第六章 模拟集成电路

二、电流源电路的用途
1、给集成电路各级电路提供直流偏置电流，以获得稳定的Q点；
2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围； 3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出； 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。
6.1.1 BJT电流源电路
一、镜像电流源
I REF VCC VEE VBE R VCC VEE R
Rc 2ro
共模电压增益越小，抑制共模信号的 能力越强，放大电路的性能越好。
2、共模输入电阻
1 Ri c rbe 1 2r0 2
I 0 I C 2 I REF
特点：
1. 2. 3. 4. 结构简单； 具有一定的温度补偿作用 ； 不适合于直流电源在大范围变化的集成运放； 若输入级要求微安级偏置电流，在集成电路中无法实现。
偏置电路用作有源负载
T1为放大管，T2、T3组成 镜像电流源作为T1的有源 负载，利用三极管集电极 等效电阻较大的特点提高 电压增益，此外T2管的电 流还可确定T1管的工作电 流。
及共模抑制比的计算；掌握集成运放主要技术指标的含义。
本章重点难点
1．集成电路运算放大器的基本组成 集成电路运算放大器的实质是高电压增益、高输入电阻和低输 出电阻的多级直接耦合放大电路。通常由输入级、中间级、输出级
以及偏置电路组成。
输入级通常采用恒流源式的差分式放大电路，通过发挥集成运 放内部参数匹配性好的特点，降低零点漂移、温度漂移；采用恒流
W 2 2 I D2 K n 2 VGS 2 VT 2 K n 2 VGS 2 VT 2 L 2
二、MOSFET多路电流源
W2 / L2 I REF W1 / L1 W3 / L3 I REF W1 / L1 W4 / L4 I REF W1 / L1
2
I D2 I D3 I D4
I REF I D 0 K n 0 VGS 0 VT 0
特点：
当器件具有不同的宽长比时，可获得不同比例的输出电流。
三、JFET电流源
JFET电流源的动态输出电阻等于输出特性的斜率的倒数。
6.2.1
一、一般结构
差分放大电路的组成
差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成， 电路参数对称相等。
（一）差模参数（Avd、Rid、Ro） Biblioteka Baidu、双端输入、双端输出 ① 差模电压增益 v v v 2v RC Avd o o1 o 2 o1 vid vi1 vi 2 2vi1 rbe 加负载电阻RL
Avd RL rbe R Rc // L RL 2
输入共模信号：两个输入端各加一个大小相等，极性相同的信号电压， 即
干扰信号或 有用信号
vi1 vi 2 vic
零点漂移：放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。 抑制零点漂移的原理：温度的变化，电 源电压的波动都会引起两管集电极电流、
集电极电压的变化，其效果相当于在差
分电路两个输入端加入了共模信号，由 于电路对称，理想的情况下，输出电压 不变，从而抑制了零点漂移。 多级直接耦合放大电路的输入级常 采用差分式放大电路来抑制零点漂移 ， 放大差模信号。
源引入共模负反馈，抑制共模信号，提高共模抑制比。
中间级又称电压放大级，其主要任务是提供足够大的电压增益， 向输出级提供大的推动电流，因此通常由共射或共源放大电路组成。 输出级一般不要求提供高的电压增益，而要求向负载提供足够大 的输出电流。通常输出级采用电压跟随器或互补对称的电压跟随器。 偏置电路起到为输入级、中间极和输出级提供偏置电流，确定各 级静态工作点以及在放大电路中充当有源负载的作用。
三、电压增益
vo Avd vid Avc vic
差模电压 增益较高
共模电压 增益较低
差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。
6.2.2
长尾式差分放大电路
对称的两个共射电路通过射极公共电阻耦合而成，由 于Re阻值大，故称长尾式差分放大电路。
1=2=
VBE1=VBE2= VBE
恒流源 ①提供直流偏置 ②具有高阻值动态内阻 ③抑制共模信号
二、共模信号和差模信号
直流信号
vid vi1 vi 2 1 共模电压： vic (vi1 vi 2 ) 2
差模电压：
差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。 共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。
2．偏置电路 偏置电路主要由电流源电路组成，常用的有镜像电流源、比例 电流源和微电流源等，前两者提供的偏置电流较大，后者则可产 生较小的偏置电流，适用于输入级偏置电路。 3．差分式放大电路 差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路，这源于电路的对 称性。 差分放大电路主要有双端输入双端输出、双端输入单端输出、 单端输入双端输出、单端输入单端输出四种典型电路。 差分式放大电路的性能指标主要有：差模电压增益、共模电压 增益、共模抑制比、差模输入电阻、共模输入电阻、输出电阻等。 上述指标通常是在正确画出半电路的直流通路、差模等效电路和 共模等效电路的基础上求取的，在画这些等效电路时应注意： （1）负载电阻在单端输出和双端输出时的等效处理有所不同，射极 共用电阻在差模输入和共模输入时的等效处理有所不同。 （2）单端输入由于可等效为双端差模输入和共模输入的叠加，其效 果与双端输入基本相同。
二、静态分析(Q1、Q2)（空载）
入手点： IB
I BQ1 I BQ2
0 (VEE ) VBE Rs 21 Re
VEE VBE = Rs 21 Re
I CQ1 = I CQ2 I BQ
VCE = VC VE = (VCC I CQ Rc ) (0 I BQ Rs VBEQ ) VCC I C Rc I BQ Rs VBE
二、微电流源
接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功 耗的集成电路和集成放大器的前置级中。
当R取 几k 时， IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源 。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。
VBE 1 VBE 2 VBE I E 2 Re 2 I0 IC 2 I E 2 VBE Re 2
第六章
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 实际集成运放的主要参数和应用电路的影响
运算放大器外形图
运算放大器外形图
6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术
电流源电路：输出电流恒定，具有很高输出电阻的电路。 一、特点
1、由BJT、FET构成电流源电路，由于其工作在放大状态时，其输出 电流都是具有恒流特性的受控电流源； 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流 源、微电流源、多路电流源等； 3、电流源电路一般都加有电流负反馈； 4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补 偿，以减小温度对电流的影响。
rbe1= rbe2= rbe
ICBO1=ICBO2= ICBO
RC1=RC2= RC
Rs1=Rs2= Rs
一、输入和输出方式
两个输入端：
双端输入(two-sided input) 单端输入(single-sided input) 两个输出端：
双端输出(two-sided output) 单端输出(one-sided input) 四种接法： 双入双出 双入单出 单入双出 单入单出
vi1 = －vi2 = vi /2 单入=双入 RC Avd ro 对 Ie 分流 rbe 极小，可忽
② 差模输入电阻
略！
Rid 2rbe
③ 输出电阻
Ro 2 Rc
4、单端输入、单端输出 ① 差模电压增益
Avd 1 Avd 2
RC 1 Avd 2 2rbe
RC 1 Avd 2 2rbe
② 差模输入电阻
Rid 2rbe
③ 输出电阻
Ro 2Rc
特点：
① 电路多用一个三极管，电压增益未增加； ② 通过共模负反馈对共模信号（主要为电源电压中的干扰以及温度的 变化）进行抑制； ③对差模信号（有用信号）进行放大。
2、双端输入、单端输出 ① 差模电压增益
Rc 1 Avd 1 Avd 2 2rbe
三、动态分析（Av、Ri、Ro）
1、共模参数（Avc、Ric、Ro） 2、差模参数（Avd、Rid、Ro）

抑制共模(零漂、干扰)
（1）双端输出时，通过对称性实现；
（2）单端输出时，通过射极大电阻 Re降低共模信号放大倍数来实现。 联体处为 “差模地”

放大差模 iRe=0 双出vo=2vo1(vo2 )(单出)
特点： 1. 利用△VBE（较小）控制输出电流； 2. 3. 提高了恒流源对电源变化的稳定性； 提高了恒流源对温度变化的稳定性 。
6.1.2 FET电流源
一、MOSFET镜像电流源
I 0 I D 2 I REF VDD VSS VGS R
W2 / L2 I0 I REF W1 / L1
忽略IB1、IB2，即：VB1=VB2=0 入手点： IRe
I Re
VB1 ( VEE ) VBE = Re
0 ( VEE ) VBE VEE VBE = = Re Re
I C1 = I C2
I Re 2
I B1 = I B2
I C1

VCE = VC VE = (VCC I C Rc ) ( VBE ) VCC I C Rc VBE
vi1 vi 2 vid / 2
一管电流增加，另一管电流减小，所以 两个输出端有信号电压输出，为
vo vC1 vC 2 0
输入共模信号：两个输入端各加一个 大小相等，极性相的信号电压，即
干扰信号或 有用信号
vi1 vi 2 vic
vo vC1 vC 2 0
二、动态分析
有用信号
输入差模信号：两个输入端各加一 个大小相等，极性相反的信号电压 ，即
vi1 vi 2 vid / 2
一管电流增加，另一管电流减小，所以 两个输出端有信号电压输出，为
vo vC1 vC 2 0
6.2.3
射极耦合（恒流源式）差分式 放大电路
为了提高共模抑制比应加大 Re 。但Re加大后，为保证工作点 不变，必须提高负电源，这是不 经济的。可用恒流源来代替Re 。 恒流源动态电阻大，可提高 共模抑制比。同时恒流源的管压 降只有几伏，可不必提高负电源 之值。
一、静态分析
输入信号为零，即
vi1 vi 2 0
I CQ1 I CQ 2 I CQ I 0 / 2
VCEQ = VCC I CQ RC VBE
Vo VCQ1 VCQ 2 0
二、动态分析
有用信号
输入差模信号：两个输入端各加一 个大小相等，极性相反的信号电压 ，即
课程导学
理论学习
自我测试
常熟理工学院自动化系
本章知识结构图
本章教学要求
正确理解集成运放的组成结构及各组成部分的作用；熟练掌握
各类电流源的工作原理及计算方法；熟练掌握四种不同输入输出方
式差分式放大电路的工作原理以及性能特点；熟练掌握各类差分式 放大电路静态工作点、差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻以
② 差模输入电阻
Rid 2rbe
③ 输出电阻
Ro Rc
（二）共模参数（Avc、Ric、Ro）
1、共模电压增益（vi1=vi2=vic） ①双端输出
voc voc1 voc2 Avc = 0 vic vic
②单端输出
voc1 voc2 Avc = = vic vic
Rc rbe (1 )2r0
Avd 2
Rc 1 Avd 2 2rbe
② 差模输入电阻
Rid 2rbe
③ 输出电阻
Ro Rc
用途:
① 将差分信号转换成单端信号，便于与后级放大电路实现共地，常用于
中间级 ；
② 可通过从不同的集电极输出得到与输入电压反相或同相的输出电压。
3、单端输入、双端输出 ① 差模电压增益