6.1集成電路運(yùn)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(dāng)三級(jí)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(dāng)負(fù)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(fù)載

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

3.電流源的應(yīng)用

(1)為集成運(yùn)放各級(jí)提供穩(wěn)定的偏置電流;

(2)作為各放大級(jí)的有源負(fù)載，提高電壓增益。

6.2差分式放大電路

主要作用：作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，抑制零點(diǎn)漂移。

一、基本差分放大電路

電路特點(diǎn)：由兩個(gè)互為發(fā)射極耦合的共射電路組成，電路參數(shù)完全對(duì)稱。它有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，當(dāng)輸出信號(hào)從任一集電極取出，稱為單端輸出，而當(dāng)從兩個(gè)集電極之間取出，則稱為雙端輸出或浮動(dòng)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(wú)外輸入信號(hào)時(shí)電路所處的狀態(tài)。因此，在進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，應(yīng)把輸入信號(hào)置零，即輸入端短路。

共用電阻Re在半電路中應(yīng)等效為2*Re。

3.動(dòng)態(tài)分析

(1)差模信號(hào)與共模信號(hào)

在討論差分放大電路的性能特點(diǎn)時(shí)，必須先區(qū)分差模信號(hào)和共模信號(hào)這兩個(gè)不同的概念，因?yàn)椴罘址糯箅娐穼?duì)差模信號(hào)和共模信號(hào)具有完全不同的放大性能。

一對(duì)任意數(shù)值的輸入信號(hào)可以用差模信號(hào)和共模信號(hào)來(lái)表示。通常，可以認(rèn)為，共模信號(hào)是由一對(duì)幅值相等、極性相同的輸入信號(hào)組成，差模信號(hào)是由一對(duì)幅值相等、極性相反的輸入信號(hào)組成。

(2)垂直對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的二等分

垂直對(duì)稱二端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)在兩輸入端分別加上幅值相等、極性相同的信號(hào)和幅值相等、極性相反的輸入信號(hào)時(shí)，其垂直對(duì)稱線上分別等效為開路和對(duì)地短接。這樣，一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)變分解為兩個(gè)半網(wǎng)絡(luò)。

(3)差模信號(hào)輸入

將差分放大電路分解為兩個(gè)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(duì)差模輸入電壓的比值，單端輸出時(shí)差模增益為雙端輸出時(shí)的一半。

②差模輸入電阻：指差分放大電路從兩輸入端看進(jìn)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：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)，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(shí)，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(hào)輸入

將差分放大電路分解為兩個(gè)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(shí)，共模電壓增益為0，因此，一般只考慮單端輸出時(shí)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(biāo)之一，它表明了差分放大電路放大差模輸入信號(hào)和抑制共模信號(hào)的相對(duì)能力。

(6)抑制零點(diǎn)漂移的原理

利用電路的對(duì)稱性和發(fā)射級(jí)電阻Re或恒流源形成的共模負(fù)反饋。

二、有源負(fù)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(duì)稱外，還應(yīng)增大發(fā)射極電阻Re。但是Re過(guò)大，不僅集成工藝難以實(shí)現(xiàn)，而且會(huì)使放大電路兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流偏低。為了解決這個(gè)矛盾，可以采用有源負(fù)載電路來(lái)代替Re。實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。

三、問(wèn)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?yàn)镽e電阻對(duì)輸入信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)的共模分量，形成較強(qiáng)的負(fù)反饋來(lái)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(hào)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(wú)耦合電容，Rs的不同會(huì)影響管子的靜態(tài)工作點(diǎn)，Rs不同影響也不同。一般經(jīng)常在信號(hào)源和輸入管基極間接較大的電阻Rs。

6.3集成電路運(yùn)算放大器

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

輸入級(jí)：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(hào)能力，提高輸入電阻。

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

輸出級(jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

6.4集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

一、輸入誤差信號(hào)：

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(kuò)展閱讀：運(yùn)算放大器的基本原理