共模输入时技术指标及共模抑制比

第四章集成电路运算放大器本章内容简介(一)目标：集成元器件，构成特定功能的电子线路(二)侧重点不同：区别于单元电路，研究对象为高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大电路(三)主要内容组成集成运放的基本单元电路；典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数；几种专用型集成运放。(四)学习目标了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及有关指标。熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。（选讲内容）了解集成运放主要参数的定义，以及它们对运放性能的影响。（选讲内容）(五)参考资料说明清华大学童诗白主编《模拟电子技术基础》有关章节高文焕、刘润生编《电子线路基础》王远编《模拟电子技术基础学习指导书》陈大钦编《模拟电子技术基础问答、例题、试题》4.1集成运放中的电流源主要内容:本节主要定义了电流源电路并做了分类。基本要求：正确理解电流源的定义及种类。教学要点：1.镜象电流源(1).电路组成：镜象电流源是由三级管电流源演变而来的，如图1所示。（2）电流估算由于两管的VBE相同，所以它们的发射极电流和集电极电流均相等。电流源的输出电流，即T2的集电极电流为当1时当R和VCC确定后，基准电流IREF也就确定了，IC2也随之而定。由于Ic2≈IREF,我们把IREF看作是IC2的镜象，所以这种电流源称为镜象电流源。（3）提高镜象精度在图1中，当不够大时，IC2与IREF就存在一定的差别。为了减小镜象差别，在电路中接入BJTT3，称为带缓冲级的镜象电流源。如下图所示。该电路利用T3的电流放大作用，减小了IB对IREF的分流作用，从而提高了IC2与IREF镜象的精度。原镜象电流源电路中，对IREF的分流为2IB带缓冲级的镜象电流源电路中，对IREF的分流为2IB/β3,比原来小。2．微电流源镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。（1）电路组成为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻Re2，如图所示，便构成微电流源。（2）电流估算由电路可得所以可见，用阻值不大的Re2就可获得微小的工作电流。（3）多路电流源在模拟集成电路中，经常用到多路电流源。其目的是用一个电流源对多个负载进行偏置。典型的多路电流源如图所示。图中，T1、T2、T3的基极是并联在一起的。电路用一个基准电流IREF获得了多个电流。3．电流源用作有源负载由于电流源具有交流电阻大的特点（理想电流源的内阻为无穷大），所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。这种由有源器件及其电路构成的放大电路的负载称为有源负载。共发射极有源负载放大电路如图所示。T1是共射极组态的放大管，信号由基极输入、集电极输出。T2、T3和电阻R组成镜象电流源代替Rc，作为T1的集电极有源负载。电流IC2等于基准电流IREF。根据共射放大电路的电压增益可知，该电路电压增益表达式为其中ro是电流源的内阻，即从集电极看进去的交流等效电阻。而用电阻Rc作负载时，电压增益表达式为由于roRc所以有源负载大大提高了放大电路的电压增益。4.2差分式放大电路主要内容:本节主要定义了差分式放大电路并引入了各类定义。基本要求：熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。教学要点：4.2.1差模信号和共模信号的概念1.概念差分式放大电路是一个双口网络，每个端口有两个端子，可以输入两个信号，输出两个信号。其端口结构示意图如图1所示。注意：普通放大电路也可以看成是一个双口网络，但每个端口都有一个端子接地。因此，只能输入一个信号，输出一个信号。当差分放大电路的两个输入端子接入的输入信号分别为vi1和vi2时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号。即差模信号共模信号根据以上两式可以得到可以看出，两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分。2.两种信号的特点差模分量：大小相等，相位相反共模分量：大小相等，相位相同3.增益差模电压增益共模电压增益总输出电压其中，表示由差模信号产生的输出4.共模抑制比共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移能力的重要指标。4.2.2基本差分式放大电路1.电路组成及特点组成：由两个共射级电路组成。特点：电路对称，射级电阻共用，或射级直接接电流源（大的电阻和电流源的作用是一样的）有两个输入端有两个输出端2．工作方式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3．工作原理(1)静态分析这是因为在静态时，Vi=0即Vi短路静态时Vc1=Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。即输入为0时，输出也为0。（2）动态分析当电路的两个输入端各加入一个大小相等极性相反的差模信号时，vi1=vi2=vid/2一管电流将增加，另一管电流减小，输出电压为：vo=vc1-vc2≠0即差模信号输入时，两管之间有差模信号输出。4．抑制零点漂移的原理（1）零点漂移如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。对于差分电路，当输入端信号为0（短路）时，输出应为0。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离0电位。这种现象称为零点漂移。（2）零漂产生的主要原因a)温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流IC的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。b)电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。无论是温度变化还是电源波动，都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。（3）差动放大电路对零漂的抑制a)双端输出时----靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。温度变化两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同的变化在电路完全对称的情况下，双端输出（两集电极间）的电压可以始终保持为零（或静态值）抑制了零点漂移b）单端输出时由于电路中Re的存在，将对电路产生如下影响：以上过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。由于Re的存在，使Ic得到了稳定，所以在双端输出的情况下，两管的输出会稳定在0（静态）值。抑制了零点漂移。Re越大，抑制零漂的作用越强。即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。但由于Re上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更强。5．差模输入时主要技术指标的计算（1）双端输入双端输出交流通路和差模等效电路注意：（a）差模输入时，vi1=-vi2=vid/2,当一管电流ic1增加时，另一管的电流ic2必然减小。由于电路对称，ic1的增加量必然等于ic2的减少量。所以流过恒流源（或Re）的电流不变，ve=0.故如图所示的交流通路中Re为0（短路）。（b）差模输入时，vi1=-vi2=vid/2,每一管上的电压仅为总的输入电压vid的1/2。故虽然电路由两管组成，但总的电压放大倍数仅与单管的相同。即Av=-BRc/rbe(c)如果在输出端接有负载电阻RL,由于负载两端的电位变化量相等，变化方向相反，故负载的中点处于交流地电位。因此，如图所示的交流通路中每一管的负载为RL/2。此时，总的电压放大倍数与单管的相同。即Av=-BRL’/rbe.(d)由于双端输入，故输入电阻为两管输入电阻的串联，即Rid=2rbe(e)由于双端输出，故输出电阻为两管输出电阻的串联，即Ro=2Rc动态指标计算结果如下：（2）双端输入单端输出电路和差模等效电路注意：（a）由于单端输出时负载上输出的只是一个管子的变化量，而输入情况与双端输出时完全一样。故放大倍数是双端输出的一半。(b)单端输出时，输出电阻是一个管子的输出电阻。故输出电阻为双端输出的一半。动态指标计算结果：（3）单端输入应用：有时要求放大电路的输入端有一端接地，就要使用这种放大器单端输入时的交流通路如上图所示。注意：（1）图中的ro很大（Re或者电流源的等效电阻），满足rore(发射结电阻)，故ro可视为开路。（2）Ro开路后，可认为Vi均分在两管的输入回路上。即每管的输入电压为Vi/2.（3）于是，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。各指标也近似相同。双入双出时的差模指标：结论：（1）电压放大倍数Av和输出电阻Ro只与输出端的方式有关；单端输出时为双端输出的一半；（2）输入电阻Ri只与输入端的方式有关；单端输入时为双端输入的一半；6．共模输入时技术指标及共模抑制比（1）双端输出交流通路如图共模电压增益：双端输出时的共模电压增益是指电路的双端输出电压与共模输入电压之比。在电路完全对称的情况下，vo1=vo2,vo=vo1-vo2=0共模增益为输入电阻共模情况下，两输入端是并联的，因此（2）单端输出单端输出时的共模等效电路如图所示。它等效于一个射级电阻为2ro的共射放大电路。共模增益为：一般情况下，2rorbe,β1,则有（3）共模抑制比共摸抑制比的定义共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即或（dB）电路的共摸抑制比KCMR显示电路对零漂的抑制能力的大小。因此希望KCMR越大越好。双端输出时，电路完全对称的理想情况下，由于共模增益Aoc=0，所以KCMR=。单端输出时，若用电流源替换Re，则共模抑制比为差分式放大电路几种接法的性能指标比较4.2.3差分式放大电路的传输特性传输特性就是放大电路输出信号（电流或电压）随输入信号变化的函数关系。它可以用BJT的be结值电压vBE与发射极电流IE的基本关系求出。由PN结的伏安特性可知（1）（2）又因为（3）（4）由以上各式可解得（5）（6）由式（5）、（6）做出iC1、iC2与vid的传输特性曲线如图2中实线所示。传输特性的讨论：从传输特性曲线可以看出：1．当vid=vi1-vi2=0时，ic1+ic2=Io,ic1=ic2=Io/2,即ic1/Io=ic2/Io=0.5电路工作在曲线的Q点，处于静态.2.当vid在0--±VT的范围内，vid增加时，ic1增加，ic2减小。且ic1、ic2与vid呈线性关系。电路工作在放大区。如图中用竖虚线所示的区域。3．当vid≧4VT即超过±100mV时，曲趋于平坦。当vid增大时，T1管趋于饱和，T2管趋于截止。Ic1-ic2几乎不变。这时电路工作在特性曲线的非线性区。差动放大电路呈现良好的限幅特性。4．在两管的发射极上分别串接电阻R1=R2=Re，可以扩大传输特性的线性范围。如图中虚线所示。4.3简单的集成电路运算放大器主要内容:本节主要介绍了集成电路运算放大器。基本要求：了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。教学要点：1．集成电路运算放大器的组成集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等2．简单的运算放大器简单运算放大器的原理电路如图所示。（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放