6.1集成電路運算放大器中的電流源

1.基本電流源

分壓式射極偏置電路為基本電流源電路。當三級管工作在放大區(qū)，由于射極電流僅由兩分壓電阻決定，因此當負載發(fā)生變化(也即集電極電阻發(fā)生變化)，輸出電流(即集電極電流)保持不變，體現(xiàn)了恒流特性。

2.有源負載

由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點，因此在模擬集成電路中，常把它作為負載使用，稱為有源負載。

3.電流源的應用

(1)為集成運放各級提供穩(wěn)定的偏置電流;

(2)作為各放大級的有源負載，提高電壓增益。

6.2差分式放大電路

主要作用：作為多級放大電路的輸入級，抑制零點漂移。

一、基本差分放大電路

電路特點：由兩個互為發(fā)射極耦合的共射電路組成，電路參數(shù)完全對稱。它有兩個輸入端，兩個輸出端，當輸出信號從任一集電極取出，稱為單端輸出，而當從兩個集電極之間取出，則稱為雙端輸出或浮動輸出。

1.差分式放大電路的類型：

按輸入和輸出的方式分為：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。

2.靜態(tài)分析

靜態(tài)是指無外輸入信號時電路所處的狀態(tài)。因此，在進行靜態(tài)分析時，應把輸入信號置零，即輸入端短路。

共用電阻Re在半電路中應等效為2*Re。

3.動態(tài)分析

(1)差模信號與共模信號

在討論差分放大電路的性能特點時，必須先區(qū)分差模信號和共模信號這兩個不同的概念，因為差分放大電路對差模信號和共模信號具有完全不同的放大性能。

一對任意數(shù)值的輸入信號可以用差模信號和共模信號來表示。通常，可以認為，共模信號是由一對幅值相等、極性相同的輸入信號組成，差模信號是由一對幅值相等、極性相反的輸入信號組成。

(2)垂直對稱網(wǎng)絡的二等分

垂直對稱二端口網(wǎng)絡，當在兩輸入端分別加上幅值相等、極性相同的信號和幅值相等、極性相反的輸入信號時，其垂直對稱線上分別等效為開路和對地短接。這樣，一個二端口網(wǎng)絡變分解為兩個半網(wǎng)絡。

(3)差模信號輸入

將差分放大電路分解為兩個半電路，在半電路中：

雙端輸入：共用電阻Re短接或恒流源交流短接;單端輸入共用電阻Re或恒流源開路。

①差模增益：指差分放大電路差模輸出電壓對差模輸入電壓的比值，單端輸出時差模增益為雙端輸出時的一半。

②差模輸入電阻：指差分放大電路從兩輸入端看進去所呈現(xiàn)的電阻，其值為兩共射放大電路輸入電阻之和。

③差模輸出電阻：單端輸出時，任一端的差模輸出電阻即為共射放大電路的輸出電阻;雙端輸出時，差模輸出電阻為兩共射放大電路輸出電阻之和。

(4)共模信號輸入

將差分放大電路分解為兩個半電路，在半電路中 共用電阻Re等效為2*Re。

①共模增益：雙端輸出時，共模電壓增益為0，因此，一般只考慮單端輸出時共模電壓增益。

②共模輸入電阻：差分放大電路任一輸入端看入的電阻。

③共模輸出電阻：差分放大電路任一輸出端呈現(xiàn)的電阻。

(5)共模抑制比

共模抑制比是差分放大電路的重要性能指標之一，它表明了差分放大電路放大差模輸入信號和抑制共模信號的相對能力。

(6)抑制零點漂移的原理

利用電路的對稱性和發(fā)射級電阻Re或恒流源形成的共模負反饋。

二、有源負載差分放大電路(帶恒流源電路)

從以上分析可以看出，為了增大共模抑制比，除了力求差分放大電路完全對稱外，還應增大發(fā)射極電阻Re。但是Re過大，不僅集成工藝難以實現(xiàn)，而且會使放大電路兩管的靜態(tài)工作點電流偏低。為了解決這個矛盾，可以采用有源負載電路來代替Re。實踐證明，采用恒流源電路的差分放大電路，其共模抑制比可提高1～2個數(shù)量級。

三、問題

(1)在差分式放大電路的射極電阻Re上是否要加旁路電容Ce?

答：不能加。因為Re電阻對輸入信號的差模分量，其上電流的變化量為0，所以不必加旁路電容Ce。再者Re對輸入信號的共模分量，形成較強的負反饋來抑制零漂，所以不能加旁路電容Ce。

(2)在差分放大電路分析中，為什么要考慮信號源內(nèi)阻Rs?

答：差分式放大電路是直接耦合放大電路，輸入端無耦合電容，Rs的不同會影響管子的靜態(tài)工作點，Rs不同影響也不同。一般經(jīng)常在信號源和輸入管基極間接較大的電阻Rs。

6.3集成電路運算放大器

集成運算放大器是一種高增益的直接耦合多級放大電路，通常由輸入級、中間級、輸出級及偏置電路組成。

輸入級：通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。主要作用是提高抑制共模信號能力，提高輸入電阻。

中間級：帶恒流源負載和復合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級，主要作用是提高電壓增益。

輸出級：采用互補對稱功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負載能力。

6.4集成電路運算放大器的主要參數(shù)

一、輸入誤差信號：

輸入失調(diào)電壓VIO和輸入失調(diào)電流IIO;

輸入失調(diào)電壓溫漂ΔVIO/ΔT和輸入失調(diào)電流溫漂ΔIIO/ΔT;

輸入偏置電流IIB

二、開環(huán)差模參數(shù)

開環(huán)差模電壓增益AVO、最大差模輸入電壓Vidmax、差模輸入電阻Rid、開環(huán)輸出電阻Rod、最大輸出電流Iomax、開環(huán)帶寬 BW、單位增益帶寬 BWG等。

三、共模參數(shù)

共模抑制比KCMR、最大共模輸入電壓Vicmax、共模輸入電阻Ric

四、瞬態(tài)參數(shù)

轉(zhuǎn)換速率SR等。

五、電源參數(shù)

電源電壓范圍、靜態(tài)功耗等。

擴展閱讀：運算放大器的基本原理