[讨论] 模拟电子线路 第四章 集成运算放大电路

模拟电子线路 第四章 集成运算放大电路

第一节 学习要求
第二节 集成运算放大器中的恒流源
第三节 差分式放大电路
第四节 集成电路运算放大器
第五节 集成电路运算放大器的主要参数
第六节 场效应管简介

第一节 学习要求

1. 掌握基本镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结 构及基本特性。

2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。

3. 掌握基本型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点， 会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。

4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性， 共模抑制比。会计算A_VD、R_id、 R_ic、 R_od、 R_oc 、K_CMR。

5．熟悉运放的主要技术指标及集成运算放大电路的一般电路结构。

学习重点：

掌握集成运放的基本电路的分析方法

学习难点：

集成运放内部电路的分析

集成电路简介

　　集成电路是在一小块 P型硅晶片衬底上， 制成多个晶体管 ( 或FET)、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。

集成电路在结构上的特点：

　　1. 采用直接耦合方式。

　　2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象,采用了温度补偿的手段 ----输入级是差放电路。

　　3. 大量采用BJT或FET构成恒流源 ,代替大阻值R ,或用于设置静态电流。

　　4. 采用复合管接法以改进单管性能。

　　集成电路分为数字和模拟两大部分。

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第二节　集成运算放大器中的恒流源

一、基本镜象电流源

　　　　 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　电路如图6.1所示。T₁,T₂参数完全相同,即β₁=β₂,I_CEO1=I_CEO2 ，从电路中可知V_BE1=V_BE2，I_E1=I_E2 ，I_C1=I_C2

　　

　　当β>>2时,　　　
　　
　　式中I_R=I_REF称为基准电流，由上式可以看出， 当R确定后，I_R就确定，I_C2也随之而定，我们把I_C2看作是I_R的镜像，所以称图6.1为镜像恒流源。

改进电路一：

　　　　　　

　　图6.2是带有缓冲级的基本镜象电流源,它是针对基本镜象电流源缺点进行的改进， 两者不同之处在于增加了三极管T₃，其目的是减少三极管T₁、T₂的I_B对I_R的分流作用， 提高镜象精度，减少β值不够大带来的影响。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　

改进电路二：

　　　　　　

　　图6.3是带有发射极电阻的镜象电流源，其中R_e1=R_e2 ，两管的输入仍有对称性，所以
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

若此电路R_e1不等于R_e2，则I_C2与（R_e1、R_e2）的比值成比例，因此，此电流源又称为比例电流源。

二、微电流源

　　　 　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
电路如图6.4所示，当I_R一定时，I_C2可确定为：

　　

可见，利用两管基-射电压差 V_BE可以控制I₀。由于 V_BE的数值小，用阻值不大的R_e2即可得微小的工作电流--微电流源。

例：电路如图6.5所示，

　　　

已知：BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　

三、电流源的主要应用-有源负载

　　前面曾提到，增大R_c可以提高共射放大电路的电压增益。但是，R_c不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，R_c越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替R_C，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小。因而不致于减小输出幅度呢？自然地，我们可以考虑晶体管恒流源。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广泛地把它作负载使用--有源负载，如图6.6所示。

　　　 　

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第三节 差分式放大电路

基本概念：

　　
　　图6.7表示一个线性放大器，它有两个输入端， 分别接有信号v_i1和v_i2；输出端的信号为v_o。在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为

　　式中A_VD是差分放大器的差模电压增益。可见电路的两个输入端所共有的任何信号对输出电压都不会有影响。但在一般情况下， 实际的输出电压不仅取决于两个输入信号的差模信号v_id，而且还与两个输入信号的共模信号v_ic有关，它们分别是
　　　　　 　
　　当用差模信号和共模信号表示两个输入信号时，有
　
　 　　　

　　在差模信号和共模信号同时存在时，对于线性放大器而言， 可以利用叠加原理来求出总的输出电压，即　
　　式中 为差模电压放大倍数， 称为共模电压放大倍数。

一、基本差分放大电路 　　　　　　　　　　　　　

1. 基本电路

　　　 　

　　基本差动式放大器如图6.8所示。 图中 T1,T2 是特性相同的晶体管，电路对称,参数也对称。如：V_BE1=V_BE2,R_c1=R_c2=R_c, R_b1=R_b2= R_b,β₁=β₂=β。电路有两个输入端和两个输出端。

2. 工作原理

　　（1）当v_i1=v_i2=0时，即静态时，由于电路完全对称：I_c1 = I_c2= I₀/2, R_c1I_c1 = R_c2I_c2，V_o = V_c1-V_c2 = 0 即输入为0时,输出也为0。

　　（2）加入差模信号时，即v_s1=-v_s2=v_sd/2，从电路看v_B1增大使得i_B1增大,使i_c1增大,使得v_c1减小v_B2减小使得i_B2减小,又使得i_c2减小， 使得v_c2增大.由此可推出：v_o=v_c1 - v_c2=2v_c1，每个变化量v不等于0,所以有信号输出。

　　若在输入端加共模信号,即v_s1=v_s2， 由于电路的对称性和恒流源偏置,理想情况下v_o=0，无输出。

　　这就是所谓"差动"的意思；即两个输入端之间有差别， 输出端才有变动。

3、抑制零点漂移的原理

　　在差分电路中，无论是温度的变化， 还是电流源的波动都会引起两个三极管的i_C及v_C的变化。 这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，在理想情况下， v_o不变，从而抑制了零漂。凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。常见的有：

（1）v_i1 不等于 -v_i2，信号中含有共模信号；

（2）干扰信号(通常是同时作用于输入端)；

（3）零漂。

　　实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的，但输出漂移电压也将大为减小。综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的基本特征。 通常情况下， 我们感兴趣的是差模输入信号，对于这部分有用信号，希望得到尽可能大的放大倍数；而共模输入信号可能反映由于温度变化产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰信号。对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。

4、主要技术指标的计算

　　　
（1）静态工作点的估算

　　 I_C1=I_C2=I_c=I_O/2

　　 V_C1=V_C2=V_cc-I_cR_c

　　 I_B1=I_B2=I_c/β=I_B=I/2β

（2）差摸电压增益和输入、输出电阻

　　差放电路有两个输入端和两个输出端。同样， 输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来,有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出。

　　　　
（a）双入双出电路　　　　　　　　　　　　　　　　

　　差模输入： v_i1=-v_i2=v_id/2，则i_C1上升时, i_C2下降。

　　若电路完全对称时，则△i_C1=△i_C2，因为I_O不变， 因此v_e=0，电路可以用图6.9表示。

　　

　　由上面的计算可见,负载在电路完全对称,双入双出的情况下,A_VD= A_V1,可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。

　　差模输入电阻R_i：从两个输入端看进去的等效电阻 R_i=2r_be

　　差模输出电阻R₀：从两个输出端看进去的等效电阻R₀=2R_C
R₀, R_i是单管的两倍。

（b）双入单出电路

　　对于差模信号:由于另一三极管的C极没有利用， 因此V₀只有双出的一半。
　　　　
　　　　

　　差模输入电阻: 由于输入回路没变,所以R_i=2r_be,

　　差模输出电阻: R₀=R_c1。　　　　　　　　　　　　

（c）单端输入电路

　　对于单端输入，相当与图6.10的b₂接地。当v_i>0时，i_c1增大，使i_e1也增大，v_e增大。由于T₂的b极通过接地，则v_BE2=0-v_e= -v_e，所以有v_BE2减小,i_c2也减小。整个过程，在单端输入v_i的作用下，两个BJT的电流为i_c1增大,i_c2减少。所以单端输入时，差分放大的T₁、T₂仍然工作在差分状态。单端输入与双端输入是一致的。

小结：

① 只要是双端出，不管是单入还是双入，其A_VD、R_i、R_o都是一样的。
　　

② 只要是单端出，不管是单入还是双入，其A_VD、R_i、R_o也是一样的。
　　　

（3）共模电压增益

　　　　　

① 双端输出的A_VC。

　　因为v_i1=v_i2，此时变化量相等，即v_C1=v_C2，因此

　　

　　实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样，A_VC也很小，放大电路的抑制共模能力还是很强的。

② 单端输出的A_VC　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　对于共模信号,因为两边电流同时增大或同时减小.因此在e极处得到的是两倍的i_e。v_e=2i_eR_e,这相当于每个BJT的发射极分别接2R_e电阻,如图6.11所示。(这里的R_e就是恒流源交流等效电阻)因此有

　　

（4）共模抑制比K_CMR

K_CMR是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。定义为：

　　

A_VD越大,A_VC越小.则共模抑制能力越强,放大器的性能越优良,所以K_CMR越大越好。理想情况下：双端输出的K_CMR=∞

单端输出的共模抑制比为：

　

双端输出电路的总输出电压：

　　

单端输出电路的总输出电压：

　　

例1： 集成运放BG305的输入级如图6.12所示，各BJT的β₁= β₂=30，β₃=β₄=β₅=β₆=50，各BJT的V_BE=0.7V，R_b=100K，R_c=50K， R_w=10K(滑动端调至中点)，R_e=1K，R_L即第二级的R_i为23.2K。

求：(1)该放大级的静态工点； (2)差动放大倍数A_VD；
　　(3)差动输入电阻R_i，差动输电阻 R_o。
　　　
解（1）求放大级的静态工点

解（2）差动放大倍数A_VD
　　

解（3）差动输入、出电阻R_i、R_o

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第四节　集成电路运算放大器
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

模拟集成电路的分类　　　　　　　　　　　　　　　　

　　模拟集成电路按功能大致可分为：

　　线性放大器、功率放大器、 比较器、乘法器、稳压器、（D/A 、A/D）转换器、锁相环器件等。

　　其中线性放大器按性能可分为通用型和专用型。 线性放大器中，发展最早、应用最广的是集成运算放大电路。图6.13示出部分运放的实物图。

　　

一、简单集成电路运算放大器
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1、集成运放的基本组成框图和符号（如图6.14所示）

　　
2、一个简单的集成运放（如图6.15所示）

(1)直流分析：

(2)放大电路总增益的计算

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第五节　集成电路运算放大器的主要参数

1、输入失调电压V_IO
　　
　　

2、输入偏置电流I_IB

　　

3、输入失调电流I_IO

　　

　　

4、温度漂移

　　

5、最大差摸输入电压V_idmax

6、最大共摸输入电压V_iCmax

7、最大输出电流I_Omax

8、开环电压增益A_VO　　　　　　　　　　　　　　　

运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增益。

9、开环带宽BW（f_H）

10、单位增益带宽BW（f_T）

11、转换速率S_R

　　

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第六节　场效应管（FET）简介

一、结型场效应管

（一） JFET的结构和特点

1、结构　　

　　　　　

　 　　　　
　　场效应管的结构如图6.18所示，它是在一块N型半导体的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域，用P⁺表示，形成两个P⁺N结。N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极S。 把两边的P区引出电极并连在一起称为栅极G。如果在漏、源极间加上正向电压，N区中的多子（也就是电子）可以导电。它们从源极S出发， 流向漏极D。电流方向由D指向S，称为漏极电流I_D.。由于导电沟道是N型的，故称为N沟道结型场效应管。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2、特点

　　① v_GS＜0，R_i很高；

　　② 电压控制器件；

　　③ 单极性器件；

3、N沟道JFET的输出特性　

　 　
　　在v_GS=0时，沟道电阻最小，I_D达到最大。

　　当v_GS＜0时，耗尽层变大，沟道电阻变大， 相应的I_D下降。因此形成图6.19所示的特性曲线。

4. JFET与BJT的特点比较

(1) 场效应管是电压控制器件：

　　通过V_GS控制i_D。从输出特性看，各条不同输出特性曲线的参变量是V_GS。在恒流区，i_D与V_DS基本无关。并通过跨导g_m=△i_D/△V_GS| V_DS描述场效应管的放大作用。而晶体管是通过i_B控制i_C。参变量是i_B。放大区，i_C与V_CE基本无关。通过电流放大系数β=△i_C/△i_B描述放大作用。

(2)i_G=0。所以，直流、交流R_i都很高。而晶体管b极和e极处于正偏状态，b～e间R_i较小：几千欧。

(3)场效应管利用的是一种极性的多子导电（单极型器件），具有噪声小，受外界T及辐射的影响小等特点（温度稳定性好）。

(4)由于场效应管对称，有时D--S极可互换使用。各项性能基本不受影响。应用时较方便、灵活。但若制造时已将S和衬底连在一起，则D--S不能互换。

(5)场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成，且所占面积小，集成度高。

(6)MOS场效应管R_i高，G极的感应电荷不易泄放。 S_iO2层薄，G极与衬底间等效电容很小，感应电荷少量即可形成高电压， 将S_iO2击穿而损坏管。存放管子时，应将G--S短接，避免G极悬空。焊接时，烙铁外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而击穿管子。

(7)场效应管的应用

　　场效应管在恒流区内工作时，当GS电压变化△V_GS时， D极电流相应变化△i_D。若将△i_D通过较大的R_L， 从R_L上取出的△V₀=△i_DR_L，可能比△V_GS大许多倍，即△V_GS得到了放大。所以场效应管和晶体管一样在电路中可起放大的作用。　

FET BJT 电压控制器件gm=△iD/△VGS| VSD 电流控制器件β=△ic/△ iB∣vCE 输入端PN结反偏，iG=0，Ri很大 输入端PN结正偏，ib≠0，rbe较小 单极型器件，一种载流子：噪声小，温度稳定性好 双极型器件，两种种载流子：噪 声较大，温度稳定性较差 结构对称，D-S极可以互换 结构非对称，C-E极不能互换 可以作为性能较好的压控电阻器 线性效果差 场效应管的制造工艺简单具有对称性，有利于大规模集成，且所占面积小，集成度高 三极管的结构非对称，制造工艺较场效应管复杂，集成度不够高 。

二、MOS型场效应管

　　 　　
　　JFET的输入电阻可达10⁷欧姆，但就本质而言，这是PN结的反向电阻，而反向偏置时总有反向电流存在， 这就限制了在某些工作条件下对阻值的更高要求。同时，从制造工艺看， 把它高度集成化还比较复杂。

　　绝缘栅型场效应管由金属 - 氧化物 -半导体场效应管制成，称为Metal-Oxide-Semiconductor，简称为MOSFET，这种场效应管的栅极被绝缘层（例如S_iO2）隔离，因此R_i 更高，可达10⁹ 欧姆以上。

　　MOS管与JFET的不同之处在于它们的导电机构和电流控制原理不同 。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制I_D，OSFET则是利用半导体表面的电场效应， 由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。

　　MOS管分为N沟道和P沟道两类, 每一类又分为增强型和耗尽型：

　　增强型：当V_GS=0,无导电沟道,I_D＝0

　　耗尽型：当V_GS=0,有导电沟道,I_D≠0

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