模拟电子技术基础第15讲恒流源和差分放大电路.ppt

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1、6.1 集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器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集成电路运算放大器的主要参数小结小结作业作业学习指导学习指导概述概述 6.5 专用型集成电路运算放大器专用型集成电路运算放大器学习指导 在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的在半导体制造工艺的基础上，将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，称为电路，称为集成电路。集成电路。其体积小，而性能却很好。其体积小，而性能却很好。集成电路按其功能分，有集成电

2、路按其功能分，有模拟集成电路模拟集成电路和和数字数字集成电路集成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中。模拟集成电路的种类繁多，其中集成运集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。主要内容主要内容:(1)(1)集成运放中的电流源集成运放中的电流源;(2);(2)差分式放大差分式放大电路电路;(3);(3)集成运放及主要参数。集成运放及主要参数。基本要求基本要求:(1)(1)正确理解镜像电流源、微电流源的工正确理解镜像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途；作原理、特点和主要用途；(2)(2)重点掌握差分放大电重点掌握差分放大电路的工作原理和

3、各项指标的计算；路的工作原理和各项指标的计算；(3)(3)正确理解运放正确理解运放的基本组成和工作原理。的基本组成和工作原理。学习目标：学习目标：1.1.了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。的作用。2.2.正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零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，以及零漂指标的定义方法。漂）产生的原因，以及零漂指标的定义方法。3.3.熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。增益和共模抑制比的基本概念。4.4.熟练掌握差分放大电

4、路的组成、工作原理以及抑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。制零点漂移的原理。5.5.熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出与输入之间的相位关系。的计算，以及输出与输入之间的相位关系。6.6.了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。7.7.了解集成运放主要参数的定义，以及它们对运放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。性能的影响。概述概述 集成电路组件集成电路组件 将有源器件、无源器件电阻电容及电路连线等都集中在将有源器件、无源器件电阻电容及电路连线

5、等都集中在一块半导体基片上，并封装在一个外壳内便形成一个完整的一块半导体基片上，并封装在一个外壳内便形成一个完整的电路和系统。电路和系统。集成元器件的特点集成元器件的特点 1.电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性 电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，容易制成特性相同的管子。容易制成特性相同的管子。通常同一块基片上相邻的元件具有通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差，它们的比值误差较小，匹配性好，对称性也好，同相偏差，它们的比值误差较小，匹配性好，对称性也好，因因此集成电路中大量采用比值电路和对称电路。此

6、集成电路中大量采用比值电路和对称电路。2.三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件，二，二极管大多由三极管的发射结构成。极管大多由三极管的发射结构成。3.用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件。(1)电阻元件电阻元件由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，其范围几十其范围几十 -20k；高阻值的电阻多用三极管等有源元件代替；高阻值的电阻多用三极管等有源元件代替或外接。或外接。(2)电容元件电容元件一般由一般由PN结的结电容或结的结电容或MOS管电容来制管电容来制作，一般的容量小于作

7、，一般的容量小于200PF。不易制造大电容和电感元件，故集。不易制造大电容和电感元件，故集成电路中常采用成电路中常采用直接耦合方式直接耦合方式。集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。1、要放大缓慢变、要放大缓慢变化的信号化的信号 2、便于集成、便于集成运放的基本单元电路运放的基本单元电路 1、电流源、电流源 2、差分式放大电路、差分式放大电路6.1 集成电路运算放大器中的恒流源集成电路运算放大器中的恒流源 镜像电流源镜像电流源 多路电流源多路电

8、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，广泛地使用电流源，为放大电路提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载。1.镜像电流源镜像电流源电路组成电路组成 T1、T2的的参参数数完完全全相同，即相同，即-参考电流参考电流-输出电流输出电流当当1.镜像电流源镜像电流源恒流特性恒流特性 无无论论Rc的的值值如如何何，IC2的的电电流流值值将将保保持持不不变变。把把IC2看看作作是是IREF的镜像，故称为镜像电流源。的镜像，故称为镜像电流源。当当 不够大时，二者就存在一定的差别，故引入不够大时，二者就存在一定的差别，故引入T0。精度更高的镜像电流源精度更高的镜像电

9、流源所以所以1.镜像电流源镜像电流源交流电阻交流电阻 由由于于T2的的集集电电极极电电流流基基本不变。所以交流量本不变。所以交流量 一般一般Ro在几百千欧以上在几百千欧以上优点：优点：（1）从结构上来看，）从结构上来看，T1对对T2有有温度补偿作用，温度补偿作用，IC2的温度稳定性的温度稳定性较好；（较好；（2）可以得到较大的工）可以得到较大的工作电流（作电流（mA级）。级）。要想减小要想减小IC2，就要增大，就要增大R，不利于集成，所以引入微电流源。不利于集成，所以引入微电流源。缺点：缺点：2.微电流源微电流源由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小也很小数千数千欧欧故称为微电流源故称为微电

10、流源3.多路电流源多路电流源当当IREF确定后，改变各电流源的射极电确定后，改变各电流源的射极电阻，可以获得不同比例的输出电流。阻，可以获得不同比例的输出电流。4.电流源作有源负载电流源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就就是是镜镜像像电流源的交流电阻，电流源的交流电阻，因此增益为因此增益为 表表明明集集电电极极动动态态电电流流几几乎乎全全部部流流向向负负载载电电阻阻，即即用用电电流流源源取取代共射极电路的集电极电阻代共射极电路的集电极电阻RC。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6.2 差分式放大电路差分式放大电

11、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 长尾差分式放大电路长尾差分式放大电路 组合差放组合差放 概述概述 差分式放大电路差分式放大电路 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 恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路 共模负反馈差放共模负反馈差放6.2.0 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：#为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放

12、大器都要采用直接耦合方式？耦合方式？耦合方式？耦合方式？外因：温度变化（外因：温度变化（温漂）温漂）；电源电压的波动；电源电压的波动输输入入短短路路时时，输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。温温度度每每升升高高1度度时时，输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折折算算到输入端的等效输入漂移电压值。到输入端的等效输入漂移电压值。（1）阻容耦合方式适用于）阻容耦合方式适用于（20Hz200KHz）的交流信号，但）的交流信号，但在实际应用中，待放大的信号频率在实际应用中，待放大的信号频率可能低于可能低于20Hz，或者是变化比较缓，或者是变化比较缓慢的，此时耦合电容的容抗会增

13、加，慢的，此时耦合电容的容抗会增加，增大了信号的衰减，阻碍了信号的增大了信号的衰减，阻碍了信号的传输；传输；（2）在集成电路中制造电容比较困难，在集成电路中制造电容比较困难，比如制造一个比如制造一个10pF的电容，所占用的电容，所占用的硅片面积是制造的硅片面积是制造10个三极管所占个三极管所占用的硅片面积，不利于集成。用的硅片面积，不利于集成。内因：直接耦合和内因：直接耦合和BJT是温度敏感器件是温度敏感器件例如例如若第一级漂了若第一级漂了10 mV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第一级没有漂移，若第一级没有漂移，第二级漂了第二级漂了10 mV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设第一

14、级是关键第一级是关键3.减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式调制解调方式 采用差分式放大电路采用差分式放大电路 100 uV漂移漂移 10 mV 漂移漂移 1 V 1 V漂移漂移 10 mV漂移漂移 10 mV 差分电路的组成差分电路的组成 由两个结构完全对称的由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极共射电路组成，通过射极公共电阻公共电阻Ree耦合构成。耦合构成。1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb6.2.1 差分式放大电路差分式放大

15、电路一、长尾差分式放大电路一、长尾差分式放大电路 差分电路的输入输出方式差分电路的输入输出方式输入方式输入方式Ui单端输入单端输入双端输入双端输入Ui1Ui2UoUoUo输出方式输出方式单端输出单端输出双端输出双端输出 差模信号和共模信号差模信号和共模信号+-+差模信号差模信号 一对大小相等，极性一对大小相等，极性相反的信号，用相反的信号，用Uid1、Uid2表示，表示，Uid1=-Uid2共模信号共模信号+-一对大小相等，极性相同的信号，用一对大小相等，极性相同的信号，用Uic1、Uic2表示，表示，Uic1=Uic2+-差分电路的分析差分电路的分析1.静态分析静态分析2IeQ 由于电路结构

16、对称，由于电路结构对称，管子特性一致。管子特性一致。IBQ1=IBQ2=IBQICQ1=ICQ2=ICQUC1=UC2=UCUo 差分电路的分析差分电路的分析2.动态分析动态分析+-+-Uid1=-Uid2即相当于输入一对差模信号即相当于输入一对差模信号Ie1Ie2Ib1=-Ib2 Ie1=-Ie2 Uc1=-Uc2流过流过Ree上的交流总电流：上的交流总电流：Ie=Ie1+Ie2=0Ree上交流压降为上交流压降为0。因此，画交流通路时，因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。可视为短路，即两管的发射极直接接地。由由Uc1=-Uc2可知可知RL两端电位一端为正，一端为负，

17、两端电位一端为正，一端为负，RL的中的中点应是地电位，点应是地电位，即每管对地的负载电阻为即每管对地的负载电阻为RL/2.(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析RbRcUid1Uo工作原理工作原理2.动态分析动态分析(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析T1RbRcUid2T2RL=Rc/(RL/2)rid=2(Rb+rbe)Uidrod 2 Rc与单管增与单管增益相同益相同 差分电路的分析差分电路的分析Uid1=-Uid2双端输入双端输入双端输出双端输出rid=2(Rb+rbe)rod 2 Rc双端输入双端输入单端输出单端输出是单管增益的一半是单管增益的一半r

18、id=2(Rb+rbe)rod Rc2.动态分析动态分析(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析 差分电路的分析差分电路的分析工作原理工作原理(2)对共模信号的抑制作用分析对共模信号的抑制作用分析Iec1Iec2Uic1=Uic2=UicIbc1=Ibc2 Iec1=Iec2流过流过Ree上的电流：上的电流：Iec=Iec1+Iec2=2 Iec1Ree上的电压：上的电压：URee=Iec1 2Ree画交流通路时，单管射极电阻应为画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。RcT12ReeIec1Uoc1Uic1Rb单端输出电压增益：单端输出电压增益：2.动态分析动态分析 差分电路的

19、分析差分电路的分析(1+)2ReeRb+rbe工作原理工作原理UocRcUic1T1Rb2ReeIec1Uoc1RcUic2T2Rb2ReeIec2Uoc2 对于对于Uic来说，两个输入端并联，来说，两个输入端并联，因此差放双端共模输入电阻为：因此差放双端共模输入电阻为：差放的特点：输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。(2)对共模信号的抑制对共模信号的抑制作用分析作用分析2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路的分析共模抑制比共模抑制比CMRR衡衡量差放的一个重要指标。量差放的一个重要指标。或或双端输出双端输出单端输出单端输出（3）对任意信号的分析方法）对任意信号的分析方法Ui

20、1=Uic+Uid/2Ui2=Uic-Uid/2Uic=Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid=(Ui1-Ui2)Uid1=-Uid2=Uid/2对于两个任意信号对于两个任意信号Ui1、Ui2，分析时可将它们，分析时可将它们分解成一对共分解成一对共模信号和一对差模信号模信号和一对差模信号，然后分别由差模和共模增益来求。，然后分别由差模和共模增益来求。例例：Ui1=10mV Ui2=8mVUic=(Ui1+Ui2)/2=9mVUid=(Ui1-Ui2)=2mVUi1=Uic1+Uid1=(9+1)mVUi2=Uic2+Uid2=(9-1)mV2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路

21、的分析二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路 为了提高共模抑制比应加大为了提高共模抑制比应加大Ree。但。但Ree加大后加大后，为保证工作点不变，为保证工作点不变，必须必须提高负电源提高负电源，这是很不经济的。，这是很不经济的。同时同时集成电路难以制造大电阻集成电路难以制造大电阻，为，为此可用恒流源来代替此可用恒流源来代替Ree。恒流源动态电阻大恒流源动态电阻大，可提高共模，可提高共模抑制比。恒流源可抑制比。恒流源可提供一个稳定的提供一个稳定的偏流偏流，同时恒流源的管压降只有几，同时恒流源的管压降只有几伏，可伏，可不必提高负电源不必提高负电源。电路电路1 恒定电流恒定电流Ube+I3R3

22、=2UD+I2R2由于由于IB3很小很小I1I2 有源负载有源负载提供大动态电阻提供大动态电阻用恒流源输出等效高阻代替实体用恒流源输出等效高阻代替实体电阻电阻，称该电阻为有源负载。，称该电阻为有源负载。二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路若若Ube=UD则则I3R3=UD+I2R2又又R1=R21.电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态静态 电路电路2二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路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。信号被放大。相位相反。相位相反。2.主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益）差模电压增益接入负载时接入负载时 双入、单出双入、单出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 双入、双出双入、双出接入负载时接入负载时单端输入单端输入等效于双端输入等效于双端输入（2）共模电压增益）共模电压增益 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以共模增益共模增益 单端输出单端输出抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强3.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3.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作业作业、