模电-第六章-集成运算放大电路

DV BE
Re2
很小
Re2
即用阻值不大的Re2即可获得微小的
工作电流，称为微电流源。 T2工作
在输入特性的弯曲部分。
－VEE
微电流源 T2
输出电阻也较大
3.高输出阻抗电流源
这是镜像电流源的另一种改进电路。电路 图如右，电路的基准电流为
电流源作T3射极电阻， rO很大，见P137
IRE= FVC
C -VB2 E-VB3 E+VEE R
电流源输出特性的电流 在一定范围内是恒定的， 其斜率的倒数为动态输 出电阻，即
-1
ro
=
iC 2 vCE 2
IB2
2、微电流源
IREF
+VCC R
2IB
V
-V
=I
R I
R
BE 1
BE 2
E 2 e2
C 2 e2
IC2
DV
=V
-V
很小
BE
BE 1
BE 2
IC1
IB2
IB1
T1
T2
VBE1
VBE2
I
C2
模拟集成电路是本章的主干内容。它是集成电路设计与制造工艺不断发展的成果。
本章首先讨论模拟集成电路中普遍使用的直流偏置技术， 即用集成工艺制造的BJT或FET的各种电流 源。 电流源除可为电路 提供稳定的直流偏置外，还可作放大电路的有源负载以获得高增益。
其次，模拟集成电路的另一组成单元是用BJT和FET组成的差分式放大电路，将重点讨论其工作原理和 主要技术指标的计算。
ID2=WL2Kn'2VG2S-VT22/2 =Kn2VG2S-VT22
常用电路
图6.1.5 MOSFET镜像电流源
2．MOSFET多路电流源 电路如图6.1.6所示， 它是6.1.5b所示镜像电流源电路的扩展。基准电流IREF由T0和T1以 及正、负电源确定，根据前述各管漏极电流近似地与其宽长比(W／L)成比例的关系，则有
R5 IREF T11
+VCC T13
IC13
例：图中电路为F007偏置电路的一部分，VCC=VEE =15V，所有的三极管UBE =0.7V，其中NPN三极管的β>>2，横向PNP三极管的β =2，电 阻R5=39k。 ①估算基准电流IREF； ②分析电路中各三极管组
成何种电流源；
③估算T13的集电极电流
IC13；
-VEE
④若要求IC10=28A，试估算电阻R4的阻值。
T12 IC10
T10 R4
R5 IREF T11
+VCC T13
IC13
-VEE
T10、T11构成微电流源， T12、T13构成镜像电流源
解：
IREF =
VCC+ VEE-2VBE R5
2 IC13 = IREF（1 - ——）
b+2
=VCC- ICRc -V E
= V C- C IC R c- (- 0 .7 V )
IB 1 =
IB 2 =
IC β
vo=vc 1-vc 2=0
图 6.2.2 射极耦合 差分式放大电路。
（2）动态分析
动态
仅输入差模信号，
v 和v 大小相等，相位相反。
i1
i2
v 和v 大小相等，
c1
c2
相位相反。
模电-第六章-集成运算放大电路
引言 集成放大电路的特点 把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(IC－Integrated Circuits)。它的体积小，而性能却很好。
集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、 宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模—数和数—模转换器、稳压电源和音像设 备中常用的其他模拟集成电路等。
类似地，对于两管的差模输出电压和共模输出电压可由下两式来表达：
vod=vo1-vo2； voc=12(vo1+vo2) 式中单管的输出电压分别为:
vo 1=vo+ cvod 2； vo2=vo- cvod 2
Avd
=
vod v id
差模电 压增益
对线性放大电路而言
Avc
=
v oc v ic
共模电 压增益
主要的单元电路： 1.电流源 2.差分放大电路
6·1.1 BJT电流源电路 作用：向各个放大级提供合适的偏置电流。
1、镜像电流源
IREF IC1
T1
+VCC R
2IB
IB1
IB2
VBE1 =VBE2
iC2 = IO = IC2 =IREF
V
+V
I
CC
EE
REF
R
I
=I
=I
B1
B2
B
(忽略VBE)
U
ln
T
I C 11
I C 10
I
R
C10
4
U
I
R4 =
T ln
C 11
IC10
I
C10
6.1.2 FET电流源 1.MOSFET镜像电流源
电路如图6.1.5a所示， T1 、 T2是N沟道增强型 MOSFET对管，该电路的 结构与图6.1.1a所示的BJT 镜像电流源类似。
图6.1.5 MOSFET镜像电流源
(JFET)的栅极直接与源极相连， 便可得到简单的电流源，如图 6.1.7a所示，其输出特性就是 JFET自身的输出特性，如图 6.1.7b所示。图中标出了可用范 围，即从VDS =∣ VP ∣到击穿电压 VBR 。电流源的动态输出电阻等 于输出特性的斜率的倒数。
VGS=0
6.2 差分式放大电路 差分式放大电路在性能方面有许多优点，是模拟集成电路的又一重要组成单元。本节先介绍差分式放 大电路的一般结构，然后讨论BJT差分式放大电路和FET差分式放大电路.
图 6.2.2射极耦合差 分式放大电路。
图6.2.3 (a)交流通路
图6.2.3 （a)交流通路 图6.百度文库.3 （b)半边等效电路
当从两管集电极作双端输出，未接RL时其差模电压增益与单管共射放大电路的电压增益相同，即
b A vd =v viod=v vo i1 1- -v vio 2 2=2 2v vo i1 1=-rR bC e
vi d=vi 1-vi 2
同理，两输入电压vi1和vi2的算术平均值称为共模电压，定义为
1 vic =2(vi1+vi2)
用差模和共模电压表示两输入电压时为
vi d=vi 1-vi 2
1 vic =2(vi1+vi2)
vi1 = vic + vid 2 vi 2 = vic - vid 2
由上面二式可知，两输入端的共模信号vic的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的差模电压+vid /2 和-vid /2的大小相等而极性则是相反的。
常将IC2看作 IREF的镜像， 称此电路图为 镜像电流源
I
=I =I
- 2I
T2
C2
C1
REF
B
I
I
=I
- 2 C1
C2
REF
b
－VEE 镜像电流源
2
I
=I
/( 1 +
)
C2
REF
b
若 b >> 1 ，则
I
C2
I REF
镜像电流源电路图a及代表符号b 受R值限制，仅为mA数量级
镜像电流源输出特性
vo=vc1-vc20，
信号被放大。这种输入方式称为差模输入。
图 6.2.2射极耦合差 分式放大电路。
输入信号仅为共模信号vic
在差分式放大电路中，温度变化或电源电压波动等都会引起两管集电极电流（电压）有相同的变化。其 效果相当于在两个输入端加入了共模信号vic,两输出端输出的共模电压相同。因此双端输出时的输出电 压vo=0.
6.2.1 差分式放大电路的一般结构 1. 用三端器件组成的差分式放大电路 图6.2.1是用两个特性相同的三端器件(含BJT、FET) T1 、 T2所组成的差分式放大电路，电流源IO 具有恒 流特性，并带有高阻值的动态输出电阻(图中略)，因而电路具有稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的 能力。
图6.2.1是用两个特
W2
W3
ID2
=
L2 W1
L1
I REF ;
I D3 = W1 L3 L1
I REF ;
W4 I D 4 = W1 L4 I REF
L1
其中
IRE = IF D 0= K n 0V G 0- S V T 02
IRE = IF D 0= K n 0V G 0- S V T 02
3．JFET电流源 如将N沟道结型场效应管
当器件具有不同的宽长比时，借助宽长比这一参数可以近似地描述两器件电流之间关系，即
W2
IO
=
L2 W1
I REF
L1
相同条件下，如λ=0，电流与宽长比 成比例
如果用T3代替R,便可得到如图6.1.5b所示的常用镜像电流源，因T1—T3特性相同，且工作在放大区，当 MOSFET的λ=0时，输出电流为
I D 2 = W L 2 K n '2 V G 2 - V T S 2 2 / 2 = K n 2 V G 2 - V T S 2 2
Avd1
=
1 2
Avd
=
-
bRC
2rbe
;
Avd 2
=
-
1 2
Avd
=
+
bRC
用途：1.电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点；作有源负载
共射电路的电压增益为：
镜像电流源
A V
=
Vo Vi
=
- b(Rc // RL )
rbe
对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，
因此增益为
A V
=
-
bRL
rbe
比用电阻Rc作负载时提高了。
放大管
2.用作偏置电路
T12 IC10
T10 R4
性相同的三端器件
(含BJT、FET) T1 、 T2所组成的差分式 放大电路，下端公
共接点e处连接一电 流源IO 。两器件的 输入端I1 、 I2分别接 输入信号电压，两
输出端O1 、 O2.
2．差模信号和共模信号的概念 什么叫差模和共模信号?这是应当首先建立的重要概念。
输入电压vi1和vi2之差称为差模电压，用下式来定义：
输入信号为差模信号vid与共模信号vic,的叠加 ．
当输入信号电压
v
v
=v
+
id
i1
ic
2
v
v
=v
-
id
时,
i2
ic
2
输出电压为
vo 1=vo+ cvod 2； vo2=vo- cvod 2
在双端输出时
vO=vo1-vo2=vod
即双端输出差放电路只放大差模信号，而抑制了共模信号。
根据这一原理，差分式放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。
vo=Avv did+Avvcic
6.2.2 射极耦合差分式放大电路 1．基本电路 在图6.2.1中，如选用两只特性全同的BJT T1 和 T2 ，则可得如图6.2.2所示射极耦合差分
式放大电路。
图 6.2.2射极耦合差 分式放大电路。
2.工作原理
（1）静态分析
1 IC1=IC2=IC=2I0 VC E1=VC E2
接着分析两种集成运放的实际电路，介绍集成运放的技术参数。随后，对变跨导模拟乘法器及其应 用也作简要的讨论。最后，对放大电路中的噪声和干扰的来源及其抑制措施作简要的介绍。
集成放大电路的特点 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、采用直接耦合方式 5、二极管由三极管构成
由于这个缘故，差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级，它对共模信号 有很强的抑制能力，以改善整个电路的性能。
3．主要技术指标的计算 (1)差模电压增益
双端输入、双端输出的差模电压增益。
在图6.2.2所示的电路中，若输入为差模方 式，即
vi1=-vi2=vid 2
则因一管的电流增加，另一管的电流减小，在电路完全对称的条件下，ic1的增加量等于ic2的减少量， 所以流过电流源的电流IO不变， ve=0，故交流通路如图6.2.3a所示。
接RL时其差模电压增益为
Av' d
=
-
bRL'
rbe
其中
R L ' =R C//R L2
综上分析可知，在电路完全对称、双端输入、双端输出的情况下，图6.2.2的电路与单边电路的电 压增益相等。可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制共模信号的能力。
双端输入、单端输出的差模电压增益 如输出电压取自其中一管的集电极(vo1或vo2)，则称为单端输出，此时由于只取出一管的集电极电压变化 量，当RL=∞时，电压增益只有双端输出时的一半，因此，当分别从T1或T2的集电极输出时，则有
基本电路
1.MOSFET镜像电流源
电路如图6.1.5a所示， 由于T1的漏、栅两极 相连，只要VDD > VT ，它必然运行于饱和区。 假设两管的特性全同，输出电压vO足够大以 至T2处于饱和区， 相同的VGS ，则输出电流 Io将与基准电流IREF近似相等，即
I O = I D 2 = I R= E V D F + V D S - V S G / R S
根据BJT的结构知识可知
IO
= IC2
A3 A1
IREF
A1和A3分别是T1和T3的相对结面积
※4 组合电流源
在多级集成电路放大器中，往往使用一个基 准电流以获得多个电流源。图6.1.4示出了一 个典型的例子。通过R1的电流IREF 就是四个 电流源的基准电流。 T1和T2 、 T4和T5构成镜像电流源。而T1和T3 、 T4和T6则构成了微电流源。在工程实际中， 形象地将上部一组电路叫做电流源，而下部 一组电路叫做电流阱。