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6.1集成电路运算放大器中的电流源 1．基本电流源 2．有源负载 3．电流源的应用 6.2差分式放大电路 主要作用：作为多级放大电路的输入级，抑制零点漂移。 1．差分式放大电路的类型： 2．静态分析 3．动态分析 （3）差模信号输入 二、有源负载差分放大电路（带恒流源电路） 从以上分析可以看出，为了增大共模抑制比，除了力求差分放大电路完全对称外，还应增大发射极电阻Re。但是Re过大，不仅集成工艺难以实现，而且会使放大电路两管的静态工作点电流偏低。为了解决这个矛盾，可以采用有源负载电路来代替Re。实践证明，采用恒流源电路的差分放大电路，其共模抑制比可提高1～2个数量级。 三、问题 （1）在差分式放大电路的射极电阻Re上是否要加旁路电容Ce？ （2）在差分放大电路分析中，为什么要考虑信号源内阻Rs？ 6.3集成电路运算放大器 集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路，通常由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。 6.4集成电路运算放大器的主要参数 一、输入误差信号： 基本要求
难点重点 1．学好差分放大电路，应把重点放在如何正确画出半电路的直流通路、差模等效电路和共模等效电路上，即要正确决定电路中各个电阻（特别是共用电阻）在不同工作状态的值。 2．为了熟练掌握差分放大电路的输入输出方式，应掌握如下规律： （1）从输出端来说，双端输出是充分利用了两管的放大能力，而单端输出只利用了单边的放大能力。差分放大电路实质上是利用电路的复杂性来换取抑制零点漂移的效果。 （2）从输入端来说，因为单端输入可以等效为双端差模输入和共模输入的叠加，所以单端输入的效果与双端输入几乎一样。 （3）在进行差分放大电路静态工作点的估算时，要特别注意在单端输出的情况下，虽然两管的BQ、EQ、CQ取决于射极回路，因而是两垂直对称的，但两管的集电极电流却是不对称的。 3．差分式放大电路的特点 （1）在电路组成上引入共模负反馈，电路具有对称性。分为长尾电路和带恒流源的电路。 （2）在电路性能上有较强的抑制共模信号（抑制零点飘移）能力和放大差模信号的能力。 例1．集成运放的输入级为什么采用差分式放大电路？对集成运放的中间级和输出级各有什么要求？一般采用什么样的电路形式？ 集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路，直耦多级放大电路存在零点漂移现象，尤以输入级的零点漂移最为严重。差动放大电路利用电路的对称性和发射级电阻Re或恒流源形成的共模负反馈，对零点漂移有很强的抑制所用，所以输入级常采用差分放大电路，它对共模信号有很强的抑制力。 中间级主要是提供高的电压增益，中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。 输出级主要是降低输出电阻，提高带负载能力。输出级主要由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。
思路：首先画出差模信号工作时电路交流通路,Re电阻交流短接。然后利用第三章放大电路分析方法进行求解。 1、集成运算放大器是一种采用______耦合方式的放大电路，最常见的问题是__________，限于集成工艺的限制，在内部组成上，对高阻值电阻通常采用由三极管或场效应管组成的________来替代，或是采用________的方法来解决。 （答案）直接；零点漂移；恒流源；外接 2、在差动放大电路中，若Vs1=18mV，Vs2=10mV，则输入差模电压Vsd =______mV，共模输入电压Vsc=______mV；若差模电压增益Avd= - 10，共模电压增益Avc= - 0.2，则差动放大电路单端输出电压Vo1=______mV。 （答案）8;14;-92
d c 差动放大电路放大差模输入，抑制共模输入；Ｒe越大，ｋCMR越大。 4.某差动放大电路如图，选择正确答案。 （答案与提示） a c b 差模放大时，Re或电流源内阻交流短接；共模放大时，它们才起作用。 5..差分式放大电路如图。电位器Rw的滑动端位于中点，T1,T2管对称。参数β=60，ｒbe=2.6KΩ,ＶBE=0.7V b a c d ｕo＝AvdVvd+AvcVic 由于集成电路技术趋于成熟，差分放大器和运算放大器具有极好的性能，比较便宜而且使用方便。本章涉及这些放大器的理论，包括差分放大器的相位关系、共模抑制比、运算放大器的功率带宽、小信号的带宽和电压增益计算等，并介绍它们的一些应用。 13－1差分放大器 13．1．1差分放大器的结构 差分放大器响应两个输入信号之差，它有两个输入端。图13－1是差分放大器的基本电路，通常采用双电源偏置，图中－UEE电源使发射结正偏，＋UCC使集电极反偏。
如图13－2，信号加在差分放大器两个输入端中的一个 ，信号能从两个集电极输出。假设正向变化的输入信号加到Q1的基极，因为它是NPN的三极管，Q1的导电性增加。因为Q1电流增加，降在Q1集电极电阻RC上的电压也增加。使得Q1的集电极电位下降。因此Q1集电极得到反相输出。 是什么使Q2集电极上产生信号？由于增大正向输入Q1进一步导通，通过RE的电流增加。公共的发射极电压升高。随着Q2发射极电位升高，Q2电流减少，Q2集电极电阻上的压降减少，它的集电极电压随之升高。
实际上，差分放大器的发射极总电流是不变的。让我们用一些数字来说明为什么在图13－2中两个集电极都有输出信号而RE上的电流没有变。假设静态时，发射极电压是－0.7V。我们还假设两个三极管的UB是0V。这是合理的，因为基极电流很小，因此基极电阻上的电压降接近零。结合两个假设，在没有输入信号时，两个晶体管的UBE是0.7V。现在一个正的0.05V增量信号加到Q1基极，该电压使Q1的发射极也作出相应响应，假设变到－0.67。因为两管的发射极是接在一起，现在Q2的UBE是＋0.67V，Q2的电流变小，因为它的正向偏压减小。因此，施加到Q1基极的正增量使Q1的UBE升到0.72V，使Q2的UBE降到0.67V，如果Q1增加的电流等于Q2减少的电流，那么RE上的电流不变。 这种解释对吗？RE上的电流变化还是不变？实际上图13－2的RE上的电流会稍微有些变化。当差分放大器的RE用恒流源代替时，从Q2上的输出信号，必须解释为两个晶体管的UBE电压降在改变。 从图13－2看，两个集电极分成反相输出端和同相输出端。从地到其中一个集电极端的输出称作单端输出。从Q1集电极到Q2的集电极的输出称作差动输出。差动输出信号是单端输出信号振幅的两倍。例如，如果Q1的集电极变化负2V，Q2的集电极变化正2V，它们的差是(+2)－(－2) =4V。 差分放大器也能输入差动信号，如图13－3所示。 13．1．2差分放大器对干扰噪声抑制 差分电路的优点是能够使交流哼声和噪声明显地减少。电力线的交流哼声，是电子技术普遍的问题，特别对高增益放大器，50Hz的电力网络发射出能被敏感的电子线路接收的信号。如果，交流哼声同时加到两个输入端，它不影响差动输出。 图13－4说明哼声是如何影响有用信号，哼声和噪声可能比有用的信号更强，使有用信号变差。 图13－5显示一个含有噪声差动信号。注意，加到两个输入端的哼声信号的相位和幅度是相同的，称作共模信号。在差分放大器中共模信号被极大地抑制。
如果在图13－3中的发射极电阻用恒流源代替，两个输入端加上一个共模信号时，晶体管保持同样电流。因为电流不变，两个集电极电压都不变。理想情况下，输入共模信号时，输出信号是零。这种理想情况不会出现，因为这就要求晶体管和电阻绝对的对称。同样，理想的恒流源也是不存在的，在共模信号输入时，电流总要发生轻微的变化。 实际上，差分放大器不是完全对称的。例如两个晶体管的增益稍微有些不同。这意味着输出端有一些共模信号。对共模信号的抑制能力被称作共模抑制比(CMRR)： CMRR＝ A u(dif) /Acm 这里 Au(dif)＝ 放大器对差动信号单端输出的电压增益（通常差分放大器的增益指单端输出） Acm=放大器对共模信号单端输出的电压增益
假设共模输入UCMin=1V，输出UCMo0.05V。共模电压增益是： 同样，假设差动输入Udin =0.1V， 输出Udo =10V。差动电压增益是： Au(dif) =Udo/Udin＝ 10V /0.1V = 100 放大器的共模抑制比是： CMRR＝100/0.05 =2000 CMRR（dB） ＝ 20×log 2000= 66dB 例13－1 放大器的差动增益是30dB，共模增益是－26dB。此放大器的共模抑制比是多少? 当差动增益和共模增益用分贝表示时，共模抑制比可以用减法来计算。 CMRR＝ 30dB－（－26）dB＝56dB 某些差分放大器的共模抑制比超过100dB。它们能有效地抑制共模信号。 13-2 13．2．1差分放大器直流偏置 差分放大器的特点可以通过典型电路的交流、直流工作情况来说明。根据图13－6电路的参数，我们就可以分析电路的交、直流工作特性。 为了简化图13－6电路的分析，我们作两个假设。一是因为基极电流很小，假设三极管的基极与地同电位；第二假定三极管是导通的。如果基极是0V，那么发射极必定为－0.7V，这是使晶体管导通的必需条件。 利用基本的假设，我们先分析电路的直流工作特性，用RE两端的电位求出它的压降。 URE＝（ －0.7V）－（－12V）= 11.3V
求出发射极电阻上的电流： 假设两边是平衡的，每个晶体管将通过一半电流。 照例，我们假设集电极电流等于发射极电流。每个集电极电阻的压降是： URC=1.45mA×4.7kΩ=6.81V 用基尔霍电压定律求UCE： UCE =UCC－URC－UE＝ 12－6.81－(－0.7)＝5.89V 上述对直流的分析说明了图13－6差分放大器的静态特性具有好的线性工作范围。注意集电极到发射极的电压大约是集电极电源电压的一半。另外，对于2N222，假设β是200，基极电流是： IB＝ IC/β ＝ 1..45/200＝7.3μA 每个10kΩ的基极电阻上流过IB，电阻上的电压降是： URB = 7.3μA×10kΩ = 73mV 每个基极相对地是－73mV。记住基极电子电流是从NPN晶体管流出的。电流流向使图13－6的基极对地有微微负电位。73mV与UBE=700mV相比是很小的，因此前面的假设是合理的。 13．3．2差动增益 现在我们分析电路的交流工作特性。首先求发射极的交流电阻： re = 50/IE = 50/1.45 = 34.5Ω 发射极的交流电阻可用25－50mV压降估算。对图13－6的电路，用较高值估算较准确。 知道re就可以求差分放大器的增益。实际上要求两个增益：（1）差动电压增益 （2）共模电压增益。图13－7显示了放大器单端输入时的交流等效电路，注意re是出现在两个发射极电路里。单端输出差动电压增益（Au(dif)）等于集电极负载电阻除以两倍的re。
图13－7的RE上的电流很小，因此在计算电压增益的公式中没有包含它。信号源加在Q1的基极，它的发射极信号电流流过34.5Ω发射极交流电阻，该电流也流过Q2的34.5Ω的交流发射极电阻。在这个电路里Q2看作共基极放大电路，它是由Q1的发射极驱动Q2的发射极。这就是为什么计算增益公式的分母含有2×re(两个34.5Ω对信号电流来说被看作是串联)，RE比交流发射极电阻大很多，可以忽略。
在图13－7中的基极电阻也会影响差动电压的增益。当电阻很小时，它们可以被忽略。如果电阻很大，它们会减少增益，原因是在基极、发射极信号电流流过该电阻。基极电阻的影响可以通过增大晶体管的电流增益 β减少。从发射极看，基极电阻对于交流信号电流影响很小，以致于即使在13－7图中基极电阻相当大，比如10kΩ，其等效基极交流电阻可用下式求得：
交流基极电阻减少了放大器的增益： 在本例中，基极电阻在计算增益时只出现一次（不能乘2），因为信号源只加到一个基极。在图13－7中只有右边基极电阻影响信号电流。 考虑交流基极电阻，能对差动增益提供更精确的估算，但不是必须的。由于我们为估算re使用保守的50mV，对于图13－7增益很可能在68左右。设计师常常用很保守的方法以保证实际电路增益的最小值和他们的计算值一样大。增益高比增益不足的问题容易解决。 13．2．3共模增益与共模抑制比
68倍差动增益是一个较大的值。我们已经知道共模增益是很小的。为了分析共模信号的增益，图13－8显示交流等效电路。这里没画34.5Ω的晶体管发射极电阻，它们比7.8kΩ小很多可以忽略。RE实际上是一个3.9kΩ的电阻，然而它流过了两个晶体管的电流，共模信号在同方向驱动两个晶体管基极，因此，考虑信号向正向变化的情况，两个晶体管更加导通，RE上必定流过单一晶体管电流增量的两倍，对单个晶体管而言RE增加了一倍。从Q2上取出输出信号如图13－8所示，考虑Q2的增益，它的发射极电阻相当于7.8kΩ使得共模增益比1小。
在交流差动放大器分析中，我们已经知道差动增益是68倍，共模增益是0.603。它们的比是 ： 我们能够认为这个差分放大器的差动信号增益几乎是共模信号的增益的112.8倍，在很多应用中它对于消除噪声很有好处。分贝共模抑制比是： CMRR = 20×log 112.8 = 41.04dB 这个简单的电路共模抑制比是41.04 dB。但是在有些应用中，要求是很苛刻的，要求有更高的性能。再看共模增益公式 ： Acm＝RL/(2×RE) 上式说明如果RE制造得很大，那么共模电压增益变得很小。用一个高电压的发射极电源（UEE）是实现这一目的的一种方法。 例如，如果UEE是90V，假设发射极的总电流还是大约2.9mA，RE将增大： 在差分放大器中，用这样的电阻可以使共模增益减少到0.076。但是，在很多放大器中不能使用90V电源。
例13－2 对于图13－8的电路，如果发射极电流不变，RE是47kΩ，它的共模抑制比是多少？ 发射极电阻不影响差动增益。差动增益保持原来的68倍，则： Acm=4.7k/2×47k=0.05 CMRR = 20×log（68 / 0.05） = 62.7dB 图13－9表明了一种较好的解决方法。RE用电流源取代。电流源包含两个电阻、一个稳压二极管和一个三极管Q3，稳压二极管用－12V电源来偏置。680Ω电阻用于限制它的稳压电流，稳压管负极相对于正极是5.1V，该电压是Q3的基极发射极电路的正偏电压。如果我们减去UBE，我们可以确定2.2kΩ电阻上流过的电流： Q3的发射极电流是2mA，集电极电流等于发射极电流。这样，图13－9中Q3的集电极供给差分放大器发射极2mA电流。 图13－9中Q3组成的电流源有很高的交流电阻。这个电阻是Q3的集电极与发射极之间的交流电阻和2.2kΩ发射极电阻的函数。
一个小型晶体管的集电极典型的交流电阻范围是50到200kΩ之间。图13－10显示的三极管集电极曲线比较平坦。曲线显示集电极到发射极电压变化20V时，集电极电流变化0.2mA。集电极到发射极的交流电阻是： rc =ΔUCE /ΔIC =20V / 0.2mA = 100kΩ Q3的发射极交流电阻用熟悉的方法估算： re = 50mV /IE = 50mV /2mA = 25Ω
下面公式能够用来估算图13－9中Q3、2.2kΩ发射极电阻等组成的恒流源的交流电阻：
这个交流电阻的值相当高，使图13－9中放大器的共模增益非常小：
图13－9的电流源提供放大管Q1、Q2每管的偏置电流,是1mA，re = 50mV /IE = 50mV /1mA＝50Ω，因此电路的差动增益： Au(dif)=4.7k/2×50=47 图13－9电路的共模抑制比是很大的： CMRR = 20× log(47/(0.264×10-3) = 105dB 实际上，要达到这样高共模抑制比是困难的。然而，图13－9的电路比图13－6显然要好。在CMRR必须最优化时，可用配对元件和激光修整元件。具有差分输入级的集成放大器通常有高的共模抑制比，因为晶体管和电阻有很好匹配与热补偿。 输入电阻也是差分放大器的重要性质，在第十一章我们已讲过怎样计算共发射极放大器的输入电阻rin=(1+β)re≈βre。差分放大器的输入电阻实质上是两个输入端之间的等效电阻，其交流等效电路相当于两个re串联，因此，差分放大器的等效输入电阻是： rin=2(1+β)re≈2βre 例13－3 解：rin=2βre＝2×200×50mV/1mA=20 kΩ 差分放大器的输入阻抗要比单管CE放大器高，如果要求有很高的输入电阻就要设法增大β和re，增大β使用超β管或达林顿结构，增大re通常让差分对管有很小的静态电流。使用这些措施差分放大器的输入电阻可以大于106Ω。 |
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例2．差分式放大器如图，已知 Vcc=6V，Rb=6KΩ，Rc=6KΩ，Re=5.1KΩ，
射极电阻Re上电流ＩE=（ＶE+ＶEE）/Re =1.04mA ，因为T1、T2对称性，
所以，Avd=-84
（答案与提示）
