模拟电子技术基础第六新

1Fundamental of Electronic TechnologyCTGU2*了解运算放大器中的电流源了解运算放大器中的电流源*掌握差分放大电路的分析和计算掌握差分放大电路的分析和计算*了解集成电路运算放大器了解集成电路运算放大器的组成的组成3集成电路集成电路:将整个电路的各个元件以及他们之间的将整个电路的各个元件以及他们之间的连接做在同一个半导体基片上。连接做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；集成运放的特点集成运放的特点4集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。不器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。不能制造电感，如需电感，也只能外接。能制造电感，如需电感，也只能外接。（5）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三极管发射结构成。极管发射结构成。56.1 模拟集成电路中模拟集成电路中的直流偏置技术的直流偏置技术 镜像电流源镜像电流源 多路电流源多路电流源 电流源作有源负载电流源作有源负载 微电流源微电流源在模拟集成电路中广泛使用各种电流源，在模拟集成电路中广泛使用各种电流源，为各种放大电路提供稳定的偏置电流，或为各种放大电路提供稳定的偏置电流，或作有源负载。作有源负载。61 1、三极管基本电流源、三极管基本电流源 (a)(b)图图06.01 三极管电流源三极管电流源 分压式偏置电路对工作点具有稳定作用，也分压式偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对就是对I IO O有稳定作用，有稳定作用，I IO O大小与大小与R RC C无关无关，具有，具有恒恒流流特性，呈现一种电流源性质。特性，呈现一种电流源性质。电流源的内阻电流源的内阻越大恒流特性越越大恒流特性越好。好。理想电流源的理想电流源的内阻无穷大。内阻无穷大。72.镜像电流源镜像电流源该电路具有该电路具有恒流特性恒流特性：BE1BE2=VVREFI E1E2=IIC1C2=IIRVVBECC=RVCC 在图示镜像电流源电路中，在图示镜像电流源电路中，T1和和T2参数相同，且参数相同，且 很大。很大。无论无论Rc的值如何，的值如何，IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。82.镜像电流源镜像电流源交流电阻交流电阻TTo=IVR 由于由于T2的集电极电流的集电极电流基本不变。所以交流量基本不变。所以交流量0T I TTo=IVR一般一般Ro在几百千欧以上在几百千欧以上92.镜像电流源镜像电流源在镜像电流源电路中，当在镜像电流源电路中，当 不不是很大时，是很大时，IC2与与IREF就存在一就存在一定的差别。为弥补这一不足，定的差别。为弥补这一不足，在电路中接入三极管在电路中接入三极管T3。镜像电流源适用于较大的工作电流的场合（毫安数量级）镜像电流源适用于较大的工作电流的场合（毫安数量级）问题：问题：精度有限，误差与2IB（或（或）大小数值有关。10 精密镜象电流源精密镜象电流源精密镜象电流源电路如图精密镜象电流源电路如图06.0306.03所示。所示。由于有由于有T3存在，存在，IB3将比镜象电流源的将比镜象电流源的2IB小小3倍（倍（IB3 2IB/3）。因此。因此IC2和和IREF更加接近。更加接近。精度精度提高了提高了 倍倍 图图06.03 精密电流源精密电流源1113.微电流源微电流源e2BE2BE1RVV E2C2II e2BERV 在镜像电流源的在镜像电流源的T2管射极加一管射极加一小电阻值的小电阻值的Re2就构成了微电就构成了微电流源。流源。由于由于T1、T2两管的两管的VBE差值差值很小，因此只要一个较小阻很小，因此只要一个较小阻值的值的Re2就可获得很小的电就可获得很小的电流流IC2输出。输出。124.多路电流源（比例电流源）多路电流源（比例电流源）用一个基准电流来获得用一个基准电流来获得多个电流。多个电流。由图可得：由图可得：BREFIIICREFII C当当 较大时，有较大时，有各管的各管的、VBE相同，则有：相同，则有：3E32E21E1EeeeeREFeRIRIRIRIRI 故故1E1C1eeREFRRIII 2E2C2eeREFRRIII 当当IREF确定后，改变各电流源射极电阻，就可确定后，改变各电流源射极电阻，就可获得不同比例的输出电流。获得不同比例的输出电流。135.电流源作有源负载电流源作有源负载 ioV=VVA共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：beLc)/(rRR 对于此电路对于此电路Rc就是就是镜像电流源的交流电阻，镜像电流源的交流电阻，因此增益为因此增益为beCV=rRA比用电阻比用电阻Rc作负载时提高了。作负载时提高了。放大管放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源146.2 差分式放大电路差分式放大电路 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 6.2.0 概述概述 6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 6.2.2 FET差分式放大电路差分式放大电路 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较156.2.0 概述概述1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号2.直接耦合放大电路直接耦合放大电路的零点漂移的零点漂移零漂零漂：主要原因主要原因：温漂指标温漂指标：温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。输入短路时，输输入短路时，输出仍有缓慢变化出仍有缓慢变化 的电压产生。的电压产生。温度每升高温度每升高1度时，输出漂移电压度时，输出漂移电压按按电压增益电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动电源电压波动也是原因之一也是原因之一16例如例如 100,=V1A若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也若第二级也漂了漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设F 第一级是关键第一级是关键。1=100,=V3V2AA3.减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mV17共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标4.差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念根据根据1、2两式又有两式又有差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-voi2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号idoVD=vvA 差模电压增益差模电压增益icoVC=vvA 共模电压增益共模电压增益2=idici1vvv 2=idici2vvv 总输出电压总输出电压icVCidVDooo=vAvAvvv 差模等效输入方式差模等效输入方式差放差放+-vid差放差放+-vid(a)(b)共模等效输入方式共模等效输入方式差放差放+-vic差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出VCVDCMR=AAK2022-11-18图06.09共模信号和差模信号示意图 差模信号和共模信号 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，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。对共模信号不予放大。温度对三极管电流的影响相当于加入了共模温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。信号。差模信号差模信号 共模信号共模信号 是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相反相等，极性相反的信号。的信号。是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相同相等，极性相同的信号。的信号。2022-11-186.2 差分放大电路 1、问题的提出：缓慢变化的信号（例如：温度变化）如何放大？交流放大器行吗？为什么？解决的办法解决的办法：直接直接耦合耦合直流放大器直流放大器。新问题出现新问题出现：“零点飘移零点飘移”Q Q点的缓慢移动点的缓慢移动。解决的办法解决的办法：差分差分放大器。放大器。特点：特点：对称对称结构，相同的参数，结构，相同的参数，Q Q点的变化相同，点的变化相同，互相抵消互相抵消。基本基本差分差分放大器。放大器。问题问题：两边的漂移两边的漂移并不小，依赖对称并不小，依赖对称互相抵消。大范围互相抵消。大范围抵消难达到。抵消难达到。容抗问题！容抗问题！0212211CCoCCCCoVVVVIVICT20带公共电阻带公共电阻ReRe的差分放大器的差分放大器。思想：由分压式偏置电路思想：由分压式偏置电路。引入公共Re稳定工作点，减小飘移量，Q点变化范围小，容易互相抵消。带恒流源带恒流源的的差分放大器差分放大器。分析：分析：Re对差动信号的放大有什么影响？对差动信号的放大有什么影响？无影响！无影响！问题：问题：要稳定要稳定Q点，点，Re必须大，必须大，Re大则要求大则要求-Vee高，管子要求也高，高，管子要求也高，有时不现实。有时不现实。怎么办？怎么办？恒流源电流数值：恒流源电流数值：IE=(VZ-VBE3)/Re 为为定值，定值，Ic1=Ic2=IE/2电流被固定电流被固定。.21222111constiiiiiviivecccbicbi21图06.10双电源差分放大电路0=7.02=BECCEEEeEEcCCCCBCVVVVVVRIVRIVVIIeBEEEB2)1(=RVVI3、差分放大电路的静态计算(动画6-1)（1）直流等效电路）直流等效电路（2）Q点计算点计算22 图图06.11双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数Avd 双端输入差放电路如图双端输入差放电路如图06.1106.11所示。负载电阻接所示。负载电阻接在两集电极之间。在两集电极之间。vi 接在两输入端之间，也可看成接在两输入端之间，也可看成 vi/2各接在两输入端与地之间。各接在两输入端与地之间。besLc1011012121d)2/(22rRRRvvvvvvvvvvAiiiiooiov双端输入双端输出差模电压放大倍数双端输入双端输出差模电压放大倍数 以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力23besLcd2/rRRRAv双端输入单端输出差模电压放大倍数双端输入单端输出差模电压放大倍数 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。图图06.12双端输入单端输出双端输入单端输出24 单端输入双端输出差模电压放大倍数单端输入双端输出差模电压放大倍数 单端输入信号可以转单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过换为双端输入，其转换过程见图程见图06.13。右侧的。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的归算到发射极回路的值值(Rs+rbe)/(1+)Re，故故 Re 对对 Ie 分流极小，可忽分流极小，可忽略，于是有略，于是有besLcd)2/(rRRRAv 这种方式用于将单这种方式用于将单端信号转换成双端差分端信号转换成双端差分信号信号,可用于输出负载可用于输出负载不接地的情况。不接地的情况。图06.13 单端输入转换为 双端输入vi1=vi2 =vi/225besLcd2/rRRRAv单端输入单端输出单端输入单端输出 通过从通过从 T1 或或 T2 的集电极输出，可以得的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从系。从T1的基极输入信号，从的基极输入信号，从C1 输出，为反输出，为反相；从相；从C2 输出为同相。输出为同相。26(2)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻差模输入电阻Rid是基本放大电路是基本放大电路的两倍。的两倍。bes1id22rRIvIvRiiii(3)输出电阻 输出电阻在输出电阻在 单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，coRRco2RR27 5、共模状态动态计算 若输入信号极性，若输入信号极性，幅度都相同幅度都相同,则是则是纯共纯共模模信号。信号。温漂温漂信号属典型的共信号属典型的共模信号，它对差分放大模信号，它对差分放大电路中电路中Ic1和和Ic2的影响相同。的影响相同。图06.14共模差模信 号混合的情况221iiicvvv221iiidvvv 若极性相同，幅度若极性相同，幅度不等，则信号既包含共不等，则信号既包含共模、又包含差模分量，模、又包含差模分量，如图如图06.14所示。所示。28 计算共模放大倍数计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图的微变等效电路，如图 06.15 所示。其中所示。其中Re用用2Re等效，这与差模时不同。等效，这与差模时不同。Avc的大小，取决于差分电路的对称性，的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出双端输出时可以认为等于零。时可以认为等于零。eLebeLICOC1c22)1(=RRRrRvvAv(1)共模放大倍数Avc图06.15 共模微变等效电路29(2)(2)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重是差分放大器的一个重要指标。要指标。单端输出时为单端输出时为cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK，或beeeLbeLCMR2/2/rRRRrRK 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比输出时共模抑制比(动画6-2)30VDA4.几种方式指标比较几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出31idRicRoR4.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR32与共源电路相同与共源电路相同ido2VD2vvA 6.2.2 FET差分式放大电路差分式放大电路1.电路组成电路组成2.差模增益差模增益dm21Rg 3.差模输入电阻差模输入电阻g1idRR M 1图图6.2.1033 差分式放大电路如图所示。分差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：析下列输入和输出的相位关系：反相反相vC1与与vi1end同相同相vC2与与vi1同相同相vC1与与vi2反相反相vC2与与vi2反相反相vO与与vi1同相同相vO与与vi23.静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？346.3 6.3 运运 算算 放放 大大 器器 运算放大器是由运算放大器是由直接耦合直接耦合多级多级放大电路集成制造的高增益放大放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路品种，广泛应用于各种电子电路之中。之中。356.3.1方框图 集成运算放大器是一个高增益直接耦合集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。放大电路，它的方框图如图所示。图 06.16 运算放大器方框图36 6.3.2运算放大器的符号(1)(1)集成放大器的符号集成放大器的符号 按照国家标准符号如图按照国家标准符号如图06.17所示。所示。(a)(b)图06.17 模拟集成放大器的符号 (a)国家标准符号 (b)原符号输入输入+表示表示同相输入端同相输入端输入输入-表示表示反相输入端反相输入端376.4.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器38 1.输入级输入级使用高性能的差分放大电路，对共使用高性能的差分放大电路，对共模信号有很强的抑制力，采用双端输入双端输出模信号有很强的抑制力，采用双端输入双端输出的形式。的形式。4.偏置电流源偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。变化的偏置电流，以稳定工作点。3.互补输出级互补输出级由由PNP和和NPN两种极性的三极两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级中间放大级提供高的电压增益，以保证提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。路和带有源负载的高增益放大器。396.3.4 运算放大器的主要参数 运放的技术指标很多，根据运放本运放的技术指标很多，根据运放本身的特点可分成：身的特点可分成：（1）参数均比较适中的是）参数均比较适中的是通用型通用型运放；运放；（2）对某些指标有特殊要求的）对某些指标有特殊要求的特种特种运放。运放。40 1.输入失调电压输入失调电压Vio ：(input offset voltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。2.输入失调电流输入失调电流 Iio：(input offset current)在在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IB：(input bias current)运放运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。放大对管输入电流的大小。4.输入失调电压温漂 dVio/dT5.输入失调电流温漂dIio/dT 41 6.最大差模输入电压Vidmax 7.最大共模输入电压Vicmax 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。压的变化量与输入电压的变化量之比。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：(input resistance)输入差输入差模信号时，运放的输入电阻。模信号时，运放的输入电阻。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益增益 Avd 与共模电压增益与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数之比，常用分贝数来表示。来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)42 12.单位增益带宽单位增益带宽 f c(BWG)(unit gain band width)Avd 下降到下降到1时所对应的频率，定义时所对应的频率，定义为单位增益带宽为单位增益带宽 f c。11.3dB带宽带宽 f H：(-3dB band width)运算运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H。13.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)(slew rate)反映运反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率速率SR的表达式为。的表达式为。14.等效输入噪声电压等效输入噪声电压Vn(noise voltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。43运算放大器外形图运算放大器外形图44运算放大器外形图运算放大器外形图456.3.5 理想运算放大器（1）.差模电压放大倍数差模电压放大倍数Avd=，实际上，实际上Avd80dB即可。即可。1 1、理想运算放大器的条件、理想运算放大器的条件（2）.差模输入电阻差模输入电阻Rid=，实际上，实际上Rid比输入比输入端外电路的电阻大端外电路的电阻大23个量级即可。个量级即可。（3）.输出电阻输出电阻Ro=0，实际上，实际上Ro比输入端外比输入端外电路的电阻小电路的电阻小12个量级即可。个量级即可。（4）.带宽足够宽。带宽足够宽。（5）.共模抑制比足够大。共模抑制比足够大。46 理想运放具有理想运放具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”特性，这对分特性，这对分析析线性运用线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环运放必须在闭环(负反馈）下工作。负反馈）下工作。2.理想运算放大器的特性 (1)(1)虚短虚短 运放开环电压放大倍数都在运放开环电压放大倍数都在8080 dBdB以上。而运放的输以上。而运放的输出电压是有限的，一般在出电压是有限的，一般在1010 V14 V。因此运放的差。因此运放的差模输入电压不足模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，两输入端近似等电位，相当于相当于“短路短路”。这一特性称为这一特性称为虚短虚短。显然。显然不能不能将两输入端真正短路。将两输入端真正短路。VV47 (2)(2)虚断虚断 运放的差模输入电阻很大，一般大于运放的差模输入电阻很大，一般大于1 1 M。故流入运放输入端的电流往往不故流入运放输入端的电流往往不足足1 A，远小于外电路的电流。所以运放，远小于外电路的电流。所以运放的两输入端可视为开路：的两输入端可视为开路：“虚断虚断”。这。这一特性简称为一特性简称为虚断虚断。显然。显然不能不能将两输入端将两输入端真正断路。真正断路。0 II