第6章模擬集成電路本章重點(diǎn)模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.1差分式放大電路6.2差分式放大電路的傳輸特性6.3集成電路運(yùn)算放大器6.4實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響6.5問題的引出引言集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路是怎樣的？它的相關(guān)特性是怎樣表現(xiàn)出來的？本章討論的主要問題集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是怎樣設(shè)置的？集成運(yùn)算放大器如何解決直接耦合方式產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移問題？實(shí)際的集成運(yùn)算放大器及主要參數(shù)是怎樣的？實(shí)際運(yùn)算放大器非理想?yún)?shù)對(duì)運(yùn)算精度會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？本章涉及的主要概念差模信號(hào)、共模信號(hào)、差模增益、共模增益、共模抑制比教學(xué)基本要求

◆了解各種電流源的工作原理、特點(diǎn)和主要用途

◆掌握差模信號(hào)、共模信號(hào)、差模電壓增益、共模電壓增益和共模抑制比等基本概念

◆了解差分放大電路的工作原理和特點(diǎn)

◆掌握差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)的計(jì)算

◆了解集成運(yùn)算放大器的基本組成和主要參數(shù)

◆了解失調(diào)電壓和失調(diào)電流對(duì)實(shí)際運(yùn)放的影響及零漂的消除方法6.1

模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)電流源電路1.鏡像電流源2.微電流源

3.高輸入阻抗電流源4.組合電流源

電流源1.MOSFET鏡像電流源2.MOSFET多路電流源

電流源作有源負(fù)載電流源電路1.鏡像電流源鏡像電流源的參數(shù)全同無論的值如何，的電流值將保持不變，反映出的恒流特性。動(dòng)態(tài)電阻一般在幾百千歐以上問題：電流源是雙口網(wǎng)絡(luò)還是單口網(wǎng)絡(luò)？鏡像電流源的其他形式2.微電流源由于很小，所以也很小。（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻）3.高輸出阻抗電流源4.組合電流源、和支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流和、和構(gòu)成鏡像電流源和、和構(gòu)成微電流源電流源1.MOSFET鏡像電流源當(dāng)器件具有不同的寬長(zhǎng)比時(shí)：輸出電阻：用T3代替R,T1~T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)時(shí)，輸出電流為2.MOSFET多路電流源

電流源作有源負(fù)載共射極電路的電壓增益為：對(duì)于此電路就是鏡像電流源的動(dòng)態(tài)電阻，通常因此電壓增益為：比用電阻作負(fù)載時(shí)電壓增益提高了。6.2差分式放大電路概述差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)射極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路概述1.直接耦合放大電路級(jí)與級(jí)之間無隔直電容特點(diǎn)：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)（2）可以放大直流信號(hào)（3）存在零點(diǎn)漂移問題2.零點(diǎn)漂移定義：輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生零漂的主要原因：（1）溫度變化引起，也稱溫漂（2）電源電壓波動(dòng)溫漂指標(biāo)：溫度每升高1℃，輸出電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。假設(shè)若第一級(jí)漂了則輸出漂移若第二級(jí)漂了則輸出漂移因此第一級(jí)是關(guān)鍵問題:已知兩個(gè)放大器的輸出漂移電壓均為兩個(gè)放大電路是否都可以放大的信號(hào)？電壓增益電壓增益輸入端漂移電壓為0.2mV輸入端漂移電壓為0.002mV輸出漂移電壓為200mV輸出漂移電壓為200mV所以A1不可以，A2可以。3.減小零漂的措施◆用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償◆調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器”◆采用差分式放大電路差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1.有關(guān)概念差模信號(hào)共模信號(hào)差模電壓增益共模電壓增益其中差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出總輸出電壓共模抑制比，反映抑制零漂能力的指標(biāo)。根據(jù)有共模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中相同的部分；差模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中不同的部分；兩輸入端的共模信號(hào)大小相等，相位相同；差模信號(hào)大小相等，相位相反。2.用三端器件組成的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演變：?jiǎn)渭?jí)共射放大電路基本差分式放大電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對(duì)稱共用Re采用雙電源兩個(gè)輸入端兩個(gè)輸出端四種工作方式：雙端輸入，雙端輸出雙端輸入，單端輸出單端輸入，雙端輸出單端輸入，單端輸出

靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析：僅輸入差模信號(hào)，和大小相等，相位相反。和大小相等，相位相反。信號(hào)被放大。2.抑制零點(diǎn)漂移原理溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使兩個(gè)集電極電流產(chǎn)生變化，且變化趨勢(shì)相同。其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。3.主要指標(biāo)計(jì)算1、雙入、雙出以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力。（1）差模情況交流通路：電源等效輸入差模信號(hào)對(duì)發(fā)射極的影響交流通路接入負(fù)載時(shí)輸入電阻輸出電阻2、雙入、單出接入負(fù)載時(shí)輸入電阻輸出電阻3、單端輸入只考慮差模信號(hào)時(shí)，單端輸入等效于雙端輸入計(jì)算指標(biāo)與雙端輸入相同1、雙端輸出共模信號(hào)的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以：（2）共模情況共模增益輸入電阻輸出電阻2、單端輸出共模增益輸入電阻輸出電阻抑制零漂能力增強(qiáng)（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出越大，抑制零漂能力越強(qiáng)單端輸出時(shí)的總輸出電壓（4）頻率響應(yīng)高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號(hào)幾種方式指標(biāo)比較雙出輸出方式單出雙出單出雙出輸出方式單出雙出單出1.若在基本差分式放大電路中增加兩個(gè)電阻（如圖所示）。則動(dòng)態(tài)指標(biāo)將有何變化？雙端輸出差模增益差模輸入電阻共模輸入電阻單端輸出共模增益2.差分式放大電路如圖所示，分析下列輸入和輸出的相位關(guān)系：與反相與反相與同相與同相與反相與同相3.靜態(tài)時(shí)，兩個(gè)輸入端是否有靜態(tài)偏置電流？例T1、T2、T3均為硅管，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，。

求：（1）及的值；（2）（3）當(dāng)時(shí)，（4）當(dāng)輸出接一個(gè)

負(fù)載時(shí)差模電壓增益。（1）靜態(tài)（2）電壓增益（3）差分電路的共模增益共模輸入電壓不計(jì)共模輸出電壓時(shí)共模電壓帶來的誤差約為0.3%（4）當(dāng)時(shí)

4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路靜態(tài)動(dòng)態(tài)即節(jié)點(diǎn)差模電壓增益接負(fù)載后單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益差模輸入電阻輸出電阻差模輸入電阻6.3差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)又可得傳輸特性曲線的傳輸特性曲線擴(kuò)大傳輸特性的線性工作范圍6.4集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器CMOSMC14573集成運(yùn)算放大器741集成電路運(yùn)算放大器CMOSMC145731.電路結(jié)構(gòu)和工作原理（1）直流分析已知和可求出根據(jù)各管子的寬長(zhǎng)比，可求出其它支路電流。2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析與計(jì)算（2）小信號(hào)分析設(shè)則輸入級(jí)電壓增益第二級(jí)電壓增益總電壓增益集成運(yùn)算放大器741原理電路輸入級(jí)T1～T6組成的差分式放大電路，信號(hào)由T4和T6的集電極輸出。T1、T3和T2、T4組成共集—共基復(fù)合差分電路。T1、T2共集電路可以提高輸入阻抗，T3、T4的共基極電路和T5、T6、T7組成的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的電壓增益、擴(kuò)大差模和共模輸入電壓范圍，同時(shí)可以改善頻率響應(yīng)。另外，T5、T6、T7組成的有源負(fù)載大大提高了輸入級(jí)的共模抑制比，且始終有。為外接調(diào)零電位器，通過調(diào)節(jié)，可以保證靜態(tài)時(shí)輸出為零。中間級(jí)T16、T17組成復(fù)合管共射極放大電路，作為其有源負(fù)載，交流電阻很大。所以，本級(jí)可以獲得很高的電壓增益，同時(shí)也具有較高的輸入電阻。電容用于頻率補(bǔ)償，以免產(chǎn)生自激振蕩。輸出級(jí)T14和T20組成互補(bǔ)對(duì)稱電路。T18、T19和R8產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)電壓，為T14、T20提供一起始偏壓，使T14和T20工作于甲乙類放大狀態(tài)。

T24管接成共集電路，以減小對(duì)中間級(jí)的負(fù)載影響。偏置電路由構(gòu)成主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。T11和T10組成微電流源電路，由為輸入級(jí)中的T3、T4提供偏置電流。T8和T9構(gòu)成鏡像電流源，為輸入級(jí)提供工作電流。T12和T13為雙端輸出的鏡像電流源，集電極輸出的電流，為中間放大級(jí)提供靜態(tài)偏置，同時(shí)兼作有源負(fù)載提高電壓增益；集電極的輸出，為輸出極提供偏置電流。保護(hù)電路正常工作時(shí)，T15和T21均截止。當(dāng)輸出短路或電流過大時(shí)，正向輸出電流使R9兩端的壓降增大，T15導(dǎo)通對(duì)T14的基極產(chǎn)生分流，從而限制了T14的電流；負(fù)向輸出電流使R10兩端電壓增大，T21導(dǎo)通，使T23和T22導(dǎo)通，降低了T16及T17的基極電壓，使T17的集電極和T24的發(fā)射極電壓上升，導(dǎo)致T20趨于截止，因而限制了T20的電流，達(dá)到保護(hù)的目的。6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1.輸入失調(diào)電壓輸入電壓為零時(shí)，為了使輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓。一般約為。超低失調(diào)運(yùn)放為。高精度運(yùn)放OP-117。MOSFET達(dá)2.輸入偏置電流集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值BJT為MOSFET運(yùn)放在PA數(shù)量級(jí)。3.輸入失調(diào)電流輸入電壓為零時(shí)，流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即

。一般約為4.溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂（2）輸入失調(diào)電流溫漂差模特性1.開環(huán)電壓增益和帶寬BW開環(huán)差模電壓增益開環(huán)帶寬單位增益帶寬741型運(yùn)放的頻率響應(yīng)2.差模輸入電阻和輸出電阻BJT輸入級(jí)的運(yùn)放一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放超高輸入電阻運(yùn)放、一般運(yùn)放的，而超高速AD9610的3.最大差模輸入電壓共模特性1.共模抑制比和共模輸入電阻一般通用型運(yùn)放為（80~120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB,2.最大共模輸入電壓運(yùn)放作為電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值。高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性1.轉(zhuǎn)換速率放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變