模电第六章集成运算放大电路.ppt

引言引言 集成放大电路的特点集成放大电路的特点把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路构成特定功能的电子电路，称为集成电路(ICIntegrated Circuits)。它的体积小，而性它的体积小，而性能却很好。能却很好。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数数和数模模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。模拟集成电路等。模拟集成电路是本章的主干内容。它是集成模拟集成电路是本章的主干内容。它是集成电路设计与制造工艺不断发展的成果。电路设计与制造工艺不断发展的成果。本章首先讨论模拟集成电路中普遍使用的直本章首先讨论模拟集成电路中普遍使用的直流偏置技术，流偏置技术，即用集成工艺制造的即用集成工艺制造的BJT或或FET的各种电流源。的各种电流源。电流源除可为电路电流源除可为电路提供稳定的直流偏置外，还可作放大电路的提供稳定的直流偏置外，还可作放大电路的有源负载以获得高增益。有源负载以获得高增益。其次，模拟集成电路的另一组成单元是用其次，模拟集成电路的另一组成单元是用BJT和和FET组成的差分式放大电路，将重点讨组成的差分式放大电路，将重点讨论其工作原理和主要技术指标的计算。论其工作原理和主要技术指标的计算。接着分析两种集成运放的实际电路，介绍接着分析两种集成运放的实际电路，介绍集成运放的技术参数。随后，对变跨导模集成运放的技术参数。随后，对变跨导模拟乘法器及其应用也作简要的讨论。最后，拟乘法器及其应用也作简要的讨论。最后，对放大电路中的噪声和干扰的来源及其抑对放大电路中的噪声和干扰的来源及其抑制措施作简要的介绍。制措施作简要的介绍。集成放大电路的特点集成放大电路的特点1 1、电路结构与元件参数具有、电路结构与元件参数具有对称性对称性2 2、用、用有源器件有源器件代替无源器件代替无源器件3 3、采用、采用复合复合结构的电路结构的电路4 4、采用、采用直接耦合直接耦合方式方式5 5、二极管由、二极管由三极管三极管构成构成主要的单元电路主要的单元电路：1.1.电流源电流源 2.2.差分放大电路差分放大电路61.1 BJT61.1 BJT电流源电路电流源电路作用：向各个放大级提供合适的偏置电流。作用：向各个放大级提供合适的偏置电流。1、镜像电流源、镜像电流源RVVIEECCREF+BBBIII=21b b122CREFCIII-=BREFCCIIII212-=)21/(2b b+=REFCIIREFCII 21，则，则若若b bIREFIC1RT1T2IB2IB1iC2=IO=IC2=IREF+VCC2IBVBE1=VBE2镜像电流源镜像电流源VEE(忽略忽略VBE)常将常将IC2看作看作IREF的的镜像，镜像，称此电称此电路图为路图为镜像电镜像电流源流源镜像电流源电路图镜像电流源电路图a a及代表符号及代表符号b b受受R值限制，仅值限制，仅为为mA数量级数量级电流源输电流源输出特性的出特性的电流在一电流在一定范围内定范围内是恒定的，是恒定的，其斜率的其斜率的倒数为动倒数为动态输出电态输出电阻，即阻，即镜像电流源输出特性镜像电流源输出特性2、微电流源、微电流源e2Ce2EBEBERIRIVV2221=-很小很小21BEBEBEVVV-=很小很小Re22BECVI RT1T2IREFIC1IB1IB2IC2+VCC2IBVBE1VBE2微电流源微电流源Re2VEE即用阻值不大的即用阻值不大的Re2即可获得微即可获得微小的工作电流，小的工作电流，称为微电流源。称为微电流源。T2工作在输入特工作在输入特性的弯曲部分。性的弯曲部分。T2输出电阻输出电阻也较大也较大3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源这是镜像电流源的这是镜像电流源的另一种改进电路。另一种改进电路。电路图如右，电路电路图如右，电路的基准电流为的基准电流为根据根据BJT的结构知的结构知识可知识可知A1和和A3分别是分别是T1和和T3的相对结面积的相对结面积电流源作电流源作T3射极电阻，射极电阻，rO很大，见很大，见P1374 4 组合电流源组合电流源在多级集成电路放大器中，在多级集成电路放大器中，往往使用一个基准电流以往往使用一个基准电流以获得多个电流源。图获得多个电流源。图6.1.4示出了一个典型的例子。示出了一个典型的例子。通过通过R1的电流的电流IREF 就是四就是四个电流源的基准电流。个电流源的基准电流。T1和和T2、T4和和T5构成镜像构成镜像电流源。而电流源。而T1和和T3、T4和和T6则构成了微电流源。在则构成了微电流源。在工程实际中，形象地将上工程实际中，形象地将上部一组电路叫做电流源，部一组电路叫做电流源，而下部一组电路叫做电流而下部一组电路叫做电流阱。阱。用途：用途：1.电流源电流源具有直流电阻小，交流电阻大的具有直流电阻小，交流电阻大的特点；特点；作有源负载作有源负载共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：对对于于此此电电路路Rc就就是是镜镜像电流源的交流电阻，像电流源的交流电阻，因此增益为因此增益为比用电阻比用电阻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例：图中电路为例：图中电路为F007F007偏置偏置电路的一部分，电路的一部分，V VCCCC=V=VEEEE=15V=15V，所有的三极管所有的三极管U UBEBE=0.7V=0.7V，其中其中NPNNPN三极管的三极管的22，横向横向PNPPNP三极管的三极管的=2=2，电阻电阻R R5 5=39k=39k。估算基准电流估算基准电流I IREFREF；分析电路中各三极管组分析电路中各三极管组 成何种电流源；成何种电流源；估算估算T T1313的集电极电流的集电极电流 I IC13C13；2.用作用作偏置电路偏置电路若要求若要求I IC10C10=28=28 A A，试估算电阻试估算电阻R R4 4的阻值。的阻值。+VCC-VEER5R4T13T12T10T11IREFIC10IC13解：解：IREF=VCC+VEE-2VBER5IC13=IREF（1-）b+b+224C10CCTRIIIU1011ln R4=CTIC10IIUC1011lnT T1010、T T1111构成微电流源，构成微电流源，T T1212、T T1313构成构成镜像电流源镜像电流源+VCC-VEER5R4T13T12T10T11IREFIC10IC13图图6.1.5 MOSFET镜像电流源镜像电流源电路如图电路如图6.1.5a所示，所示，T1、T2是是N沟道增强型沟道增强型MOSFET对对管，该电路管，该电路的结构与图的结构与图6.1.1a所示的所示的BJT镜像电镜像电流源类似。流源类似。6.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源基本电路基本电路1.MOSFET镜像电流源镜像电流源电路如图电路如图6.1.5a所示，所示，由于由于T1的漏、栅两极的漏、栅两极相连，只要相连，只要VDD VT，它必然运行于饱和它必然运行于饱和区。假设两管的特性区。假设两管的特性全同，输出电压全同，输出电压vO足足够大以至够大以至T2处于饱和处于饱和区，区，相同的相同的VGS，则，则输出电流输出电流Io将与基准电将与基准电流流IREF近似相等，即近似相等，即当器件具有不同的宽长比时，借助宽长比当器件具有不同的宽长比时，借助宽长比这一参数可以近似地描述两器件电流之间这一参数可以近似地描述两器件电流之间关系，即关系，即相同条件下，如相同条件下，如=0，电流与宽电流与宽长比成比例长比成比例如果用如果用T3代替代替R,便可得到如图便可得到如图6.1.5b所示的常所示的常用镜像电流源，因用镜像电流源，因T1T3特性相同，且工作在特性相同，且工作在放大区，当放大区，当MOSFET的的=0时，输出电流为时，输出电流为图图6.1.5 MOSFET镜像电流源镜像电流源常用电路常用电路 2MOSFET多路电流源多路电流源 电路如图电路如图6.1.6所示，所示，它是它是6.1.5b所所示镜像电流源电路的扩展。基准电流示镜像电流源电路的扩展。基准电流IREF由由T0和和T1以及正、负电源确定，根据以及正、负电源确定，根据前述各管漏极电流近似地与其宽长比前述各管漏极电流近似地与其宽长比(WL)成比例的关系，则有成比例的关系，则有其中其中3JFET电流源电流源 如将如将N沟道结型沟道结型场效应管场效应管(JFET)的的栅极直接与源极相栅极直接与源极相连，便可得到简单连，便可得到简单的电流源，如图的电流源，如图6.1.7a所示，其输所示，其输出特性就是出特性就是JFET自自身的输出特性，如身的输出特性，如图图6.1.7b所示。图所示。图中标出了可用范围，中标出了可用范围，即从即从VDS=VP 到到击穿电压击穿电压VBR。电。电流源的动态输出电流源的动态输出电阻等于输出特性的阻等于输出特性的斜率的倒数。斜率的倒数。VGS=06.2 6.2 差分式放大电路差分式放大电路 差分式放大电路在性能方面有许多优点，差分式放大电路在性能方面有许多优点，是模拟集成电路的又一重要组成单元。本节先是模拟集成电路的又一重要组成单元。本节先介绍差分式放大电路的一般结构，然后讨论介绍差分式放大电路的一般结构，然后讨论BJT差分式放大电路和差分式放大电路和FET差分式放大电路差分式放大电路.6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路用三端器件组成的差分式放大电路图图6.2.1是用两个特性相同的三端器件是用两个特性相同的三端器件(含含BJT、FET)T1、T2所组成的差分式放大电路，电流所组成的差分式放大电路，电流源源IO 具有恒流特性，并带有高阻值的动态输出具有恒流特性，并带有高阻值的动态输出电阻电阻(图中略图中略)，因而，因而电路具有稳定的直流偏置电路具有稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的能力和很强的抑制共模信号的能力。图图6.2.1是用是用两个特性相同两个特性相同的三端器件的三端器件(含含BJT、FET)T1、T2所组成的差分所组成的差分式放大电路，式放大电路，下端公共接点下端公共接点e处连接一电处连接一电流源流源IO。两器。两器件的输入端件的输入端I1、I2分别接输分别接输入信号电压，入信号电压，两输出端两输出端O1、O2.2差模信号和共模信号的概念差模信号和共模信号的概念 什么叫差模和共模信号什么叫差模和共模信号?这是应当首这是应当首先建立的重要概念。先建立的重要概念。输入电压输入电压vi1和和vi2之差称为之差称为差模电压差模电压，用，用下式来定义：下式来定义：同理，两输入电压同理，两输入电压vi1和和vi2的算术平均值的算术平均值称为称为共模电压共模电压，定义为，定义为用差模和共模电压表示两输入电压时为用差模和共模电压表示两输入电压时为由上面二式可知，两输入端的共模信号由上面二式可知，两输入端的共模信号vic的的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的差模电压差模电压+vid/2和和-vid/2的大小相等而极性的大小相等而极性则是相反的。则是相反的。类似地，对于两管的差模输出电压和类似地，对于两管的差模输出电压和共模输出电压可由下两式来表达：共模输出电压可由下两式来表达：式中单管的输出电压分别为式中单管的输出电压分别为:；差模电差模电压增益压增益共模电共模电压增益压增益对线性放大电路而言对线性放大电路而言6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路 1基本电路基本电路 在图在图6.2.1中，如选用两只特性全同的中，如选用两只特性全同的BJT T1 和和 T2，则可得如图则可得如图6.2.2所示射所示射极耦合差分式放大电路。极耦合差分式放大电路。图图 6.2.2射射极耦合差分极耦合差分式放大电路。式放大电路。2.工作原理工作原理（1）静态分析）静态分析图图 6.2.2 射射极耦合差分极耦合差分式放大电路。式放大电路。（2）动态分析）动态分析动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。大小相等，大小相等，信号被放大。这种输入方式称为差模输入。信号被放大。这种输入方式称为差模输入。相位相反。相位相反。图图 6.2.2射射极耦合差分极耦合差分式放大电路。式放大电路。输入信号仅为共模信号输入信号仅为共模信号vic在在差分式放大电路中，温度变化或电源电压差分式放大电路中，温度变化或电源电压波动等波动等都会都会引起引起两管集电极电流（电压）有两管集电极电流（电压）有相同的变化。其效果相当于在两个输入端加相同的变化。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号入了共模信号vic,两输出端输出的共模电压相两输出端输出的共模电压相同。因此双端输出时的输出电压同。因此双端输出时的输出电压vo=0.输入信号为差模信号输入信号为差模信号vid与共模信号与共模信号vic,的叠加的叠加 v22idicivv-=21idicivvv+=当输入信号电压当输入信号电压时时,输出电压为输出电压为在双端输出时在双端输出时即双端输出差放电路只放大差模信号，而抑即双端输出差放电路只放大差模信号，而抑制了共模信号。制了共模信号。根据这一原理，差分式放大电路可以根据这一原理，差分式放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。性能的影响。由于这个缘故，差分式放大电路常用由于这个缘故，差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级，它来作为多级直接耦合放大器的输入级，它对共模信号有很强的抑制能力，以改善整对共模信号有很强的抑制能力，以改善整个电路的性能。个电路的性能。3主要技术指标的计算主要技术指标的计算 (1)差模电压增益差模电压增益双端输入、双端输出的差模电压增益。双端输入、双端输出的差模电压增益。在图在图6.2.2所示的电路中，若输入为差模方所示的电路中，若输入为差模方式，即式，即则因一管的电流增加，另一管的电流减小，则因一管的电流增加，另一管的电流减小，在电路完全对称的条件下，在电路完全对称的条件下，ic1的增加量等于的增加量等于ic2的减少量，所以流过电流源的电流的减少量，所以流过电流源的电流IO不变，不变，ve=0，故交流通路如图，故交流通路如图6.2.3a所示。所示。图图 6.2.2射射极耦合差分极耦合差分式放大电路。式放大电路。图图6.2.3(a)交流通路交流通路图图6.2.3（a)交流通路交流通路图图6.2.3（b)半边等效电路半边等效电路当从两管集电极作双端输出，未接当从两管集电极作双端输出，未接RL时其差时其差模电压增益与单管共射放大电路的电压增益模电压增益与单管共射放大电路的电压增益相同，即相同，即接接RL时其差模电压增益为时其差模电压增益为其中其中 综上分析可知，在电路完全对称、双端综上分析可知，在电路完全对称、双端输入、双端输出的情况下，图输入、双端输出的情况下，图6.2.2的电路与的电路与单边电路的电压增益相等。可见该电路是用单边电路的电压增益相等。可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制共模信号的能力。成倍的元器件以换取抑制共模信号的能力。双端输入、单端输出的差模电压增益双端输入、单端输出的差模电压增益 如输出电压取自其中一管的集电极如输出电压取自其中一管的集电极(vo1或或vo2)，则称为单端输出，此时由于只取出一管的则称为单端输出，此时由于只取出一管的集电极电压变化量，当集电极电压变化量，当RL=时，电压增益只时，电压增益只有双端输出时的一半，因此，当分别从有双端输出时的一半，因此，当分别从T1或或T2的集电极输出时，则有的集电极输出时，则有这种接法常用于将双端输入信号转换为单这种接法常用于将双端输入信号转换为单端输出信号，集成运放的中间级有时端输出信号，集成运放的中间级有时就采用这样的接法。就采用这样的接法。单端输入的差模电压增益单端输入的差模电压增益在实际系统中，在实际系统中，有时要求放大电有时要求放大电路的输入电路有路的输入电路有一端接地。这种一端接地。这种输入方式称为单输入方式称为单端输入端输入(或不对称或不对称输入输入)。电路如图。电路如图6.2.4,实际电流源实际电流源的动态输出电阻，的动态输出电阻，一般很大，可认一般很大，可认为为ro支路相当于开支路相当于开路，输入信号电路，输入信号电压近似地均分在压近似地均分在两管的输入回路两管的输入回路上上.等效于双端输入等效于双端输入电路工作电路工作状态与状态与6.2.3图相图相同，其指同，其指标计算与标计算与双端输入双端输入电路相同。电路相同。(2)共模电压增益共模电压增益双端输出的共模电压增益双端输出的共模电压增益交流通路如图交流通路如图6.2.5a所示。所示。因两管对称因两管对称图图6.2.5a即对每管而言，即对每管而言，相当于射极接相当于射极接了了2 ro的电阻。的电阻。图图6.2.5b为共为共模输入半边小模输入半边小信号等效电路。信号等效电路。共模信号共模信号的输入使两管的输入使两管集电极电压有集电极电压有相同的变化。相同的变化。图图6.2.5b共模共模输入半边小信输入半边小信号等效电路号等效电路其双端输出的其双端输出的共模电压增益共模电压增益为为实际上，要达到电路完全对称是不可能的，实际上，要达到电路完全对称是不可能的，但即使这样，这种电路抑制共模信号的能但即使这样，这种电路抑制共模信号的能力还是很强的。共模信号即对两边输入相力还是很强的。共模信号即对两边输入相同或接近相同的干扰信号，因此，共模电同或接近相同的干扰信号，因此，共模电压增益越小，说明放大电路的性能越好。压增益越小，说明放大电路的性能越好。单端输出的共模电压增益单端输出的共模电压增益 ro越大越大，抑制共模信号（零漂）能力越强。抑制共模信号（零漂）能力越强。即两个集电极任一端共模输出电压与即两个集电极任一端共模输出电压与共模信号电压之比：共模信号电压之比：图图6.2.5b共模输入半边小共模输入半边小信号等效电路信号等效电路(3)共模抑制比共模抑制比KCMR定义定义:放大电路差模信号的电压增益与共模信放大电路差模信号的电压增益与共模信号的电压增益之比的绝对值，即号的电压增益之比的绝对值，即双端输出，理想情况双端输出，理想情况单端输出单端输出抑制共模信号（零漂）能力抑制共模信号（零漂）能力 越强越强则单端输出时的总输出电压则单端输出时的总输出电压由由且单端输出时且单端输出时（4）频率响应）频率响应对对双双入入双双出出，高高频频响响应应与与共共射射电电路路相相同同，因因采采用用直直接耦合方式，故低频响应极好。接耦合方式，故低频响应极好。单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压由上式可知，在设计放大电路时，必须至少使共模抑由上式可知，在设计放大电路时，必须至少使共模抑制比大于共模信号与差模信号之比，例如，设制比大于共模信号与差模信号之比，例如，设KCMR 1000，vic 1 mV，vid 1 V，则上式中的第二项与则上式中的第二项与第一项相等，这就是说，差模信号和共模信号所得到第一项相等，这就是说，差模信号和共模信号所得到的输出电压相等。显然，如果将的输出电压相等。显然，如果将 KCMR值增至值增至10000，则式中的第二项只有第一项的十分之一，再一次说明则式中的第二项只有第一项的十分之一，再一次说明共模抑制比愈高，抑制共模信号的能力愈强。共模抑制比愈高，抑制共模信号的能力愈强。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双端双端输入输入单端单端输入输入这里设不这里设不接负载接负载RL接接RL则则RC变为变为4.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（思考题思考题思考题思考题）双端双端输入输入单端单端输入输入(4)当输出接一当输出接一12k 负载负载时的电压增益时的电压增益.解：解：求求:例(1)静态静态(2)电压增益电压增益vB20为什么？为什么？(3)(4)RL(1)电路的静态工作点；电路的静态工作点；(2)双端输入、双端输出的差双端输入、双端输出的差模电压增益模电压增益AVd、差模输入电阻差模输入电阻Rid输出电阻输出电阻RO；(3)当电流源的当电流源的rO=83 k时，单端输出时时，单端输出时AVd1、AVC1和和KCMR1的值；的值；(4)当电流源当电流源IO不变，差模输入电压不变，差模输入电压Vid=0,共模输人电压共模输人电压ViC=5V或或5 V时的时的VCE值各为多少值各为多少?解：解：(1)静态工作点及静态工作点及rbe 由于由于IO=1mA，差分对管的集电极电流和电压分差分对管的集电极电流和电压分别为别为ic2ic1图图6.2.2因因所以所以ic2ic1(2)双端输入、双端输出时的双端输入、双端输出时的AVd，Rid和和RO(3)单端输出时单端输出时ic2ic1图图6.2.2(4)ViC=5V或或5 V时的时的VCE值各为多少值各为多少?ic2ic1图图6.2.2当当可得可得当当可得可得 由上分析可知，当共模由上分析可知，当共模电压电压ViC变化时，电流源变化时，电流源IO和和IC1、IC2不变，但不变，但VCE变了，变了，这意味工作点变了，当这意味工作点变了，当ViC=5 V时，时，T1、T2进入进入饱和饱和区区，这说明对输入的共模，这说明对输入的共模电压要限制在一定的范围电压要限制在一定的范围内，才保证内，才保证T1和和T2工作在工作在线性放大区。线性放大区。ic2ic1图图6.2.2 4带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路(1)电路组成电路组成(双入双入单出差分式放大电路）单出差分式放大电路）电路如图电路如图6.2.6所示，所示，T1、T2对对管是差分管是差分放大管，放大管，对管对管3,4组组成镜像电成镜像电流源作为流源作为T1、T2的的有源负载，有源负载，5,6对管电对管电流源为电流源为电路提供稳路提供稳定的静态定的静态电流。电流。(2)工作原理工作原理静态时，静态时，电路的电电路的电流源电流流源电流故该电路又称故该电路又称比例电流源电路比例电流源电路。差分电路的。差分电路的静态偏置电流为静态偏置电流为IC1=IC2IC3=IC4=IC5/2=IO/2，此时的输出此时的输出电流电流io IC4 IC2 0，没有信号电流输出。，没有信号电流输出。当加入信号电压时，当加入信号电压时，T1电流增加、电流增加、T2电流减小，电流减小，即即iC1=iC2,流入电流源的电流不变流入电流源的电流不变,ve0，故交故交流通路如图流通路如图6.2.7a所示，图中画出的电流为信号电所示，图中画出的电流为信号电流，所以输出电流流，所以输出电流io iC4 iC2 iC1（iC1）2 iC1。由图可见，带有源负载差分放大电路的。由图可见，带有源负载差分放大电路的输出电流是基本单端输出差放的两倍。输出电流是基本单端输出差放的两倍。图图6.2.7(3)电压增益电压增益 由图由图6.2.7a，在负载开路时可画出差在负载开路时可画出差模信号的半边电路模信号的半边电路T4、T2的小信号等效的小信号等效电路如图电路如图6.2.7b所示，所示，图图6.2.7由图由图6.2.7a,b可知可知按照按照KCL有有由此可得单端输出电压增益由此可得单端输出电压增益前已得到基本差分电路双端输出的电压增益为前已得到基本差分电路双端输出的电压增益为而对带有源负载的射极耦合差分式放大电路有而对带有源负载的射极耦合差分式放大电路有可见，单端输出的电压增益接近于双端输出可见，单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益，该电路的输出电阻的电压增益，该电路的输出电阻 rce2/rce4差模输入电阻差模输入电阻Rid2 rbe共模输入电阻共模输入电阻RiC 1/2 rbe 2（1）ro5ro5很大，故共模增益很小，可忽略。很大，故共模增益很小，可忽略。6.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路前面所讨论前面所讨论的射极耦合的射极耦合差分式放大差分式放大电路对共模电路对共模输入信号有输入信号有相当强的抑相当强的抑制能力，但制能力，但它的它的差模输差模输入阻抗很低入阻抗很低。因此，在高因此，在高输入阻抗模输入阻抗模拟集成电路拟集成电路中，常采用中，常采用输入电阻高、输入电阻高、输入偏置电输入偏置电流很小的源流很小的源极耦合差分极耦合差分式放大电路。式放大电路。图图6.2.8带有源负载的带有源负载的源极耦合源极耦合CMOS差分式放大电路差分式放大电路(1)工作原理工作原理 在偏置电路中，在偏置电路中，T5、T6和和T7各管的栅极均各管的栅极均与漏极相连，电路的与漏极相连，电路的基准电流基准电流IREF=IS5=ID6=ID7=IO T1与与T2，T3与与T4，T7与与T8特性全同。当特性全同。当接入输入信号电压接入输入信号电压,两输出端两输出端d1和和d2之间之间有信号电压输出。有信号电压输出。双端输入双端输入双端输双端输出差模电压增益出差模电压增益Avd设输出信号电压分别为设输出信号电压分别为式中式中分别为分别为T1和和T3的互导和动态漏源电阻。的互导和动态漏源电阻。双端输入双端输入单端输出单端输出(d2端输出端输出)的差模电压增益的差模电压增益为为Avd2Avd(1/2)，而书上的分析是错误的。，而书上的分析是错误的。图图6.2.8放大电路放大电路图图6.2.8电路的交流通路电路的交流通路T2T4漏极结点的漏极结点的小信号等效电小信号等效电路路T2T4漏极结点的漏极结点的小信号等效电小信号等效电路路如上图所示，当输出端不接负载时，输出端如上图所示，当输出端不接负载时，输出端d2的电压为的电压为T2T4漏极结点的漏极结点的小信号等效电小信号等效电路路如上图所示，当输出端不接负载时，输出端如上图所示，当输出端不接负载时，输出端d2的电压为的电压为于是双端输入于是双端输入单端输出单端输出(d2端输出端输出)的差模电压增益的差模电压增益Avd2为为由上式看出，带有源负载差分放大电路由上式看出，带有源负载差分放大电路T2单端单端输出的电压增益和双端输出的电压增益相同。输出的电压增益和双端输出的电压增益相同。整个分析就是整个分析就是id4=id1的错误导致的的错误导致的。带有源负载的带有源负载的CMOS差分式放大电路不仅差分式放大电路不仅输入电阻很高，同时输入电阻很高，同时NMOSFET放大管以放大管以PMOSFET为负载管，因负载管具有较大为负载管，因负载管具有较大的交流等效电阻，从而能得到较高的电压的交流等效电阻，从而能得到较高的电压增益。但应指出的是增益。但应指出的是MOSFET与与BJT相比，相比，在相同偏流在相同偏流ID=IC的条件下，的条件下，BJT的互导和的互导和输出电阻比输出电阻比MOSFET大很多，故大很多，故BJT组成组成的放大电路有更高的电压增益，因此利用的放大电路有更高的电压增益，因此利用两种器件各自的优点，将两种器件串级连两种器件各自的优点，将两种器件串级连接组成接组成BiCMOS差分式放大电路差分式放大电路(读者可读者可参阅有关文献参阅有关文献)广泛用于模拟集成电路广泛用于模拟集成电路中。中。2.JFET差分式放大电路差分式放大电路 JFET差分放大电路如图差分放大电路如图6.2.10所示。所示。JFET差分式放大电路的电路结构、工作原理和差分式放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与分析方法与BJT基本差分式放大电路基本相同，基本差分式放大电路基本相同，并具有相同的电路特点，只不过是用并具有相同的电路特点，只不过是用JFET的小的小信号等效电路来分析计算而已。信号等效电路来分析计算而已。双端输入双端输入双双端输出的电压增益为端输出的电压增益为而双端输入而双端输入单端输出的电压增益为单端输出的电压增益为由由JFET构成的差分式放大电路构成的差分式放大电路的输入电阻可达的输入电阻可达1012 ，输入偏输入偏置电流约为置电流约为100 pA数量级；数量级；而而MOSFET差分式放大电路的输差分式放大电路的输入电阻则可达入电阻则可达1015 ，而输入偏而输入偏置电流在置电流在10 pA以下。以下。A1vivo103A2vivo105答：答：两个放大电路是否都可以放大两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？的信号？end增加了增加了Re电压增益电压增益输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.2 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.002 mVA1不可以，不可以，A2可以可以 1.若在基本差分式放大电路中增若在基本差分式放大电路中增加两个电阻加两个电阻Re（如图所示）。则动如图所示）。则动态指标将有何变化？态指标将有何变化？答：双端输出差模增益双端输出差模增益差模输入电阻差模输入电阻单端输出共模增益单端输出共模增益共模输入电阻共模输入电阻增加了增加了Re增加了增加了Re 2.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？有！有！6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 前面讨论了差分式放大电路在小信号前面讨论了差分式放大电路在小信号线性工作状态下的放大作用。而当大线性工作状态下的放大作用。而当大信号工作时，差分式放大电路的放大作信号工作时，差分式放大电路的放大作用有什么变化呢用有什么变化呢?这就需要知道差分式这就需要知道差分式放大电路的传输特性曲线。放大电路的传输特性曲线。差放的传输差放的传输特性曲线就是放大电路输出差模信号随特性曲线就是放大电路输出差模信号随输入差模信号变化的曲线输入差模信号变化的曲线.了解传输特性对正确分析、设计电路都是有帮了解传输特性对正确分析、设计电路都是有帮助的。下面以图助的。下面以图6.2.2所示电路为例进行讨论。所示电路为例进行讨论。ic2ic1图图6.2.2结论：结论：（1）双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管）双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的放大倍数相同；单端输出时，约为双放大电路的放大倍数相同；单端输出时，约为双端输出的一半。端输出的一半。（2）双端输出时的输出电阻为单端输出时的两倍。）双端输出时的输出电阻为单端输出时的两倍。（3）双端输出时的共模抑制比高于单端输出的共模）双端输出时的共模抑制比高于单端输出的共模抑制比。抑制比。（4）单端输出时可选择不同的三极管输出，以便得）单端输出时可选择不同的三极管输出，以便得到与输入电压同相或反相的输出电压。到与输入电压同相或反相的输出电压。（5）各种接法的输入电阻基本相等。）各种接法的输入电阻基本相等。集成运算放大器是一种高性能的多级直集成运算放大器是一种高性能的多级直接耦合放大电路，从第接耦合放大电路，从第2.1节的介绍中知道它节的介绍中知道它的主要组成单元有的主要组成单元有差分输入级差分输入级、电压放大级电压放大级和负载能力强的输出级。和负载能力强的输出级。此外，还有为各级此外，还有为各级提供合适提供合适静态工作电流的偏置电路和一些辅静态工作电流的偏置电路和一些辅助环节，助环节，如电平移动电路、过载保护电路以如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。及高频补偿环节等。6.4集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成运放按制造工艺分有集成运放按制造工艺分有BJT、CMOS和和兼容型的兼容型的BiFET型。型。BJT型运放一般输人型运放一般输人偏置电流及器件功耗较大，它的输出级可偏置电流及器件功耗较大，它的输出级可提供较大的负载电流；提供较大的负载电流；CMOS型运放输入型运放输入电阻高、功耗低，可在低电源电压下工作；电阻高、功耗低，可在低电源电压下工作；BiFET兼容型运放一般以兼容型运放一般以FET作为输入级，作为输入级，它具有高输入电阻、高精度和低噪声的特它具有高输入电阻、高精度和低噪声的特点。点。本节只要求定性了解内部电路结构和原本节只要求定性了解内部电路结构和原理分析，重点在了解性能和选用。理分析，重点在了解性能和选用。6.4.1 CMOS MCl4573集成电路运算放大器集成电路运算放大器1电路结构和工作电路结构和工作原理原理T1和和T2组成源极耦组成源极耦合差放输入级，而合差放输入级，而T3和和T4作作T1、T2的的有源负载。有源负载。T5和和T6构成镜像电流源为构成镜像电流源为差放输入级提供直差放输入级提供直流偏置，其基准电流偏置，其基准电流可通过外接电阻流可通过外接电阻RREF来确定。来确定。输出级由输出级由T7组成共组成共源放大电路，源放大电路，T8为为T7提供偏置电流，提供偏置电流，并作为有源负载。并作为有源负载。CC为内部补偿电容为内部补偿电容其作用是保证系统其作用是保证系统的稳定性。的稳定性。2电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算 (1)直流分析直流分析 在图在图6.4.1中，设中，设T5、T6的参数相同，则基准电流的参数相同，则基准电流IREF和输入级偏置电流和输入级偏置电流因因d1接接T3和和T4的栅极，此式成立的栅极，此式成立6.4.2 BJTLM741集成运算放大器集成运算放大器 本节介绍一种通用型集成运算放大器本节介绍一种通用型集成运算放大器741作为作为BJT模拟集成电路的典型例子，其原理模拟集成电路的典型例子，其原理电路如图电路如图6.4.2所示。电路的组成：所示。电路的组成：6.4.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器1.集成运放内部组成框图集成运放内部组成框图 BJTLM741集成运算放大器集成运算放大器其原理电路如图其原理电路如图6.4.2所示。电路的组成：所示。电路的组成：24个个BJT、10个电阻和个电阻和1个电容组成。个电容组成。1，偏置电路，偏置电路采用采用3个电流源电路个电流源电路:T8T9;（微源（微源T10T11）;T12T13;2，输入级：，输入级：T1T6组成的差分式放大电路，其组成的差分式放大电路，其中中T1-T3,T2-T4组成共集共基复合差分电路，组成共集共基复合差分电路，T5T6为有源负载。为有源负载。3，中间电压放大级：，中间电压放大级：T16,T17组成共集共射组成共集共射4，输出级：，输出级：T14T20组成的互补对称电路。组成的互补对称电路。6.3.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器BA集成运放集成运放741741实质上是一个具有高放大倍数的多级直实质上是一个具有高放大倍数的多级直 接耦合放大电路。接耦合放大电路。组成：组成：输入级、输入级、中间级、中间级、输出级、输出级、偏置电路偏置电路差分放差分放大电路大电路共射放共射放大电路大电路互补对称射互补对称射极极 输输 出出 器器恒流源恒流源电电 路路基基本本差差放放长长尾尾差差放放恒恒流流源源差差放放有有源源负负载载复复合合管管镜镜像像电电流流源源比比例例电电流流源源微微电电流流源源互互补补对对称称电电路路准准互互补补对对称称电电路路保保护护电电路路6.5 集成电路运算放大器的主要参数1.输入失调电压输入失调电压VIO在室温及标准电源电在室温及标准电源电压下，输入电压为零压下，输入电压为零时，为了使集成运放时，为了使集成运放3.输入失调电流输入失调电流IIO：（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO/T的输出电压为零，在输入端加