ ui2
–
静态时，ui1 = ui2 = 0 uo= VC1 － VC2 = 0
当温度升高时ICVC （两管变化量相等） uo= (VC1 + VC1 ) － (VC2 + VC2 ) = 0
Aud1


R L
rb e
R L R c//R L2
ro 2Rc
共 模 Au(c： 双 ） 030
RC uo1 u+o uo2
ui1
T1
RL
uo1 –
T2