第六章集成电路运算放大器

温度漂移， （2）为克服直接耦合电路的温度漂移，常采用差分式放大电路 ）为克服直接耦合电路的温度漂移
（3）尽量采用 ）尽量采用BJT（或FET）代替电阻﹑电容和二极管等元件 （ ）代替电阻﹑
在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是 在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是NPN管）比制 管 造其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用BJT（或 造其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用 （ FET）构成恒流源作偏置电阻；将BJT的基极和集电极短接构成二 ）构成恒流源作偏置电阻； 的基极和集电极短接构成二 极管﹑稳压管等；用复合管﹑共射—共基 共集—共基等组合电 共基﹑ 极管﹑稳压管等；用复合管﹑共射 共基﹑共集 共基等组合电 阻来改善单管电路的性能。 阻来改善单管电路的性能。
AVD 1= vo1 /vid =- vo2/vid = -βRc /2rbe AVC1≈ -Rc /2ro KCMR≈ β ro /2rbe Rid = 2rbe Ric = [rbe +（1+ β ）2 ro ] / 2
Ro= 2Rc 与共射电路相同
2.
Ro= Rc
用
途
用于输入、 用于输入、输出不需要一端接地时 将双端输入转化为单端输入， 将双端输入转化为单端输入，常用于多级直接耦 常用于多级直接耦合放大电路的输入级、 合放大电路的输入级、 常用于多级直接耦合放大电路的输入级、 合放大电路的输入级、中间级 输出级
KCMR = |AVD / AVC |
越大越好！ 越大越好！
或用分贝表示 KCMR = 20lg|AVD / AVC |dB
双端输出 理想情况下 AVC=0 ∴ KCMR →∞ 单端输出 KCMR = |AVD1 / AVC 1|≈ β ro /2rbe
由于差分式放大电路有两种输入方式和两种输出方式， 4. 由于差分式放大电路有两种输入方式和两种输出方式， 组合后便有四种典型电路 四种典型电路。 均不同。 组合后便有四种典型电路。则其电压增益及KCMR均不同。
输入方式 原理电路图 输出方式 差模电压增益A 差模电压增益 VD 共模电压增益A 共模电压增益 VC 共模抑制比KCMR 共模抑制比 差模输入电阻R 差模输入电阻 id 共模输入电阻R 共模输入电阻 ic 输出电阻R 输出电阻 o 高频响应 用 途
单
端
输 如图所示
入
双
端
单
端
AVD = vo /vid = -βRc /rbe AVC→0 KCMR →∞
集成电路的特点
由于制造工艺上的原因， 由于制造工艺上的原因，模拟集成电路与分立元件电路 相比有以下特点 特点： 相比有以下特点： （1）电阻和电容的值不宜做得太大，电路结构上采用直接藕合 ）电阻和电容的值不宜做得太大， 方式 由于集成电路中，电阻是利用 管的基区体电阻构成， 由于集成电路中，电阻是利用NPN管的基区体电阻构成， 是利用 管的基区体电阻构成 电阻值的范围一般为几十欧~10千欧左右，阻值范围不大，且阻 千欧左右， 电阻值的范围一般为几十欧 千欧左右 阻值范围不大， 值精度不易控制，误差可达10%~20%。所以，若需要高阻值电 值精度不易控制，误差可达 。所以， 可用BJT或FET等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的 等组成的恒流源代替， 阻，可用 或 等组成的恒流源代替 方法。 方法。 电容则采用 结的结电容构成 约在100PF以下，误差也 以下， 电容则采用PN结的结电容构成，约在 则采用 结的结电容构成， 以下 较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。电感的制造则更 较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。电感的制造则更 加困难。 加困难。
AVD = AVD1 /2 = -βRc / 2rbe
*单端输入的差模电压增益 单端输入的差模电压增益
单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。 单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。
3.主要技术指标的计算 3.主要技术指标的计算
⑵共模电压增益
*双端输出的共模电压增益 双端输出的共模电压增益
C1
Rc2
+ vo － + +
－ －
C2
iC2
b2
+
b1
T1 vo1
vo2 T2
+
vi2= － vid /2
－
vi1= vid /2
－
一管电流将增加， 一管电流将增加，一管电流将减小 vo =vC1－vC2 ≠0 输出为v 输出为 id =vi1－vi2
2.动态分析 2.动态分析 ②当vi1 = vi2 = vic时 称为共模输入 Rc1 iC1
一般情况下， ﹥﹥r 一般情况下，（ 1+ β ）2 ro ﹥﹥ be ， β ﹥﹥ 1
∴AVC 1 ≈ -Rc /2ro
ro越大，即恒流源Io越接近理想情况， AVC 1越小，说明它抑制共模信号的能力越强 越大， 越接近理想情况， 越小，
3.主要技术指标的计算 3.主要技术指标的计算 ⑶共模抑制比KCMR 为了说明差分式放大电路抑制共模信号的能力， 为了说明差分式放大电路抑制共模信号的能力，常用共模 抑制比作为一项技术指标来衡量其性能。 抑制比作为一项技术指标来衡量其性能。
C1
Rc2
+ voc － + +
C2
iC2
+
vi1
－
b1
T1 voc1 2ro
－
voc2 T2
b2
+
2ro vi2
－
－
两管电流将同时变化 vo =vC1－vC2 =0 输出为0 输出为
3.主要技术指标的计算 3.主要技术指标的计算
⑴差模电压增益
*双端输入、双端输出的差模电压增益 双端输入、双端输出的差模电压增益
输入方式 原理电路图 输出方式 差模电压增益A 差模电压增益 VD 共模电压增益A 共模电压增益 VC 共模抑制比K 共模抑制比 CMR 差模输入电阻R 差模输入电阻 id 共模输入电阻R 共模输入电阻 ic 输出电阻R 输出电阻 o 高频响应
1.
双
端
输 如图所示
入
双
端
单
端
AVD = vo /vid = -βRc /rbe AVC→0 KCMR →∞
vi1= vic+ vid / 2 vi2= vic－ vid / 2
可以看出： 可以看出： ①差模信号是在两输入端各加入了一个大小相 方向相反的信号。 等，方向相反的信号。 ②共模信号是在两输入端各加入了一个大小相 方向相同的信号。 等，方向相同的信号。 在差模共模信号同时存在的情况下（用叠加原理） 在差模共模信号同时存在的情况下（用叠加原理） vO=AVDvid+ A VC vic 其中： 其中： AVD = vod /vid AVC = voc /vic 称为差模电压增益 称为共模电压增益
提高交流放大倍数而不影响 T3 静态工作点 T1
T2
VO VI
亦常用作射级负载
IREFR电Fra bibliotek源用作集电极负载
vi1 vi2
线性放大
vo
vo=AVD（vi1－vi2）
差模电压增益
基本差分式放大电路
1.差模信号： vid = vi1－ vi2 差模信号： 差模信号 2.共模信号： vic = （vi1 + vi2 ）/2 共模信号： 共模信号
让我们开始学习吧！ 让我们开始学习吧！
1. 镜像电流源 2. 微电流源 3. 电流源用作有源负载
1. 镜像电流源
设T1﹑ T2参数完全相同。 β 1= β 2，ICEO1 = ICEO2 ， VBE1=VBE2 ， IE1 =IE2 ， IC1=IC2 Vcc ∵β较大，IB=IC/β＜＜IC ，IC1≈ IC2 IREF R 2IB IC1 IE1 T1 T2 存在问题：当β不够大时，IC2与IREF 差异较大 IC2 ≈ IREF ＝（Vcc—VBE）/ R ≈ Vcc / R IC2相当于 REF的镜像 相当于I Rc IC2
AVD = vo /vid = （vo1 - vo2 ） /（vi1 – vid2 ）= 2vo1 / 2vid1 = -βRc / rbe
当集电极c 两点接入负载电阻R 当集电极 1 、 c2两点接入负载电阻 L时 其中 A′VD= -βRL ′ / rbe RL ′=Rc‖（RL / 2）
在电路完全对称的情况下，其与单边电路的电压增益相等。 在电路完全对称的情况下，其与单边电路的电压增益相等。可见该电路是 用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能力。 用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能力。 只取其中一管的集电极） *双端输入、单端输出（只取其中一管的集电极）的差模电压增益 双端输入、
IREF ＝（Vcc—VBE）/ R ≈ Vcc / R IE2 当电流变化时→ 变化→ 当电流变化时 IREF变化 变化很小→ 变化很小（ ⊿V BE变化很小 IC2变化很小（远 小于I 的变化） 小于 REF的变化） ∴ IC2较稳定
3. 电流源用作有源负载 特点：
直流电阻小， 直流电阻小，交流电阻很大 Vcc
基本差分式放大电路
静态分析（ 共摸相同） 1. 静态分析（ 差、共摸相同）
+Vcc Rc2
C1 C2
输入：vi1 = vi2 = 0 输入： 输出： vo =VC1－VC2 =0 输出： 输入信号电压
vid =vi1－vi2= 0
Rc1 iC1 vo1 T1 vE e Io rO vo2 T2
iC2
构成特定的功能的电子电路。 构成特定的功能的电子电路。
分类：
1 就集成度分：小规模﹑中规模﹑ 大规模﹑ 超大规模（每块芯 集成度分 小规模﹑中规模﹑ 大规模﹑ 超大规模（ 片上可有上亿个元件） 片上可有上亿个元件） 2 就导电类型分：双极型﹑ 单极型﹑ 两种兼容型 导电类型分 双极型﹑ 单极型﹑ 3 就功能分：数字集成电路﹑模拟集成电路﹑运算放大电路﹑ 功能分 数字集成电路﹑模拟集成电路﹑运算放大电路﹑ 功率放大电路等