模拟电子线路 第6章 集成电路运算放大器

（3）共模抑制比
K CMR AVD AVC K CMR AVD 20 lg AVC dB
双端输出，理想情况
单端输出
K CMR
K CMR
AVD1 AVC1
=|

Rc
2rbe
/
Rc 2ro
|
v ic

ro
rbe
KCMR ， 越大抑制零漂能力越强
单端输出时的总输出电压
vo1 AVD1v id (1
uo= uC1 - uC2
T1
uC + ud/2ui1
如果任意输入ui1 、ui2同时作用 ud = ui1 - ui2 差模分量: 分解 ui1 + ui2 共模分量: uc = 2 ui1 = uC + ud/2 叠加 ui2 = uC - ud/2
结论:当两输 入端有任意输 入时,相当于 共模输入和差 模输入共存
（3） R0对差模信号相当于短路
设 ui1 =- ui2 ，
ui1 ,ui2
ib1 ,ib2
ie1 ,ie2
ie1 = - ie2
IE不变
3. 主要指标计算
差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出）
由图可知，
I REF IC 1 2 I B
IC 2 2 IC 2 2 IC 2 (1 )
越大，集电极电流 I C 2 与基准电流的偏差越小。 例， =100时，两者的偏差为2%
1. 镜像电流源
交流电阻 （可由小信号等效 电路计算） VT Ro = IT 由于T2 的集电极电 流基本不变。所以交流量 I 0
集成电路的分类：
模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路；

集成电路内部结构的特点
1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差 方向一致，温度均一性好。 2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20 千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件 代替或外接。 3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、 大电容要外接。
漂移 1 V+ 10 mV
AV1 = 100, AV2 = 100, AV3 = 1 。
若第一级漂了100 uV，
则输出漂移 10 mV 。
若第二级也漂 了100 uV，
漂了 100 uV 漂移 1 V+ 10 mV
则输出漂移 1V+10 mV 。 第一级是关键 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
对于此电路 Rc 就是镜 像电流源的交流电阻，
因此增益为
= RL AV rbe
放大管
比用电阻Rc作负载时提高了。
end
例题
定性分析电路,说明T1,T2在电路中的作用.
6.3 差分式放大电路
6.3.1 概述
直接耦合放大电路 零点漂移
差分式放大电路中的一般概念
6.3.2 基本差分式放大电路
K CMR v id
)
（4）频率响应
高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。
4. 几种方式指标比较
输出方式
双出
单出
双出
单出
AVD AVC
K CMR
1 ( Rc // RL ) 2 rbe
0

( Rc // RL )
2rbe Rc // RL 2ro
1 ( Rc // RL ) 2 rbe
2v o1 Rc 2v i1 rbe
1 接入负载时 以双倍的元器件换 RL ) ( Rc // AVD = 取抑制零漂的能力 2 rbe
<B> 双入、单出 接入负载时
vo1 Rc v o1 1 AVD1 = AVD v id 2rbe 2v i1 2
AVD =
共模增益
AVC
v oc 0 v ic
<B> 单端输出
v oc1 voc2 AVC1 v ic v ic Rc Rc rbe (1 )2ro 2ro
流过长尾的电流是两管电流之 和，计算中长尾电阻应加倍
ro AVC1 抑制共模能力增强
+UCC RC uo RC T2 RE -UEE ui2 uC - ud/2
RL中点为交流地点位
( Rc // RL )
2rbe
3. 主要指标计算 （1）差模电压增益
<C> 单端输入
ro re (发射结电阻 )
可认为ro支路开路， 指标计算与双端输入相 同
（2）共模电压增益
<A> 双端输出 共模信号的输入使两管 集电极电压有相同的变化。 所以 voc voc1 voc2 0
反映差放抑制共模信号的能力
(分贝)
6.3.2 基本差分式放大电路
1. 电路组成及工作原理
对称性结构、恒流源式（或电阻 式）长尾
静态
I C1 = I C2
1 IC I0 2
VCE1 = VCE2 VCC I C RC VE VCC I C RC ( 0.7)
双端输出电压 vo 0 ， 单端输出电压
所以IC2也很小
3. 多路电流源
IE Re IREF Re IE 1 Re 1 IE 2 Re 2
IC 1 IE 1 IREF Re/ Re 1,

IC 2 IE 2 IREF Re/ Re 2
4. 电流源作有源负载
镜像电流源
共射电路的电压增益为：
( Rc // RL ) Vo = AV rbe Vi
4. 二极管一般用三极管的发射结构成。
运算放大器的方框图
输入端
输入级
中间级
输出级
输出端
偏置电路
对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。
对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足 够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。
国际符号
国内符号
6.2 集成电路中的恒流源
镜像电流源
微电流源
多路电流源 电流源作有源负载
电流源电路不仅可用作各种放大电路的恒流偏置
(为放大电路提供稳定的偏置电流)， 而且可用它取代电阻作为放大器的负载，是集成 运放中应用最广泛的单元电路之一。
电流源的要求：有足够大的动态内阻；对温度的敏感 度极低；能对抗电源电压或其他外因的变化。归纳起 来就是电流源电路应具有不受外界因素影响的恒流特 性。 电流源种类很多，但有一个共同的特点即
直流等效电阻小，交流等效电阻很大，且具有良好的 恒流特性。 （电流源的恒流特性决定于电流源输出电阻的大小， 输出电阻越大，恒流效果越好）
1. 镜像电流源
恒流特性
VBE2 = VBE1 I C2 = I C1 I REF I E2 = I E1
VCC VBE VCC = R R IC2看作IREF的镜像。
调制解调方式。如“斩波稳零放大器”
4. 差分式放大电路中的一般概念
vid = vi1 vi2 差模信号
差模信号输出 1 vic = (vi1 vi2 ) 共模信号 +
+ vid -
差放
Fra Baidu bibliotekAVD
AVC
共模信号输出 vod = 差模电压增益 vid voc = 共模电压增益 vic
2
vi1
-
差分式放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有很强 抑制作用。
2. 抑制零点漂移
温度变化和 电源电压波动，
都将使集电极电
流产生变化。且 变化趋势是相同
的，其效果相当
于在两个输入端 加入了共模信号。
当 ui1 = ui2 =0 时： uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0
0

( Rc // RL )
2rbe Rc // RL 2ro




ro
rbe

ro
rbe
4. 几种方式指标比较
（思考题）
输出方式
双出
单出
双出
单出
Rid Ric
Ro
2rbe
2rbe
1 [rbe (1 )2ro ] 2
2Rc Rc
1 [rbe (1 )2ro ] 2
6.1 6.2 6.3 6.4
集成电路运算放大器概述 集成电路中的电流源 差分式放大电路 集成电路运算放大器的主要参数
*6.5 专用型集成电路运算放大器 *6.6 放大电路中的噪声与干扰
6.1 集成运算放大器概述
集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半
导体基片上。
集成电路的优点：
工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小。
（大小相等，极性相同）
理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0
在电路对称（或匹配）时，双端输出共模信号完全被抑制掉 了；电路匹配性较差或从单端输出也能抑制共模信号（恒流 源动态内阻R0）
AVC 共模电压放大倍数：
uoc
uic
（很小)
电路的匹配精度越高，长尾电阻越大，差分放大电 路抑制共模信号的能力越强。由于恒流源动态内组 很大故其具有很强的共模抑制能力。
2. 直接耦合放大电路 存在的问题
a. 零 点 漂 移 ：输入短路时，
输出仍有缓慢变化的电压产生。 主要原因： 温度变化引起，也称温漂（电源电压波动也是原因之一
温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益 温漂指标： 折算到输入端的等效输入漂移电压值。 b.前后级Q点相互影响
例如 假设
漂移
10 mV+100 uV
uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 =
2uC1 长尾的电流、电压增量 为零，即长尾对差模信 号短路。 差模电压放大倍数： uod u01 u02 2u01 AVD 2ui 1 uid ui1 ui 2
uc1 ui 1
(较大)
共模输入信号： ui1 = ui2 = uC
I B1 I B2
IC
uo1 = uo2 = UC1 = UC2
差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud
大小相等，极性相反
1. 电路组成及工作原理 设u =U +u , u =U +u C1 C1 C1 C2 C2 C2 动态 因u = -u ， u =-u
i1 i2 C1 C2
通用型集成电路运算放大器
简化电路
end
运放的特点：
ri 大: 几十k 几百 k KCMRR 很大
理想运放： ri
KCMMRR
ro 小：几十 几百 A o 很大: 104 107
运放符号： u－ u+
ro 0 Ao
－＋
＋
Ao
uo
u－ u+
－
＋
uo
3. 单端输入、双端输出（单入双出）
4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻
输出电阻
3. 主要指标计算 （1）差模电压增益
<A> 双入、双出 v o1 v o2 vo AVD = v i1 v i2 v id
（双入、双出交流通路）
长尾的作用：
RC C1 B1 T1 E
（1）直流负反馈，稳定静态工作点
RB
uo
T2
RC C2
B2
+UCC
RB
ui1
ui2
IE
T °C
R0
-UEE
IC1
IC2
IE =IE1+IE2
UE =IERE+（-UEE）
IC1
IC2
IB1 、IB2
UBE1 、UBE2
（2） R0对共模信号有抑制作用（原理同上，长尾 电阻越大，差放抑制共模信号的能力越强）
电路组成及工作原理 主要指标计算 抑制零点漂移原理 几种方式指标比较
6.3.3 FET差分式放大电路 6.3.4 差分式放大电路的传输特性
6.3.1 概述
1. 直接耦合放大电路
既可放大直流信号 ，也可放 大交流信号 鉴于集成工艺难以制作电感 和较大的电容，集成运算放 大器都要采用直接耦合方式
+ vo -
+
+ vi2 -
+ vo2 -
vo1
-
差分式放大电路输入输出结构示意图
总输出电压 vo
= vod voc AVD vid AVC vic
vid vi1 = vic 2
根据上面两式有
K CMR
AVD KCMR (dB) = 20lg AVC
AVD = 共模抑制比 AVC
vid vi2 = vic 2
T
VT Ro = IT
一般Ro在几百千欧以上
1. 镜像电流源
精度更高的镜像电流源
由于增加了T3，
减小 IB 对 IREF 的分流 ，
提 高 了 IC2 与 IREF 互 成
镜像的精度。
2. 微电流源
I C2 I E2
VBE1 VBE2 Re2 VBE Re2
由于 VBE 很小，
2Rc Rc