第9章集成电路运算放大器 97页PPT文档

9.3 1 共射差分放大电路的组成和工作原理
分类：共射、共集和共基差分放大电路。
1．电路组成 图中IO是电流源. 要求电路参数对称，即
Rb1=Rb2=Rb,
Rc1=Rc2=Rc,
T1和T2特性一致（称为差分对管）.
电路从T1和T2的基极输入两个电压
图9.3.1 共射差分放大电路
信号：vi1，vi2；从T1和T2的集电极输出电压信号：vO=vC1-vC2
设T1和T2特性一致（β1=β2=β，
Io
ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2）。
由电路得VBE1=VBE2 ，所以IB1=IB2， IC1=IC2 ，即T1和T2的集电极电流 相等，互为镜像。
再由电路得
IC 1 IRE 2 F IB IRE 2 F IC 1 /
(a) 电路
第九章 集成运算放大器
9.1 集成放大电路概述 9.2 电流源电路 9.3 差分放大电路 9.4 功率放大电路 9.5 集成运算放大器
本章的主要内容
1.集成电路的优势、特点，集成放大电路的组成框图；
2.镜像电流源、微电流源、威尔逊电流源和多路电流源的电路 组成以及输出电流和输出电阻的计算； 3.差分放大电路的组成、差模信号的放大、共模信号和温度漂移 的抑制、输入输出方式、小信号分析方法和主要参数的计算， 差分放大电路的大信号传输特性； 4.OCL电路、OTL电路和ＢTL功率放大电路的组成、工作原理， 电路的分析方法和主要性能参数的计算，功放管的选择和散热；
R rce1
rbe1 rbe2
rce2 _
e
ro
(c) 交流等效电阻计算电路
2. 微电流源
（1）电路的构成
在镜像电流的射极增加一个电 阻就组成微电流源。
（2）工作原理
利用T1和T2的基射电压差在射极电
Re
阻上产生微电流输出，即
IOIC2
VBE1VBE2 Re
晶体管的发射结电流方程和电压方程分别为
电阻小）。
图9.1.1 集成放大电路组成框图
典型电路是射极输出器或互补对称电路。
此外，集成电路还包含一些辅助电路。 例如，电平移动电路，调节各级电压的配合，达到输入量为零 时输出量也近似为零，使信号源和负载中没有由直流电源引起 的直流分量；
短路保护电路，防止输出端对地短接时损坏内部元件；等等。
9.1 电流源电路
3．用有源元件代替大电阻。由于双极型晶体管（BJT）和场 效应管（FET）占用芯片面积小、性能好，常用这些有源元件 构成电流源电路，取代大电阻。
9.1.2 集成放大电路的组成框图
集成放大电路通常是直接耦合的放大多级电路，如图9.1.1所示。
直耦电路的优点：
1.可以放大输入信号的直流 分量和低频信号；
9.2.2 FET电流源 将FET偏置在恒流状态，并确保栅源电压不受信号的影响，则 FET的漏极电流基本恒定，形成电流源.
1．MOS管镜像电流源
在总电源电压大于2个场效应管的
ID3
开启电压（VDD+VSS>2VT）的情况下， T1、T2和T3工作在恒流区。
ID1
由电路，得
ID1 ID3 VGS1VGS3 VDDVSS
9.1.2 集成放大电路的组成框图
1.输入级则采用静态工作点很稳定的差分放大电路。此外，还要 求输入级的输入电阻大。
2.中间级主要作电压放大，通常是 共射放大电路或共源放大电路。
为了提高电压增益，常采用复合 管放大，以及电流源作集电极（或 漏极）负载（称为有源负载）。
3.输出级要求带负载能力强（输出
ib2 ve ib2
由于 rce2 Re ，所以
ib1 ib1 rbe2
rce2
ro(1rb2erR o1eRe)rce2
R
ro1是除T2外基极回路的等效电阻。
rce1
rbe1
Re
ro1
交流等效电阻计算电路
it + vt
_ ro
上式中，第2项远远大于1，故微电流源的交流等效电阻很大。
5.集成功率放大器的组成、工作原理和主要应用，典型的集成 功率放大器LM386；
6.集成运算放大器的组成、工作原理、主要性能参数，集成运算 放大器的主要类型和选择方法；典型的集成运算放大器LM741 和MC14573。
9.1 集成放大电路概述
9.1.1 单片集成电路中的元件及特点 9.1.2 集成放大电路的组成框图
。这种连接方式称为双端输入双端输出。
2．工作原理 （1）静态工作点的稳定性 基本原理：利用2个有源元件特性的一致性，通过减法（
vO=vC1-vC2）抵消由温度（或共模信号）引起的电压或电流的变化
量；同时，引入直流负反馈（电流源支路）；使静态工作点或输出量 基本不随温度（或共模信号）的变化。
静态工作点的计算
电流源：提供基本恒定电流的电路称为电流源电路。 可以用BJT或EFT组成恒流源电路。
9.2.1 BJT电流源
1.微电流源 2.镜像电流源 3.多路电流源
9.2.2 EFT电流源
1.MOS管镜像电流源 2.MOS管多路电流源
作用：为放大电路提供稳定的偏流、有源负载。
1.镜像电流源
（1）电路的构成
（2）工作原理
9.1.1 单片集成电路中的元件及特点
主要有以下特点：（与分立元件比较） 1．具有良好的对称性。由于采用相同的标准工艺，所以容易 在同一块硅片上制作性能一致的同类有源元件和同类无源元件。 并且工作温度基本相同，元件的温度特性也一致。
2．电阻和电容的数值有一定限制。 电阻是用半导体材料的体电阻， 电容则是PN结的结电容或MOS管的栅极电容。 电阻和电容的数值越大，占用的芯片面积也越大。 为了提高单位面积的元件数，电阻的阻值限制在数十欧姆到 几个千欧之间，电容的容量一般小于100pF。
即vi1=vi2=0时，由电路得
基本恒定的电流，其他元件则是电流源的偏置电路。
VCC
IREF IC1VCCRV BR E 0e 1VBE 1
IREF R
T0
IC2
IC3 IC4
Re4IC4Re3IC3Re2IC2Re1IC1Re1IREFIC1
ICi
=Re1 Rei
IREF
=Re1 VCC VBE0 VBE1
Rei
v t= ( i t + i b 2 ) R e + ( i t - β i b 2 ) r c 2 = e ( R e + r c 2 ) i t e + ( R e - β r c 2 ) i b e 2
r o= v itt = (R e+ r c2 e )+ r b2 e + R r o e 1+ R e(β r c2 e -R e)
由MOS管的转移特性方程，得
r r IDO (V V G T1S1)2IDO (V V G T3S1)2
所再以由，电V 路G3得SV V G G 1S 2SV G VG SS 1 2(1 2 V D (VD D V D SV )SSS)
图9.2.5 MOS管镜像电流源 IO ID 2 ID 2 (O V V G T 2 2 S1 )2 ID(V O D 2 V T D V 2S S1 )2
Io
即温度升高引起电流源电流的增 加量被电路的自动补偿引起的减少量 抵消，输出电流基本不随温度变化。
计算输出电阻ro
等效电路如图(c)所示。图中 左半部分电路无独立信号源，故
ib1 ib2 0
ro

vt it
rce2
(a) 电路
(b) 电路符号
ic2
it
ib1 ib1 ib2 ib2
+ vt
R+Re1
i =1,2,3,4
T1 Re1
T2
T3
T4
Re2
Re3
Re4
上式说明电流源按射极电阻比例输出 基本恒定的电流，所以也称为多路比列
图9.2.4 多路电流源
电流源。
如果全部射极电阻为零，则是多路镜像电流源。也可以 将微电流源和镜像电流源组合成多路电流源。
每路电流源的输出电阻为
ro i (1rbe irR o 1 e iR e)ircei
2.电路不包含大电容和大电感， 适合集成电路工艺制造。
直耦电路的缺点：
1. 静态工作点受信号源内阻和负 载的影响，并且随温度变化移动， 称为温度漂移。
图9.1.1 集成放大电路组成框图
2.对于多级直耦放大电路，最末级的温度漂移最严重。因为前级 的温度漂移直接耦合到下一级并将其放大，使后级漂移很大。

因此，必须使每级放大电路的静态工作点稳定，特别是输入级。
i =0,1,2,3,4
图9.2.6 MOS管多路电流源
与BJT管一样，也可以用NMOS管组成威尔逊电流源。其电路 形式与BJT管威尔逊电流源相似。
同样，可以用PMOS管组成电流源，电路形式和原理与 NMOS管相似。
6.2 差分式放大电路
特点:静态工作点稳定，放大差模信号和抑制共模信号。 通常用作直接耦合多级放大电路的输入级。
(b) 电路符号
IOIC 2IC 11 IR 2/E FIRE V F CR C V EE
IREF称为基准电流。当电源电压和电阻确定后，基准电流确定， T2向上拉负载提供基本恒定的电流，与负载无关，等效为一个 电流源。
温度补偿作用：
T
I I、 C1 C2
I R1
VB
IB
I I、 C1 C2
iE IS(e v B/E V T 1 ) IS e v B/E V T
vBE

VT
ln
iE IS
式中，IS是发射结反向饱和电流，基射电压vBE>>VT=26mV。