差分式放大电路剖析.ppt

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1、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 6.5 专用集成电路运算放大器专用集成电路运算放大器绪论绪论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集成电路集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个在半导体制造工艺的基础上，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。能的电子电路。绪论绪论模拟集成电路，数字集成电路。模拟集成电路，数字集成电路。模拟集成电路模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、运算放大器、

2、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电压集成电路等。稳压电压集成电路等。集成电路的基片集成电路的基片一般是由一块约一般是由一块约0.2-0.25mm的的P型硅片制成。型硅片制成。二.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：1.电路结构与元件参数具有对称性；同一硅片，相同工艺元件特性相同。2.大电阻不易集成；硅半导体的体电阻阻值范围不大（几十欧到几十K欧）,误差大（10%到20%)；尽量少用电阻,常用有源器件代替无源器件。3.采用复合结构的电路采用复合结构的电路电路中多采用复合管、共射-共基、共集-共基等组合

3、电路。4.级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容直接）大电容不易集成。PN结电容几十皮法以下。5.电路中常使用二极管电路中常使用二极管二极管多用作温度补偿元件，常用BJT的发射结构成。6.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器中的恒流源器中的恒流源 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 概述概述1.概述概述实现恒流源的基本思想实现恒流源的基本思想 IC恒定恒定 IB恒定恒定 VBE恒定恒定1.概述概述负载为负载为RC，缺点：缺点：1.受电源波动影响大；受电源波动影响大；2.电阻过多电阻过多2.镜像电流源镜像电流源恒流特性恒流特性无论无论R

4、c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。温度补偿特性：温度补偿特性：VBE T IC IB IC IREF IB 2.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本不变。所以交流量基本不变。所以交流量 一般一般Ro在几百千欧以上在几百千欧以上电流源具有直流电阻小而交流电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点。电阻很大的特点。精度更高的镜像电流源精度更高的镜像电流源（不够大时）不够大时）由由于于增增加加了了T3，使使IC2更更加接近加接近IREF（如何证明）如何证明）缺点：缺点：1.受电源波动影响大；受电源波动影响大；2.电流最低至电流

5、最低至mA级。级。IC2=IC1=IREF-IB=IREF-IE3/(+1)如10 IC2=0.982 IREF 增加电阻Re3目的是使IE3增大。RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB3.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3.微电流源微电流源iC1=ICSexp(vBE1VT)；iC2=ICSexp(vBE2VT)VT=26mV；IC1 mA级；IC2 uA级；Re千欧级优点：受电源波动影响小；优点：受电源波动影响小；公式推导公式推导3.微电流源微电流源-稳定性讨论稳定性讨论对上式微分，可得对上式微分，可得1.输出电流稳定性比参考电流稳定性要好的多；2

6、.IC1越大，IC2越小，则其稳定性越好。4.多路电流源多路电流源ICTIBRIREFVCCT0ReT1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3组成组成公式推导公式推导IC=IREF-IB/当当较大时较大时IC=IREF由于各管的，VBE相同，则相同，则IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3所以所以IC1IE1=IREFRE/RE15.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就就是是镜镜像电流源的交流电阻，像电流源的交流电阻，因此增益为因此

7、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6.2 差分式放大电路差分式放大电路 电路组态电路组态 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 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 改进电路改进电路电容耦合：隔离各级的静态工作点。直接耦合：各级的静态工作点相互影响。一一 电路的耦合方式电路的耦合方式基础概念基础概念1.定义：输入为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，即输出电压

8、偏离原来起始点而上下波动。2.原因：温度变化，电源电压波动等内部原因。3.影响：静态工作点，与被放大信号混淆，被后级传 播恶化。4.等效表示：vi=vo/AV折合到输入端，便于输入信号比较。二、零点漂移零点漂移 图图1.b三三.零漂的克零漂的克服服由稳定静态工作点电路，考虑到直接耦合的情况得到图1（a）。图图1.a如果存在一个产生零点漂移的信号源，从输出信号中扣除掉，就可以克服零点漂移,图1（b）。图图1.c差分式放大电路差分式放大电路四四.定性分定性分析析1.当vi 1=vi 2时，输出vo=vo1-vo2=0;2.当 vi 1=-vi 2时，输 出 vo=vo1-vo2=2vo1;差模信号

9、差模信号共模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压差动特性差动特性3.vi 1vi 2,vo=?。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 概念概念根据根据1、2两式又有两式又有差模信号差模信号共模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出考虑到要减轻射极电阻对放大倍数的影响当vi 1=-vi 2时，ie1=-ie2 让两管共用一个射极电阻，可以保证两管射极交流接地;图图1.d 差分放大器差分放大器差分式放大电路的改进差分式放大电路的改进理想电

10、流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点。恒流源的作用：1.提供放大电路的偏置电流；2.替代交流大电阻；（提高共模抑制比）带恒流源的差分放大器带恒流源的差分放大器6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路1.差分式差分式放大电路的组态放大电路的组态 A 双入、双出双入、双出 B 双入、单出双入、单出 C 单入、双出单入、双出 D 单入、单出单入、单出基于不同的应用场合，有基于不同的应用场合，有双双、单端输入和单端输入和双双、单端输出的情况单端输出的情况。所谓所谓“单端单端”指一端接地。指一端接地。“单端单端”的情况，还具有共模抑制能力吗？的情况，还具有共模抑制能力吗？如何进一步改进呢

11、？如何进一步改进呢？动态动态输入差模信号；输入共模信号；输入差模信号；输入共模信号；2.各组态电路的性能参数各组态电路的性能参数静态静态 动态性能指标：动态性能指标：共模抑制比共模抑制比差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益差模输入电阻差模输入电阻共模输入电阻共模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻共模输出电阻共模输出电阻3.主要指标计算主要指标计算 A 双入、双出双入、双出静态静态IE1=IE2=(VEEVBE)2RE；VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IEVo=0；3.主要指标计算主要指标计算 差模电压增益差模电压增益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

12、制零漂的能力动态动态仅输入差模信号；仅输入差模信号；R Rid=2rbe;R Rod=2RC共模电压增益共模电压增益共模信号的输入使两管集电共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。极电压有相同的变化。所以所以共模增益共模增益仅输入共模信号：仅输入共模信号：R Roc=2RC（3）共模抑制比）共模抑制比双端输出，理想情况双端输出，理想情况共模共模电压增益越小，放大电路的性能越好。电压增益越小，放大电路的性能越好。3.主要指标计算主要指标计算静态静态IE=(VEEVBE)2RE；VCE=Vo+VEEREIE B 双入、单出双入、单出-3.主要指标计算主要指标计算 差模电压增益差模电压增益双端输

13、出的一半双端输出的一半动态动态仅输入差模信号；仅输入差模信号；R Rid=2rbe;R Rod=RC共模电压增益共模电压增益共模增益共模增益仅输入共模信号：仅输入共模信号：R Rococ=R=RC CVoc=ICRL;Vic=IBrbe+(1+)2Re;（3）共模抑制比）共模抑制比3.主要指标计算主要指标计算静态静态 C 单入、双出单入、双出与双入双出的一样与双入双出的一样IE1=IE2=(VEEVBE)2RE；VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IEVo=0；3.主要指标计算主要指标计算动态动态运用叠加定理：共模输入信号共模输入信号增加了增加了Re差模输入信号差模输入信号与双入双

14、出的一样3.主要指标计算主要指标计算静态静态与双入单出的一样与双入单出的一样 D 单入、单出单入、单出IE=(VEEVBE)2RE；VCE=Vo+VEEREIEVo=VCCRL(RC+RL)ICRLRC(RC+RL)；3.主要指标计算主要指标计算动态动态可转化为双入单出的情况；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双端输入双端输入单端输入单端输入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重要结论重要结论在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上，可以知道：要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比，两个关键因素是

15、：电路对称性；共射极电阻。6.2.2 FET差分式放大电路1.电路图电路图（单入单出）（单入单出）分析方法相同但输入电阻很大，JEFT 1012欧姆欧姆MOS 1015欧姆欧姆T2Rg1vidT1Rd1Rd2VDD-VEERg2Vo2I0iD1iD22.电路图分析电路图分析T2+vDD-vssvi1vi2vGS3vGS4voD1voD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR(1)电路结构电路结构双入双出差分式放大电路双入双出差分式放大电路耗尽型耗尽型NMOSFET对管对管T1、T2有源负载有源负载增强型增

16、强型NMOSFET对管对管T3T4偏置电路偏置电路TREF、T5、T6 T7组成。组成。（2）工作原理）工作原理电路的基准电流电路的基准电流IREF ID5 ID6 I0静态分析静态分析 ID1 ID2 I0/2 输出电压输出电压 vo voD1-voD2 0动态分析动态分析 vo voD1-voD2 差模电压增益差模电压增益 AVD vo/vid-2 gm(rds1/rds3).6.2.3 差分式差分式放大电路的传输特性放大电路的传输特性 vO=RL(iC2iC1),其中RL=RC0.5RL；iC1=ICSexp(vBE1VT)；iC2=ICSexp(vBE2VT)I0=iC2+iC16.2

17、.3 差分式差分式放大电路的传输特性放大电路的传输特性图中纵坐标为图中纵坐标为6.2.3 差分式差分式放大电路的传输特性放大电路的传输特性end6.2.3 差分式差分式放大电路的传输特性放大电路的传输特性传输特性曲线区域的划分：被视为线性区；被视为非线性区；被视为饱和区；由于输出有两个稳定状态，可用于数字逻辑，称为ECL电路.6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器 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6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器组成组成 6.3.1 简单的集成电路运算放大

18、器简单的集成电路运算放大器 分析：图分析：图6.3.2.6.3.2.a a 1.1.该运放的输入级、中间级和输出级分别由哪几个管子 组成，各级分别为什么组态，为什么？2.2.T7、T8和和D、T T9 9 各组成什么电路，起什么作用？各组成什么电路，起什么作用？3.3.T5、T6和和R5 5 在此有什么作用？在此有什么作用？4.4.各级的各级的Q Q点如何确定？点如何确定？1.T1T2双入单出差分式双入单出差分式放大电路为输入级。放大电路为输入级。2.T3和和T4组成复合管组成复合管共射极放大电路。共射极放大电路。3.T5和T6组成电压组成电压跟随器作为输出级。跟随器作为输出级。4.T7和和T

19、8和和R2为为偏置电路偏置电路5.R7、D、T T9 9 组成电流源电路以提高组成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。的电压跟随能力。集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小N为反相输入端为反相输入端P为同相输入端为同相输入端O为输出端。为输出端。T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）集成运放内部结构（举例）第第1级：差动放大器级：差动放大器第第2级：差动放大器级：差动放大器第第3级：单管放大器级：单管放大器第第4级：互补对级

20、：互补对称射极跟随器称射极跟随器极极性性判判断断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end简化电路简化电路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参数的分类：参数的分类：1.输入误差信号输入误差信号1）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到 输入端的数值。输入端的数值。反映了输入级不对称的程度。反映了输入级不对称的程度。2)两个概念：两个概念：失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时，失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时，输出不为零的现象。输出不为零的现象。一般用调零

21、装置来补偿。一般用调零装置来补偿。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 3）参数：）参数：输入失调电压输入失调电压VIO 输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电压温漂输入失调电压温漂 VIO/T 输入失调电流温漂输入失调电流温漂 IIO/T 输入偏置电流输入偏置电流IIB失调温漂：放大器失调随温度的变化而变化使输出量变化的现象。失调温漂：放大器失调随温度的变化而变化使输出量变化的现象。难以用调零装置补偿。难以用调零装置补偿。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2.开环差模特性：开环差模特性：开环差模电压增益开环差模电压增益AVO 最大

22、差模输入电压最大差模输入电压Vidmax 开环带宽开环带宽BW(fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)3.开环共模特性：开环共模特性：开环共模电压增益开环共模电压增益AVO 最大最大共共模输入电压模输入电压Vicmax 共共模抑制比模抑制比KCMR 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3.瞬时特性：瞬时特性：转换速率转换速率SR a.输入偏置电流输入偏置电流IIB6.4 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b.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6.4 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c.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax6.4 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d.开环差模电压增益开环差模电压增益AVOe.开环带宽开环带宽BW(fH)f.单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)g.转换速率转换速率SR集成运放的缺点：集成运放的缺点：开环带宽窄开环带宽窄输入线性范围小输入线性范围小741型运放型运放AVO=106db=2105倍;Vcc=12V;ViMax=60uVend耦合电容或隔直电容：隔离各级的静态工作点。而直接耦合：各级的静态工作点相互影响，若是固定影响，电平移动；但静态时的影响不是固定的。