第06章集成电路运算放大器.

差分式放大器集成电路运算放大器中的电流源一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET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；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、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。电流源概述退出电流源概述2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。二、电流源电路的用途：1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。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。退出集成电路电流源一、镜象电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVV====bbbIIIIIIRCBCBC()===1222212b且RVVIBECCR=，当b2时,IICR2=，IC2和IR是镜象关系。镜象电流源其中：基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的。I2CIR退出T1VCCiC1RT2IRIOiRET3结构特点T1管c、b之间插入一射随器T3。电路优点减小分流i，提高IO作为IR镜像的精度。由图b==12B1C1C1RiiiiI])1(21[Obb=IR22O2II=bbbb整理得式中RVVIBE(on)CCR2=RO=rce2输出电阻退出二、精密镜象电流源三、微电流源微电流源电路,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。微电流源2221eEBEBEBERIVVV==IC2远小于IREF,。RVICCREF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。222eBEECRVII=退出四、比例式电流源在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。比例式电流源因两三极管基极对地电位e2e1E1E2e2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV因相等，于是有退出五、多路电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。多路电流源退出MOS镜像电流源MOS镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻R被有源电阻T3取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若T1T2性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为(W/l)1、(W/l)2根据2GS(th)GSOXnD))((2VVlWCi=OD2D1RIiiI===DS1DS3SSDDvvVV=GS1DS1vv=GS3DS3vv=，得R12O)/()/(IlWlWI=2GS(th)GS1SSDDGS(th)GS113)()/()/(VvVVVvlWlW=2GS(th)GS11OXnR)()(2VvlWCI=其中退出4.电流源作有源负载=ioV=VVA共射电路的电压增益为：beLc)//(rRRb对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为beLV=rRAb比用电阻Rc就作负载时提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源退出有源负载差分放大器T1、T2构成的镜像电流源代替RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。电路特点：由镜像电流源知C3C2ii当差模输入时C3C4ii=则差模输出电流C3C4C2O2iiii==当共模输入时C3C4ii=则共模输出电流0C4C2O==iii退出T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2性能分析：结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。2/EECQ4CQ3CQ2CQ1IIIII===由于则TCQm4m3m2m1/VIgggg====)//(ce4ce2m4Lm4drrgRgAv==差模增益差模输入电阻ebe4be3bid2)(2==rrrR差模输出电阻ce4ce2O//rrR=退出差分放大电路vi1vi2线性放大电路vo电路完全对称的理想情况：)(21iiVDovvAv=差模电压增益差模信号idv放大两个输入信号之差共模信号)(2121iiicvvv=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。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。退出差模信号和共模信号电路性能特点差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为vi1=-vi2=vid/2差模输入电压vid=vi1-vi2共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为vi1=vi2=vic共模输入电压vic=(vi1+vi2)/2任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。vi1=vic+vid/2vi1=vic-vid/2即退出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。差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。时，021==iivv静态分析动态分析当输入信号为零时，即0=2/21CCCCCE0C21=====CCoBECCvvvVRIVVIIii这时，由于电路完全对称。当在电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，时，即2/21idiivvv==一管电流增加，另一管电流减小，所以021=CCovvv即在两个输出端有信号电压输出。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL因电路采用正负双电源供电，则VBQ1=VBQ20估算电路Q点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。2EECQ2CQ1III=EEEEBE(on)EERVVI因此CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV==退出抑制零点漂移的原理零点漂移——当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。在差分电路中，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，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。退出差放半电路分析法因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。分析步骤：差模分析画半电路差模交流通路计算Avd、Rid、Rod共模分析画半电路共模交流通路计算Avc、KCMR、Ric根据需要计算输出电压双端输出：计算vo单端输出：计算vo1、vo2退出差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路REE对差模视为短路。iC2=ICQ-iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ（不变）故RL中点视为交流地电位，即每管负载为RL/2。直流电源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路1）半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。退出2）差模性能指标分析iididivR=差模输入电阻eb1i22==rRiid2id1ivv=iid12iv=差模输出电阻C1ood22RRR=差模电压增益idoddvvAv=id2id1od2od1vvvv=id1od122vv=1vA=ebLC)2//(=rRRb注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。半电路差模交流通路RC+-vod1+-vid1RL2T1ii退出单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLiididivR=eb1i22==rR不变C1o1odRRR=idod1d1vvAv=id1od12vv=21vA=ebLC)//(21=rRRb减小减小RC+-vod1=vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路d2vA=退出共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路每管发射极接2REE。iC2=ICQ+iCiC1=ICQ+iC因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则RL对共模视为开路。直流电源短路接地。1）半电路共模交流通路因此REE上的共模电压：2iCREE因为流过RL的共模电流为0。半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE退出2）共模性能指标分析iicicivR=共模输入电阻1iR=iic1iv=共模输出电阻共模电压增益icocdvvAv=icoc2oc1vvv=0=电路特点半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE)1(2EEebb=Rr无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。利用对称性抑制共模信号（温漂）原理：=CQ2CQ1TII0)(CQ2CQ1o==VVV)(CCQ1CCCQ2CQ1RIVVV==退出单端输出电路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。iicicivR=1iR=)1(2EEebb=Rr不变半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERLC1o1ocRRR=icocc1vvAv=1vA=EELEEebLC2)1(2)//(RRRrRR=bbc2vA=退出单端输出电路特点单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。利用REE抑制共模信号原理：CQTIEQVBQI)(EQBQBEQVVV=T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLCQI一般射极电阻REE取值较大EELc12RRAv因此很小。结论无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大差模信号、抑制共模信号的能力。退出差模电压增益beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvAb====121212双端输入、双端输出双端输入、单端输出beCVDVDrRAA2211b==加负载电阻RLbeLVDrRA=b2//LCLRRR=式中：差分放大电路有两个输出端—集电极C1和集电极C2。若信号从C1和C2输出，则称为双端输出，反之，若信号仅从集电极C1或C2对地输出，则称为单端输出。退出共模电压增益Avc（1）双端输出时：021=vvvicococvcA（2）单端输出时：oCobeCicocvcrrRrRvvA22111==bb共模电压增益越小，放大电路的性能越好。Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。退出(2)差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。besid2rRR=(3)输出电阻输出电阻在单端输出时，双端输出时，coRR=co2RR=退出共模抑制比cdCMRvvAAK=dBlg20cdCMRvvAAK=（2）单端输出时共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。=AAKvcvdCMR（1）双端输出时KCMR为无穷大beovcvdCMRrrAAKb=11退出普通差放存在的问题：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零点漂移能力但IEEQ点降低输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T333BE(on)EE212EE)(RVVRRRI=ebid2=rRCod2RRebCd22=rRAvbo3C2c2RRAv