6

模擬集成電路6.1

模擬集成電路中的直流偏置技術6.2

差分式放大電路6.3

差分式放大電路的傳輸特性6.4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6.6變跨導式模擬乘法器6.1模擬集成電路中的直流偏置技術

BJT電流源電路

FET電流源1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCET1與T2參數完全相同T1對T2具有溫度補償作用IC2↑→IC1↑→R壓降↑→VBE↓→IC2↓1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCEIO與IREF相等，構成鏡像關系，改變R值，可以獲得不同的IO，不受T2負載變動的影響較小時，IB對IREF的分流作用影響鏡像對稱度。若需減小輸出電流，必要求R的值很大動態輸出電阻2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路利用發射結電壓對集電極電流的影響作用。T2的射極電阻使其發射結電壓減小，從而減小其集電極電流IC2

+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB-VEE2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB例題：VCC=30V，現要求IC2

＝10μA。若采用鏡像電流源：2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB選Re2

＝11.97kΩ，利用公式：若采用微電流源：代入數據，多路電流源(multipleoutputs)又稱比例電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T1RRe1IREFIC1IC1IBReT0IC2Re2T2T3Re3IC33.高輸出阻抗電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1IC22IB-VEET3IC3威爾遜電流源電路利用電流負反饋原理來進一步提高鏡像輸出電流的溫度穩定性和增大動態輸出電阻A1、A3為T1、T3得相對結面積當溫度或負載變化使IO(IC2)增大時，IE2隨之增大，IC3及其鏡像電流IC1亦隨之增大，促使VC1(VB2)減小、IB2減小，IO減小，穩定了IO4.組合電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2R1IREFI2I3R3T3-VEET4T5I5I6R2T6電流源電流阱5.電流源作有源負載6.1.1BJT電流源電路IREFT2T3T1RvOvi+VCC可使電路在不提高電源電壓的條件下，獲得較高的電壓增益與較大的動態范圍有源負載是模擬集成電路的重要特征。采用有源負載的運放，有時中間只需兩級放大，就可以滿足高增益的要求。這樣，放大器級數減少，有利于提高多級放大器的穩定性鏡像電流源作為T1的集電極負載1.MOSFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路+-+-+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSVDS2VDS1d1d2gRNMOSID2=IO1.MOSFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSID2=IOT3T1~T3特性相同，工作在放大區，=02.MOSFET多路電流源6.1.2FET電流源電路+-+VDDT1T2ID0=IREF-VSSVGS1ID2T0T3ID3T4ID4+-+-+-VGS2VGS3VGS4+-VGS1NMOSNMOS3.JFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路gID＝IO+-vDSds-VSSiDvDSIOvGS=0oV(BR)DS可用范圍ro=1/斜率6.2差分式放大電路

直流信號放大中存在的問題

基本電路

6.2.0

概述

6.2.1

差分式放大電路一般結構

6.2.2

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差分式放大電路中的一般概念主要技術指標的計算帶有源負載的射極耦合差分式放大電路

工作原理§

6.2.0概述(1)級間耦合不能采用阻容耦合方式(2)出現零點漂移直流放大器直流信號放大中存在的問題tvo零漂現象：輸入vi=0時，輸出有緩慢變化的電壓產生。產生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當溫度變化使第一級放大器的靜態工作點發生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計算。+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓。假設第一級是關鍵減小零漂的措施：用非線性元件進行溫度補償。采用差動放大電路。等效100uV漂移1V+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述§

6.2.1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a.差分放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入—從兩輸入端同時加信號單端輸入—僅從一個輸入端對地加信號b.差分放大電路可以有兩個輸出端：雙端輸出—從vO1

和vO2輸出單端輸出—從vO1或vO2對地輸出vi1R1T1R2vi2V+V-vO1vO2IOroT2O1O2I1I2+-+-e差模輸入電流共模輸入電流共模輸入電流差模(difference–mode)信號：大小相等相位相反的兩個信號：vid共模(common-mode)信號：大小相等相位相同的兩個信號：vic任意兩個信號總可以分解成差模與共模兩個分量：差模電壓增益共模電壓增益2.差模信號和共模信號的概念§

6.2.1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1.基本電路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動畫演示射極耦合（Emitter-coupled)方式§

6.2.2射極耦合差分式放大電路2.工作原理靜態分析：++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動畫演示動態分析：動畫演示流過恒流源的電流不變，故BJT的射極電位不變；負載中點電位不變，以上各點對差模信號視為短路。（1）差模電壓放大倍數－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－§

6.2.2射極耦合差分式電路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動畫演示3.主要技術指標計算有負載時：無負載時：RL/2rbeRCrbeRCRL/2§

6.2.2射極耦合差分式電路－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－（２）共模電壓放大倍數i2－v++_－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRccV+vi1oicv2icv2I0Eo2v++vo1LR－－vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC§

6.2.2射極耦合差分式電路動畫演示rbeRC2rorbeRC2ro§

6.2.2射極耦合差分式電路vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC衡量差分式放大電路抑制共模信號的能力。差分式放大電路雙端輸出時：KCMR為無窮大；單端輸出時：（３）共模抑制比§

6.2.2射極耦合差分式放大電路高頻響應同共射極放大電路，由于采用了直接耦合，故低頻響應很好。不同輸入輸出方式下的差分放大電路的性能比較，見p.270表。（４）頻率響應§

6.2.1基本差分式放大電路§

6.2.1基本差分式放大電路(1)恒流源相當于阻值很大的交流電阻，直流電阻并不大(2)恒流源不影響差模放大倍數(3)恒流源影響共模放大倍數，使共模放大倍數減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比是無窮大恒流源的作用§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

單端輸入等效雙端輸入:

因為ro＞＞從T2發射結電阻，故ro可視為開路，于是有vi1=－vi2=vid/2

計算同雙端輸入雙端輸出：單端輸入、雙端輸出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRcc動畫演示§

6.2.2射極耦合差分式放大電路單端輸入、雙端輸出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRccvid/2vid/2vid/2幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－例1：＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'=300，VBEQ=0.6V求：靜態時IB1、IC1、VCE1；雙端輸出時Avd、Avc、KCMR、差模輸入輸出電阻ans：浮地入、浮地出的工作狀態。靜態時，兩只BJT的集電極電位相等，RL對靜態無影響；Re中電流為2IE，差模信號下，Re相當于短路；差模交流負載為RL的一半vovi+12VRcRbRcRbRe–12Vvovi+12VRcRbRcRbRe–12V＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'

=300，VBEQ=0.6V例2：R1=R6=1k，R2=2k，RL=4k，R4=48k，R5=32k，

=100，rbb'=300，VBEQ=0.7V恒流源負載Ro3=1M分析電路的直流工作狀態；雙、單差模增益；單端共模抑制比；差模輸入輸出電阻分壓求VB3恒流源電流IC3差分管集電極電流IC1差分管VCE=VC-VE雙、單差模增益求算同前vi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2單出共模增益：負載對共模相當于開路單端輸出共模抑制比加大Ro3，可以提高共模抑制比。為此用恒流源T3來代替Revi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負載的射極耦合差分式eRRe6Re5T6-VEE(-6V)T5IREFIC5=IOIE6IE5vid/2VCC(6V)iOT1T2iC1vO2iC3iC2iC4-vid/2T3T42N39062N3904511004.7kIC6vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負載的射極耦合差分式vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2rce4ic4=gmvid/2rce2vo2e4e2c2ic2=-gmvid/2ic4ic2+-§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路+-T7T8-VSS(-5V)VGS7iD2T1iD3T3iS3+-+-+-VGS8vGS1-VGS3NMOS+-T6VGS6+-T5-VGS5+-T2vGS2+-T4-VGS4iS5=IREFiS4NMOSPMOSvO1vO2iD1+VDD(+5V)iD6+-VDS5+-VDS6+-VDS7vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-iO雙入雙出§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路id2=-gmvid/2T1id3=id1T3+-T2vGS2T4vo2s3vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-s4d4d2id1=gmvid/2id4=id1=-gmvid/2ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-雙入單出§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-雙入單出P.209P.208§

6.2.3源極耦合差分式放大電路2.JFET差分式放大電路vi1+VDD+15VRd1Rg1Rd2T1T2Rg2-VSS-12VvO2vi2T3IOVs+-vGS1+-vGS2vO1Rd1Rd2Rg1Rg2特點：輸入電阻高、輸入偏置電流小§

6.3差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性描述電路的輸出量隨輸入量變化的函數關系。由此了解差放電路在大信號輸入和小信號輸入時的輸出量的變化。定性分析：2VT-2VT4VT6VT-4VT-6VTvidiC/I00.10.30.50.70.9線性過渡限幅定量分析請參閱有關參考書動畫演示6.4集成電路運算放大器

6.4.1

CMOSMC14573運算放大器

6.4.2

BJTLM741集成運算放大器§

6.4集成電路運算放大器uuu電壓放大級輸出級偏置電路vo+差分輸入級vid－§

6.4.1CMOSMC14573運算放大器-VSS(-5V)NMOS+VDD(+5V)vO+-vO2iOT1T3T6T5T2T4T8T7-+vidIREFID6PMOSPMOSPMOSID8Ccs1s2g1g2d1d2RREF輸入級偏置電流源源極耦合差分放大輸入級共源放大輸出級§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器ABAB分析：1.偏置電路：

T12、R5和T11構成了主偏置電路，產生基準電流：

其他偏置電流都與基準電流有關。

T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。

T12和T13管構成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負載。A路為輸出級提供偏置。§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器2.輸入級：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發射結反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉換為雙端增益的功能。§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器3.中間級：

T16和T17是復合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負載。

T14和T20管組成互補對稱輸出級，T18、T19和R8為其提供靜態偏置以克服交越失真。T15和R9保護T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護T20管在負向電流過大時不致燒壞。4.輸出級：5.相位分析：用“瞬時極性法”判定，3號腿為同相端；2號腿為反相端。§

6.4.2BJTLM741集成運算放大器6.5實際集成運算放大器

的主要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

6.5.2

集成運放應用中的實際問題§

6.5.1實際集成運放的主要參數1.輸入失調電壓VIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號特性、電源特性VOIBNIBPIBNIBP

2.輸入偏置電流IIB

輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。§

6.5.1實際集成運放的主要參數3.輸入失調電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

§

6.5.1實際集成運放的主要參數4.溫度漂移輸入失調電壓溫漂

在規定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。輸入失調電流溫漂在規定工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。§

6.5.1實際集成運放的主要參數

5.開環差模電壓增益

AVO和帶寬BW

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Avo在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實際集成運放的主要參數§

6.5.1實際集成運放的主要參數開環帶寬BW(

fH)

：

運放的開環差模電壓放大倍數在高頻段下降3dB所對應的帶寬fH

。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實際集成運放的主要參數單位增益帶寬BWG(f

T)：AVO=1時的頻率。

6.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

ro

=幾-幾十。7.最大差模輸入電壓Vidmax

運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時，差分管將出現反向擊穿現象。§

6.5.1實際集成運放的主要參數9.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現飽和，放大器失去共模抑制能力。通用型運放在(80~120)dB8.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)§

6.5.1實際集成運放的主要參數10.轉換速率SR

閉環狀態時：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。通常要求運放的轉換速率大于信號變化斜率的絕對值。11.全功率帶寬BWP電源電壓抑制比KSVR、靜態功耗PV§

6.5.1集成運算放大器的主要參數AVO、rid、BW、SR、KCMR視為無窮大；VIO、ro、IIO、IIB及溫漂視為零；理想運放

infinite-gainopamp.6.5.2