1、6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術模擬集成電路中的直流偏置技術6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.5 實際集成運算放大器的主要參數和對應實際集成運算放大器的主要參數和對應 用電路的影響用電路的影響6.2 差分式放大電路差分式放大電路第1頁/共59頁6.1 模擬集成電路中的模擬集成電路中的直流偏置技術直流偏置技術6.1.1 BJT電流源電路電流源電路6.1.2 FET電流源電流源1. 鏡像電流源鏡像電流源2. 微電流源微電流源3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源4. 組合電流源組合電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源

2、2. MOSFET多路電流源多路電流源3. JFET電流源電流源第2頁/共59頁6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源T T1 1、T T2 2的參數全同的參數全同 即即12，ICEO1ICEO2 當當BJT的的較大時，基極電流較大時，基極電流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF 代表符號代表符號第3頁/共59頁6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源動態電阻動態電阻 一般一般ro在幾百千歐以上在幾百千歐以上第4頁/共59頁6.1.1 BJT電流源電路電流源電路2. 微電流源微電流源由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。

3、rorce2（1 ） e2be2e2RrR （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）oR 第5頁/共59頁A1和和A3分別是分別是T1和和T3的相對結面積的相對結面積 動態輸出電阻動態輸出電阻ro遠比微電流源的動態輸出電阻為高遠比微電流源的動態輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路電流源電路3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源第6頁/共59頁6.1.1 BJT電流源電路電流源電路4. 組合電流源組合電流源T1、R1 和和T4支路產生基準電流支路產生基準電流IREFT1和和T2、T4和和T5構成鏡像電流源構成鏡像電流源T1和和T3，T4和和T6構成了微電流

4、源構成了微電流源第7頁/共59頁6.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時當器件具有不同的寬長比時REF1122O/ILWLWI （ =0=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流基本鏡像電路流 第8頁/共59頁6.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，且工特性相同，且工作在放大區，當作在放大區，當 =0時時，輸出電流為，輸出電流為 常用的鏡像電流源常用的鏡像電流源 第9頁/共59頁6.1.2 FET電流源電流源2. MOSFET多路電流源多路電流源第10頁/共59頁6.

5、1.2 FET電流源電流源3. JFET電流源電流源end(a) 電路電路 (b) 輸出特性輸出特性 第11頁/共59頁6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路第12頁/共59頁6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構1. 用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路第13頁/共59頁6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構2. 有關概念有關概念差模信號差模信號共模信號共模

6、信號差模電壓增益差模電壓增益共模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓總輸出電壓其中其中ov 差模信號產生的輸出差模信號產生的輸出ov 共模信號產生的輸出共模信號產生的輸出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標反映抑制零漂能力的指標第14頁/共59頁6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構2. 有關概念有關概念根據根據i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有有 共模信號相當于兩個輸入共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分端信號中相同的部分 差模信號相當于兩個輸入差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分端信號中不同的部分 兩輸入端中的共模信號兩輸入端中的共模信號大

7、小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。號大小相等，相位相反。第15頁/共59頁6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理第16頁/共59頁6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理靜態第17頁/共59頁動態僅輸入差模信號，僅輸入差模信號， i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，大小相等，信號被放大。信號被放大。相位相反。相位相反。1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理第18頁/共59頁2. 抑制零點漂

8、移原理抑制零點漂移原理 溫度變化和電源電壓波動，溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產生變化。都將使集電極電流產生變化。且變化趨勢是相同的，且變化趨勢是相同的， 其效果相當于在兩個輸其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。入端加入了共模信號。第19頁/共59頁 這一過程類似于分壓式射這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩定過程。極偏置電路的溫度穩定過程。所以，即使電路處于單端輸出所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂方式時，仍有較強的抑制零漂能力。能力。 2. 抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用第20

9、頁/共59頁3. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況接入負載時以雙倍的元器件換以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 雙入、雙出雙入、雙出第21頁/共59頁3. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況 雙入、單出雙入、單出接入負載時第22頁/共59頁3. 主要指標計算主要指標計算（1）差模情況 單端輸入單端輸入等效于雙端輸入等效于雙端輸入 指標計算與雙指標計算與雙端輸入相同。端輸入相同。第23頁/共59頁3. 主要指標計算主要指標計算（2）共模情況 雙端輸出雙端輸出 共模信號的輸入使兩管集共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。電極電壓有相同的變化。所以所以共模增益共模增益第

10、24頁/共59頁 單端輸出單端輸出抑制零漂能力增強抑制零漂能力增強3. 主要指標計算主要指標計算（2）共模情況第25頁/共59頁（3）共模抑制比cdCMRvvAAK 雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況單端輸出單端輸出抑制零漂能力越強單端輸出時的總輸出電壓單端輸出時的總輸出電壓（4）頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。第26頁/共59頁例例(4)當輸出接一個當輸出接一個12k 負載負載時的差模電壓增益時的差模電壓增益.解：解：求求:(1)靜態靜態第27頁/共59頁(2)電壓增益電壓增益第28頁/共59頁(3)差分電路的共模增益差分電路

11、的共模增益共模輸入電壓共模輸入電壓不計共模輸出電壓時不計共模輸出電壓時第29頁/共59頁(4)第30頁/共59頁4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路靜態靜態 IE6 IREFIO IE5第31頁/共59頁4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益差模電壓增益（負載開路）（負載開路） bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 則則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 第32頁/共59頁4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路

12、差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 輸出電阻輸出電阻第33頁/共59頁4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路共模輸入電阻共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro5第34頁/共59頁6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路第35頁/共59頁6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益雙端輸出差模電壓增益) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而: :)/( )/(ds1ds

13、3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：第36頁/共59頁6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路單端輸出差模電壓增益單端輸出差模電壓增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) gm(ro2 / ro4 )與雙端輸出相同與雙端輸出相同end第37頁/共59頁6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性根據根據TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 =

14、-vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）第38頁/共59頁vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線的傳輸特性曲線end第39頁/共59頁6.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.4.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741第40頁/共59頁6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器集成電路運算放大器1. 電路結構和工作原理電路結構和工作原理第41頁/共59頁2. 電路技術指標的分析計算電路技術指標的分析計算(1)(

15、1)直流分析直流分析已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根據各管子的寬長比根據各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。，可求出其它支路電流。第42頁/共59頁(2)(2)小信號分析小信號分析設設 gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv則則2. 電路技術指標的分析計算電路技術指標的分析計算)/(ds4ds2mido21rrgAv vv輸入級電壓增益輸入級電壓增益 第43頁/共59頁(2)(2)小信號分析小信號分析2. 電路技術指標的分析計算電路技術指標的分析計算總電壓增益總電壓增益 Av = Av1Av2 Av2= v

16、o/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級電壓增益第二級電壓增益 將參數代入計算得將參數代入計算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）第44頁/共59頁6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741原理電路原理電路 第45頁/共59頁6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741簡化電路簡化電路end第46頁/共59頁6.5 實際集成運算放大器的主要實際集成運算放大器的主要參數和對應用電路的影響參數和對應用電路的影響6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題第47頁/共59頁6.5.1 實際集成

17、運放的主要參數實際集成運放的主要參數輸入直流誤差特性（輸入失調特性）輸入直流誤差特性（輸入失調特性）1. 輸入失調電壓輸入失調電壓VIO 在室溫（在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓VIO。一般約為一般約為（110）mV。超低失調運放為（。超低失調運放為（120） V。高精度。高精度運放運放OP-117 VIO=4 V。MOSFET達達20 mV。2. 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運放輸入偏置電流是指

18、集成運放兩個輸入端靜態電流的平均值兩個輸入端靜態電流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT為為10 nA1 A；MOSFET運放運放IIB在在pA數量級。數量級。第48頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數輸入直流誤差特性（輸入失調特性）輸入直流誤差特性（輸入失調特性）3. 輸入失調電流輸入失調電流IIO 輸入失調電流輸入失調電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態基極電流之差，即的靜態基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為一般約為1 nA A。 4. 溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調電壓溫漂）

19、輸入失調電壓溫漂 VIO / T（2）輸入失調電流溫漂）輸入失調電流溫漂 IIO / T第49頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數差模特性差模特性1. 開環差模電壓增益開環差模電壓增益Avo和帶寬和帶寬BW 開環差模電壓增益開環差模電壓增益AvO開環帶寬開環帶寬BW (fH)單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG (fT)741型運放型運放AvO的頻率響應的頻率響應 第50頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數差模特性差模特性2. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid和輸出電阻和輸出電阻ro BJT輸入級的運放輸入級的運放rid一般在幾百千歐到

20、數兆歐一般在幾百千歐到數兆歐MOSFET為輸入級的運放為輸入級的運放rid1012超高輸入電阻運放超高輸入電阻運放rid1013、IIB一般運放的一般運放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro。3. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax第51頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數共模特性共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模輸入電阻和共模輸入電阻ric 一般通用型運放一般通用型運放KCMR為（為（80120）dB，高精度運放可達，高精度運放可達140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運

21、放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生1%跟隨誤跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達 13V。第52頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數大信號動態特性大信號動態特性1. 轉換速率轉換速率SR放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即出電壓對時間的最大變化速率，即 若信號為若信號為viVimsin2 ft ，則運放的，則運放的SR必須滿足必須滿足SR2fmaxVom第53頁/共59頁6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數大信號動態特性大信號動態特性2. 全功率帶寬全功率帶寬BWP 指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即 SR和和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放運放SR在在nV/ s以下，以下，741的的SR s而高速運放要求而高速運放要求SR30V/ s以上。以上。目前超高速的運放如目前超高速的運放如AD9610的的SR3500V/ s。第54頁/共59頁電源特性電源特性1. 電源電壓抑制比電源電壓抑制比K