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第六章 模拟集成单元电路,集成运放基本组成集成运放的内部组成框图如图所示,它主要由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成的。,输入级:是提高运算放大器质量的关键部分。要求:输入电阻高,能减少零漂和抑制干扰信号。 电路形式:采用具有恒流的差动放大电路,降低零漂,提高KCMR。并且通常在低电流状态,以获得较高的输入阻抗。,. 集成运放基本组成,中间级:进行电压放大,获得运放的总增益。要求:Au高,同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式:带有恒流源负载的共射电路,Au高达几千倍以上。,集成运放基本组成,输出级:与负载相接。要求:其输出电阻低,带负载能力强,能输出足够大的电压和电流,并有过载保护措施。电路形式:一般由互补对称电路或射极输出器构成。,集成运放基本组成,偏置电路:为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流,决定各级的静态工作点,也可以作为有源负载提高电压增益,输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流。电路形式:各种恒流源组成。,集成运放基本组成,1、基本镜像恒流源(又称电流镜),6.1. 模拟IC中的恒流源(IC中作偏置电路)(重点),由上式可以看出,当VCC、R确 定值时,IREF 就确定了,因此IC1也 随之而定(与RL无关)。 电路如同一面镜子, IREF 在“镜子” 里所成的“像”为IC1,故称为“镜像恒流源”。 这种偏置电路的优点是结构简单,而且有一定的温度补偿作用。,1,2. 改进的镜像电流源,提高电流源的精度,可以采用图6.7所示的改进的镜像电流源电路。,图6.7 .改进的镜像电流源,图6.7中,晶体管,镜像电流源的两个晶体管基极从参考电流,的引入是为了减小基本,中分得的电流。,的电流比,的电流要小很多,,因此它的,比,要小很多。,1)电路结构,(6.10),又,假设,处于放大区,所以式(6.10)可表示为,(6.11),因此,(6.12),而参考电流为,(6.13),式中,式(6.12)与式(6.9)对比发现,改进的镜像电流源的的精度比 基本镜像电流源的精度高。,2)电流的计算,补充. 比例恒流源(重点)如果要求电流源输出电流与参 考电流保持一定的比例关系,则可 采用比例式恒流源电路,它可由三 极管或场效应管组成。三极管比例式电流源电路如图所示,在基本电流镜的两发射极接入Re1与Re0 。,(记忆,乘积相等)可见,只要改变Re0与Re1比例,就可得到与IREF不同比例的IC1,这也是得名”比例恒流源电路”的原因。比例式恒流源电路也可用场效应管来组成,其电路结构稍有不同。,补充. 比例恒流源(重点),6.3 差动放大器,6.3.1 BJT差动放大器的组成原理,6.3.2 BJT差动放大器的直流分析,6.3.3 BJT差动放大器的交流小信号分析,6.3.4 带负载时的BJT差动放大器,6.3.5 电路不对称的BJT差动放大器,输入级:是提高运算放大器质量的关键部分。要求:输入电阻高,能减少零漂和抑制干扰信号。 电路形式:采用具有恒流的差动放大电路,降低零漂,提高KCMR。并且通常在低电流状态,以获得较高的输入阻抗。,集成运放基本组成,6.3 差动放大器(重点)差动放大的指导思想:是利用参数匹配的两个三极管组成对管对称形式的电路结构,进行补偿,达到减少零点漂移的目的。,+vCC,零点漂移,1 直接耦合放大器的特点,1、什么是零点漂移 在直流放大电路中,我们把输入信号为零时,输出电压偏离其初始值的现象称为零点漂移。,(1)直流放大器级数越多,放大倍数越大。输出端漂移现象越严重。 (2)第一级的零漂影响最大。,有时会将信号淹没,直接耦合放大器的特点,3、产生零漂的原因 (1) 温度的变化最主要。 (2) 电流电压的波动。 (3) 电路元件参数的变化。,5. 减小零漂的措施,4. 零漂的危害:在直接耦合多级放大器中,第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大,使末级输出端产生较大的漂移电压,无法区分信号电压和漂移电压,严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。,1.引入直流负反馈稳定工作点,2.利用热敏元件补偿,3.组成差分放大器,6.3 差动放大器(重点),+vCC,主要特点:,a. 两个输入端,两个输出端;,b. 元件参数对称;,能有效地克服零点漂移?,特点:抑制温漂 原理如下:,vo= vC1 - vC2 = 0,vo= (vC1 + vC1 ) - (vC2 + vC2 ) = 0,当vi1 = vi2 = 0 时,,当温度变化时:,对称性,vC1 = vC2, vC1 = vC2,6.3 差动放大器(重点),6.3.1 BJT差动放大器的组成原理,放大器、输入信号、输出信号之间的关系,定义:单端信号参考节点为地的电压信号;单端输入电压信号参考节点为地的输入电压信号;单端输出电压信号参考节点为地的输出电压信号。即放大器是单端输入、单端输出放大器。,vi1,+VCC,RC,T1,RB,RC,T2,RB,vi2,RE,VEE,vo,1/2vid,vic,vic,1.基本差动放大器输入信号分解模型,6.3. 差动放大电路的特点和性能指标,-1/2vid,T1、T2完全对称,常称“对管”(理想化),2.差模信号与共模信号,任模信号:,共模信号:,1) 共模信号-大小和极性都相同的输入信号; common mode,3)任模信号-既非共模,也非差模; 但任模信号可分解为共模信号和差模信号的叠加.,2)差模信号-大小相同但极性相同反的输入信号; differential mode,任模信号:,差模信号:,一般定义:对于任意输入的信号: vs1 , vs2 ,都可分解成差模分量和共模分量的组合形式。,注意:vs1 =vic + vid/2 ; vs2 =vic vid/2,例: vs1 = 20 mV , vs2 = 10 mV,则:vid = 10mV , vic = 15mV,差模分量:,共模分量:,vid = vs1 vs2,vic = (vs1 + vs2 ) /2,3.差放的主要性能指标,差模信号:,差模输出电压 :当输入vid时的输出电压;,差模电压增益:,差模输入电阻:,差模输出电阻:,3.差放的主要性能指标,共模电压增益:,共模信号:,共模输出电压 :当输入vic时的输出电压;,共模输入电阻:,共模输出电阻:,3.差放的主要性能指标,总输出电压(叠加原理):,共模抑制比(越大,物理含义:放大差模信号和抑制共模信号的能力越强) (衡量差放的重要指标),差模电压增益:,共模电压增益:,共模抑制比(Common - Mode Rejection Ratio),对理想的差动放大器:KCMR=一般的差动放大器: KCMR=60dB(左右)差分放大电路能有效地放大差模信号,而对共模信号有很强的抑制能力。这是它的主要优点。差模放大倍数越大,共模放大倍数越小,即对共模信号的抑制能力越强,说明放大器的性能越好。,(2) 若Avd = 50、 Avc = 0.05,求输出电压vo,及KCMR,1.01V,0.99V,解,可将任意输入信号分解为 共模信号和差模信号之和,(1),vi1 = 1.01 = 1.00 + 0.01 (V),vi2 = 0.99 = 1.00 0.01 (V),vid = v i1 v i2 = 1.01 0.99 = 0.02 (V),vic = (vi1+ vi2 ) / 2 = 1 (V),(1) 求差模输入电压vid 、共模输入电压vic,例1,(2) 若Avd = 50、 Avc = 0.05,求输出电压vo,及KCMR,1.01V,0.99V,解,vid = v i1 v i2 = 1.01 0.99 = 0.02 (V),vic = (vi1+ vi2 ) / 2 = 1 (V),(2),vod = Avdvid,= 500.02,= 1 (V),voc = Avcvic,= 0.051,= 0.05 (V),vo =vod+voc= Avdvid + Avcvic,= 1.05 (V),= 60 (dB),(1) 求差模输入电压vid 、共模输入电压vic,例1,(dB),1.结构,为了使左右平衡,可设置调零电位器:,6.3.3 差放的分析方法和工作特点,特点:对称形式的电路结构,采用正负双电源供电。,2. 差放半电路分析法 (单边等效电路法),因电路两边完全对称,因此差放分析的关键,就是如何在差模输入与共模输入时,分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。,3. 分析步骤 1)静态(直流)分析; 2)动态(交流)分析;,差模分析,画半电路差模交流通路 计算Avd、Rid、Rod,共模分析,画半电路共模交流通路 计算Avc、KCMR、Ric,根据需要计算输出电压,双端输出: 计算vo,单端输出: 计算vo1 、 vo2,Q点的计算,1. 静态分析,Q点:ICIE (重点)IB=IC/vCE=VCC-IC (RC+2RE)-VEE,VEE-VBE=IE(WP/2+2RE)+IBRB=IE(WP/2+2RE)+,得:,差放半电路分析法(重点),差放半电路分析法(重点),2. 动态分析 (关键在中间元件Ree, RL的分析),(1)对差模信号的放大作用分析,vid1= -vid2= 1/2vid,即相当于输入一对差模信号,ie1,ie2,ib1= -ib2 ie1= -ie2 vc1= -vc2,流过Ree上的总电流:,ie=ie1+ie2= 0,Ree上交流压降为0。,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。,(重点), 差分电路的分析,(1)对差模信号的放大作用分析,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。,Ree上交流压降为0.,由vc1= -vc2可知RL两端电位一端为正,一端为负,RL的中点应是地电位, 即每管对地的 负载电阻为:RL/2. (重点), 差分电路的分析,(1)对差模信号的放大作用分析,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。,Ree上交流压降为0.,由vc1= -vc2可知RL两端电位一端为正,一端为负,RL的中点应是地电位, 即每管对地的 负载电阻为:RL/2. (重点) 差模交流通路 如图:,RL=Rc/(RL/2),差模信号 交流通路,T1单边交流等效电路,差模性能分析,REE对差模视为短路。,RL中点视为交流地电位, 即每管负载为RL / 2 。,直流电源短路接地。,1)半电路差模交流通路,注意:关键在于对公共器件的处理。,2)差模性能指标分析,差模输入电阻=2Rid1=2rbe或2(rbe+Rb),差模输出电阻,差模电压增益,注意:电路采用了成倍元件,但电压增益并没有得到提高。,或rbe+Rb, 差分电路的分析,2. 动态分析,工作原理,(2)对共模信号的抑制作用分析,ie1,ie2,输入信号为: vic1=vic2=vic,ic1=ic2 ie1=ie2,流过Ree上的电流:,ie=ie1+ie2=2 ie1,Ree上的电压:,vRee=ie12Ree,画半电路交流通路时, 单管射极电阻应为2Ree。 (重点),共模性能分析,每管发射极接2Ree。,RL对共模视为开路。,直流电源短路接地。,1)半电路共模交流通路,因为流过RL的共模电流ioc为0。,(2)对共模信号的抑制作用分析,T1单边交流等效电路,共模性能分析,2)共模性能指标分析,共模输入电阻,共模输出电阻,共模电压增益,无意义?,因为流过RL的共模电流ioc为0。,
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