模拟集成电路

6.1 电 流 源6.2 差 分 式 放 大 电 路6.3 集 成 电 路 运 算 放 大 器6.4 集 成 电 路 运 算 放 大 器 的 主 要 参 数6 集 成 电 路 运 算 放 大 器6.0 概 述 概 述一 、 集 成 电 路 (integrated circuit)： 在 半 导 体 制 造 工 艺 基 础 上 ， 把 整 个 电路 中 的 器 件 （ 电 阻 、 电 容 、 三 极 管 等 ） 制造 在 一 块 Si 基 片 上 ， 并 引 出 相 应 的 引 线 ，构 成 特 定 功 能 的 电 子 电 路 。如 ： 运 放 、 各 种 芯 片 等 。 集 成 电 路 的 工 艺 特 点 ：（ 5） 不 能 制 造 电 感 ， 如 需 电 感 ， 也 只 能 外 接 。 （ 4） 只 能 制 作 几 十 pF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 。（ 3） 不 易 制 造 大 电 阻 。 需 要 大 电 阻 时 ， 往 往 使 用 有源 负 载 如 晶 体 管 。 （ 2） 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 。 （ 1） 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 。 6.1集 成 电 路 运 放 中 的 电 流 源一、镜像电流源二、微电流源三、多路电流源四、电流源作用 问 题 ： 集 成 电 路 中 不 易 制 造 大 电 阻 ！ ！ ！ 6.1集 成 电 路 运 放 中 的 电 流 源静 态 工 作 点 由 Vcc及 若 干 电 阻 提 供 和 稳 定Q点 （ IB、 IC、 和 VCE）解 决 ： 利 用 三 极 管 、 场 效 应 管 做 恒 流 源 。 6.1集 成 电 路 运 放 中 的 电 流 源利 用 恒 流 源 提 供 静 态 工 作 点 。 要 求 ： 提 供 恒 定 电 流 IO， 且 有 大 的 交 流 电 阻其 两 端 电 压 变 化 时 ， IO保 持 恒 定 。+Io ro v_-ro 6.1集 成 电 路 运 放 中 的 电 流 源 一 、 电 路 组 成6.1.1.1 镜 像 电 流 源 （ P258）T0 和 T1 特 性 完 全 相 同 。在 电 流 源 电 路 中 充 分 利 用 集 成 运 放 中 晶 体 管 性 能 的 一 致 性 。 二 、 恒 流 特 性BE1BE2 =VV REFREFREF 22 IIII B E1E2 =IIC1C2 =II RVV= BECC RVCC当 较 大 (2)时 ： 6.1.1.1 镜 像 电 流 源 （ P258）结 论 ： 无 论 R c值 如 何 , IC2电 流 值 保 持 不 变 （ 前 提 ： 电 源 要 稳 定 ） 三 、 镜 像 电 流 源 特 点3. 电 流 最 低 至 mA级 。1 内 阻 ro一 般 在 几 百 千 欧 以 上2. 电 流 受 电 源 波 动 影 响 大 ；4. 具 有 温 度 补 偿 特 性 。C0C1= II RVCC 如 何 得 到 更 小 的 Ic1电 流 如 uA级 ？ 如 何 克 服 Ic1受 电 源 波 动 影 响 ？思 考 ： e2 BE2BE1R VV E1C1 II e2BERV由 于 很 小 ，BEV 所 以 IC2也 很 小一 、 电 路 特 点 二 、 工 作 原 理 （ Re2 K级 ）2 受 电 源 波 动 影 响 小 ；3 IC2 uA级 ；优 点 ： 1 内 阻 ro一 般 在 几 百 千 欧 以 上6.1.1.2微 电 流 源 （ P259）4. 具 有 温 度 补 偿 特 性 。 Re2 T1、 T2、 T3的 基 极 并 联 。电 路 用 一 个 基 准 电 流 IREF获 得 了 多 个 电 流 输 出 。 6.1.1.3多 路 电 流 源 ：1REFE1C1 e eR RIII 2REFE2C2 e eR RIII 3REFE3C3 e eR RIII 6.1.1.4 电 流 源 作 用提 供 直 流 偏 置作 为 有 源 负 载 6.1.1.4 电 流 源 作 用提 供 直 流 偏 置 6.1.1.4 电 流 源 作 用作 为 有 源 负 载 哪 只 管 子 为 放 大 管 ？ 其 集 电 结 静 态 电 流 约 为 多 少 ？ 举 例 ： P282 集 成 运 放 电 路 内 部 结 构 微 电 流 源 直 流 偏 置 镜 像 电 流 源 有 源 负 载 电 流 源 直 流 偏 置 直 接 耦 合 放 大 电 路 零 点 漂 移 电 路 组 成 及 工 作 原 理 抑 制 零 点 漂 移 原 理 6.2.0 概 述 6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路 差 分 式 放 大 电 路 中 的 一 般 概 念 主 要 指 标 计 算 几 种 方 式 指 标 比 较6.2 差 分 式 放 大 电 路 1. 直 接 耦 合 放 大 电 路6.2.0 概 述 各 级 Q互 相 影 响 ，设 计 调 试 不 便 ，有 严 重 漂 移 问 题 。 2.直 接 耦 合 放 大 电 路 零 点 漂 移 现 象 及 其 产 生 的 原 因 输 入 短 路 时 ， 输 出 仍 有 缓 慢 变 化 的电 压 产 生 。 uI 0， uO0的 现 象 。 温 度 变 化 ， 直 流 电 源 波 动 ， 元 器 件 老 化 。 其 中晶 体 管 的 特 性 对 温 度 敏 感 是 主 要 原 因 ， 故 也 称 零 漂 为 温 漂 。 引 入 直 流 负 反 馈 ， 温 度 补 偿 。 典 型 电 路 ： 差 分 放 大 电 路零 点 漂 移 现 象 ：产 生 原 因 ：克 服 温 漂 的 方 法 ： 若 第 一 级 漂 了 100 uV，则 输 出 漂 移 1 V。若 第 二 级 也 漂 了 100 uV，则 输 出 漂 移 10 mV。假 设 。 1= 100,= V3V2 AA3. 减 小 零 漂 的 措 施F 用 非 线 性 元 件 进 行 温 度 补 偿F 调 制 解 调 方 式 。 如 “ 斩 波 稳 零 放 大 器 ”F 采 用 差 分 式 放 大 电 路漂 了 100 uV漂 移 10 mV+100 uV 漂 移 1 V+ 10 mV漂 移 1 V+ 10 mV 100,=V1A6.2.0 概 述 10000= V3V2V1V AAAA 4. 差 分 式 放 大 电 路 中 的 一 般 概 念 差 分 式 放 大 电 路 输 入 输 出 结 构 示 意 图+-vi1 +-vi2 +-vo1差 放 vo2+-+-vid +-vodi2i1id = vvv 差 模 信 号)(21= i2i1ic vvv 共 模 信 号 idodVD = vvA 差 模 电 压 增 益icocVC = vvA 共 模 电 压 增 益 差 模 信 号 输 出共 模 信 号 输 出 6.2.0 概 述 两 个 输 入 信 号 的 差 值两 个 输 入 信 号 的 算 术 平 均 值根 据 以 上 两 式 可 以 得 到2= idici1 vvv 2= idici2 vvv 共 模 抑 制 比 反 映 抑 制 零 漂 能 力 的 指 标总 输 出 电 压 icVCidVD vAvA ocodo = vvv VCVDCMR = AAK 差 分 式 放 大 电 路 输 入 输 出 结 构 示 意 图+-vi1 +-vi2 +-vo1差 放 vo2+-+-vid +-vod6.2.0 概 述 零 点 漂 移 零 输 入零 输 出 理 想 对 称1. 差 分 放 大 电 路 的 组 成 信 号 特 点 ？能 否 放 大 ？共 模 信 号 ： 大 小 相 等 ， 极 性 相 同 。差 模 信 号 ： 大 小 相 等 ， 极 性 相 反 .信 号 特 点 ？ 能 否 放 大 ？6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路 双 端 输 入 两 输 入 端 同 时 加 信 号单 端 输 入 一 输 入 端 对 地 加 信 号 双 端 输 出 从 C1 和 C2输 出 。单 端 输 出 从 C1或 C2 对 地 输 出 。6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路 C1 C2 根 据 输 入 、 输 出 方 式 不 同 ，可 分 为 四 种 工 作 方 式 :双 端 输 入 、 双 端 输 出 ； 双 端 输 入 、 单 端 输 出 ； 单 端 输 入 、 单 端 输 出 ； 单 端 输 入 、 双 端 输 出 ； 差 放 一 般 有 两 个 输 入 端 ： 差 放 可 以 有 两 个 输 出 端 : 6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路2. 工 作 原 理 以 双 端 输 入 、 双 端 输 出 为 例静 态 分 析 ( vi1=vi2 =0) 0CC2C1 21= IIII CE2CE1 =VV CCV )7.0(CCCC RIV CCRI EVCB1B1 III 0= C2C1O VVV c1 c2ic2ic12 . 动 态 分 析 ： (1) 差 模 输 入 ：vi1iC1vC1v C1 vC2vi2vC2iC2 vo = vC1 vC2 = 2vC1 结 论 1： 差 分 式 放大 电 路 对 差 模 信号 有 放 大 能 力 。21 /vv idi 差 模 信 号 ： 数 值 相 等 ， 极 性 相 反的 输 入 信 号 ， 即 vC1=-vC222 /vv idi （ 2） 共 模 输 入 ：vi1iC1 v C2vC1 vi2iC2vC1 vC2 c1 c2 ic2ic1v o = vC1 vC2= 0 结 论 2： 差 分 式 放大 电 路 对 共 模 信号 有 抑 制 能 力 。共 模 信 号 ： 数 值 相 等 、 极 性 相 同 的输 入 信 号 ， 即 2 . 动 态 分 析 ： cvvv i2i1i vC1=vC2 3. 差 放 抑 制 零 漂 温 度 变 化 和 电 源 电 压波 动 ， 都 将 使 T1和 T2集 电极 电 流 变 化 ， 变 化 量 相 同 ，且 变 化 趋 势 相 同 。 差 分 式 放 大 电 路 对 共模 信 号 有 很 强 抑 制 作 用 。 其 效 果 相 当 于 在 两 输 入端 加 入 了 共 模 信 号 。6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路差 分 式 放 大 电 路 有 抑 制 零 漂 能 力 。 4、 主 要 技 术 指 标 计 算 (P265)idici1 v21v=v idici2 v21v=v 差 模 电 压 增 益差 模 输 入 电 阻单 (双 )出 输 出 电 阻 共 模 电 压 增 益共 模 输 入 电 阻单 (双 )出 输 出 电 阻c1 c2ic2ic1icVCidVD vAvA ocodo = vvv idoVD = VVA 双 端 输 入 ， 差 模 信 号 为 ：v i1= -vi2 = vid /2交 流 通 路 : 1. 差 模 电 压 增 益 (1) 双 入 双 出 AVD(P265)idoVD = VVA o1 2i1 2= oiV VV V o1 1 i1 12= 2 oiV VV V becV1 rR= A （ 单 边 电 路 增 益 ）有 负 载 RL 时 ： beLVD rR= A L / 2/C LR R R 负 载 开 路 时 ：=LR1. 差 模 电 压 增 益 v i1= -vi2 = vid /2 o o2 LVD2 id i2 beV V RA =V - 22V r (2) 双 入 单 出 AVD ：oVD1 id= VA V 2i1 o1= iVV V 22= 1i1o1 vAVV LbeR= 2r )R/RR( LCL 1. 差 模 电 压 增 益 v i1= -vi2 = vid /2 icoVC = VVA 双 端 输 入 ， 共 模 信 号 为 ：vi 1=vi 2 =vi c交 流 通 路 : 等 效 变 换 电 路 ：2.共 模 电 压 增 益 c1 c2 (1) 双 入 双 出 AVCvi 1=vi 2 =vi C T1、 T2电 路 对 称vO1=vO 2vO=vO1-vO2 =0 icoVC = VVA =0 结 论 ： 双 入 双 出 时 差 放 抑 制 共 模信 号 （ 零 漂 ） 能 力 最 强 ！ 2.共 模 电 压 增 益 (2) 双 入 单 出 AVC vi 1=vi 2 =vi c vO= vO1i1o1= VV LCb R/RI -=VV O1O obeb r21rI =Vi1 o 1VC ic 1 /= 1 2o C Li be oV V R RA V V r r icoVC =A VV结 论 ： 双 入 单 出 时 差 放 抑 制 零 漂 能 力 相 对 较 弱 ！ 2.共 模 电 压 增 益 3.单 端 输 入 差 分 式 放 大 电 路 ：结 果 自 行 分 析 P266结 论 ： 单 端 输 入 时 效 果与 双 端 输 入 相 同 。 6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路 (1)差 模 电 压 放 大 倍 数 与 单 端 输 入 还 是 双 端 输 入 无 关 ， 只 与 输 出 方 式 有 关 ： 双 端 输 出 时 ： beLcd )2/( rR RRA bv 单 端 输 出 时 ： beLcd 2 /rR RRA bv (2)共 模 电 压 放 大 倍 数 与 单 端 输 入 还 是 双 端 输 入 无 关 ， 只 与 输 出 方 式 有 关 ： 双 端 输 出 时 ： 单 端 输 出 时 ： 0vcA eLc 2 RRAv （ 3） 共 模 抑 制 比 ： 反 映 放 大 电 路 抑 制 共 模 信 号 的 能 力VCVDCMR AAK dB lg20 VCVDCMR AAK 双 端 输 出 ， 理 想 情 况 CMRK单 端 输 出 CMRK VC1VD1AA be or r 越 大 ， CMRK 抑 制 零 漂 能 力 越 强 6.2.1 基 本 差 分 式 放 大 电 路 本 章 小 结 1直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的主要参数的物理意义，才能在使用中恰当地选择元器件。 4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。5集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，应掌握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。