1、第六章集成运算放大器电路原理第六章集成运算放大器电路原理第六章集成运算放大器电路原理6.1集成运算放大器的电路特点集成运算放大器的电路特点6.2电流源电路电流源电路6.3差动放大电路差动放大电路6.4集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路6.5集成运放电路举例集成运放电路举例6.6MOS集成运算放大器集成运算放大器6.7集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标第六章集成运算放大器电路原理6.1集成运算放大器的电路特点集成运算放大器的电路特点集成运放是一种多级放大电路，性能理想的运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在电路的选
2、择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。因此，集成运放在电路设计上具有许多特点，主要有：(1)级间采用直接耦合方式。目前，采用集成电路工艺还不能制作大电容和电感。因此，集成运放电路中各级间的耦合只能采用直接耦合方式。第六章集成运算放大器电路原理(2)尽可能用有源器件代替无源元件。集成电路中制作的电阻、电容，其数值和精度与它所占用的芯片面积成比例，数值越大，精度越高，则占用芯片面积就越大。相反，制作晶体管不仅方便(因为制造工序就是按制作最佳性能的NPN晶体管而设计的)，而且占用芯片面积也小。所以在集成运放电路中，一方面应避免使用大电阻和电容，另一方面应尽可能用晶体管去代替电阻、电容。第六章
3、集成运算放大器电路原理(3)利用对称结构改善电路性能。由集成工艺制造的元器件其参数误差较大，但同类元器件都经历相同的工艺流程，所以它们的参数一致性好。另外，元器件都做在基本等温的同一芯片上，所以温度的匹配性也好。因此，在集成运放的电路设计中，应尽可能使电路性能取决于元器件参数的比值，而不依赖于元器件参数本身，以保证电路参数的准确及性能稳定。第六章集成运算放大器电路原理集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，它一般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成，如图6.1.1所示。输入级通常采用对称结构的差动放大器，中间级多采用有源负载的共射极放大器，射随器或互补射随器常用来作输
4、出级，而各级的偏流和有源负载均由电流源提供。下面将分别介绍这些电路的基本形式，重点讨论电流源电路和差动放大电路。第六章集成运算放大器电路原理图6.1.1集成运算放大器组成框图第六章集成运算放大器电路原理6.2电电 流流 源源 电电 路路1.单管电流源电路单管电流源电路图6.2.1(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个电流源。由交流等效电路可知，它的动态内阻为rce，是一个很大的电阻。为了使IC更加稳定，可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)，便得到图6.2.1(b
5、)所示的单管电流源电路。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.1单管电流源电路(a)晶体管的恒流特性；(b)电流源电路；(c)等效电流源表示法第六章集成运算放大器电路原理图6.2.1(c)为该电路等效的电流源表示法，图中Ro为等效电流源的动态内阻。利用图6.2.1(b)电路的交流等效电路可以证明，Ro近似为B3be3ceo1RRrRrR(6.2.1)式中，RB=R1R2。rce=UA/ICQ,若晶体管厄尔利电压UA=100 V，工作点电流ICQ=50A,则rce=2M。第六章集成运算放大器电路原理2.镜像电流源镜像电流源在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。为此，用一个与恒流管完全相同的
6、晶体管V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3，便得到图6.2.2所示的镜像电流源电路。由图可知，参考电流Ir为rCCrBECCrRURUUI(6.2.2)由于两管的e结连在一起，因此IB相同，IC也相同。由图可知第六章集成运算放大器电路原理1211222CrBrCCIIIIII因此可得1122rCII(6.2.3)如果11,则IC2Ir。可见，只要Ir一定，I2就恒定；改变Ir,IC2也跟着改变。两者的关系好比物与镜中的物像一样，故称为镜像电流源。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.2 镜像电流源第六章集成运算放大器电路原理将上述原理推广，可得多路镜像电流源，如图6.2.3所示。
7、图中为三路电流源，V5管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有V5管时，IC1=Ir4IB1,加了V5管后，IC1=Ir4IB1/(1+5)，故可得rCCCIIII4)1()1(5151432(6.2.4)因1(1+5)4容易满足，所以各路电流更接近Ir，并且受的温度影响也小。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.3多路镜像电流源第六章集成运算放大器电路原理在集成电路中，多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的，图6.2.4(a)电路就是一个例子。它利用一个三集电极横向PNP管(横向PNP管是采用标准工艺，在制作NPN管过程中同时制作出来的一种PNP管)组成双路电流源，其等价电路如图6.2
8、.4(b)所示。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.4多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向PNP管电路；(b)等价电路第六章集成运算放大器电路原理3.比例电流源比例电流源如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系，可采用图6.2.5所示的比例电流源电路。由图可知22EBE21E1BE1RIURIU(6.2.5)因为S2S1S2E2TBE21S1ETBE1lnlnIIIIUUIIUU第六章集成运算放大器电路原理所以 E1E2TE2E1TBE2BE1lnlnIIUIIUUU(6.2.6)当两管的射极电流相差10倍以内时：mV6010lnlnTE2E1TBE2BE1UIIUUU第六章集成运
9、算放大器电路原理 即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1UBE2。这样，式(6.2.5)简化为 r21C22E21E1IRRIRIRI若1，则IE1Ir,IE2IC2,由此得出(6.2.7)(6.2.8)第六章集成运算放大器电路原理 可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。参考电流Ir现在应按下式计算：1rCC1rBE1CCrRRURRUUI(6.2.9)第六章集成运算放大器电路原理 4.微电流电流源微电流电流源 在集成电路中，有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电流源，Rr势必过大。这时可令图6.2.5电路
10、中的R1=0,便得到图6.2.6所示的微电流电流源电路。由式(6.2.5)、(6.2.6)可知，在R1=0时：E2E12TBE2BE12E2ln)(1IIRUUURI当1时，IE1Ir,IE2IC2，由此可得C2rC2T2lnIIIUR(6.2.10)第六章集成运算放大器电路原理图6.2.6微电流电流源第六章集成运算放大器电路原理 此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10A时，则R2为 k12101000ln10101026632R如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr15k。由此可见，要得到10A的电流，在UCC=15V时
11、，采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27k。如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5M。第六章集成运算放大器电路原理 五、负反馈型电流源五、负反馈型电流源 以上介绍的几种电流源，虽然电路简单，但有两个共同的缺点：一是动态内阻不够大，二是受变化的影响比较大。解决的办法是在电路中引入电流负反馈。图6.2.7电路就是一种常用的负反馈型电流源，又称为威尔逊电流源。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.7威尔逊电流源第六章集成运算放大器电路原理它是通过在恒流管V3的射极和基极之间接入一个镜像电流源而起负反馈作用的。当V3管输出电流发生变化时，通过镜像电流的自动调整作用使输出电流稳定。例如，由于某
12、种原因要使IC3增大时，由图可见，IE3要增大，因镜像关系IC1也相应地要增大，在Ir固定的条件下，将引起IB3减小，使得IC3不能增大，从而稳定了IC3。由图6.2.7可知，参考电流Ir为第六章集成运算放大器电路原理22C1C1C3E33E33C3C2C13C3C1B3C1rrBECCr2BEBE3CCr1,2IIIIIIIIIIIIIRUURUUUI(6.2.11)若三管特性相同，则1=2=3=,求解以上各式可得r23C)2221(II(6.2.12)第六章集成运算放大器电路原理 可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且输出电流受的影响也大大减小。图6.2.8给出了另一种反馈型电流源电
13、路。它由两个镜像电流源串接在一起组成，故称串接电流源。关于它的稳流原理留给读者自行分析。利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为ceo2rR(6.2.13)第六章集成运算放大器电路原理图6.2.8串接电流源第六章集成运算放大器电路原理6.有源负载放大器有源负载放大器集成运放要有极高的电压增益，这是通过多级放大器级联实现的。在电压增益一定时，为了减少级数，就必须提高单级放大器的电压增益。因此，在集成运放中，放大器多以电流源作有源负载。典型的有源负载共射极放大电路如图6.2.9(a)所示。图中，V2、V3管构成镜像电流源作V1管的集电极负载。因为该电流源的动态内阻为rce3，所以此时V1
14、管的电压增益只需将共射增益表达式中的RC用rce3取代即可。若实际负载RL通过射随器隔离后接入，则该级放大器可获得极高的电压增益。第六章集成运算放大器电路原理图6.2.9有源负载放大器(a)共射极放大电路；(b)具有倒相功能的共射极放大电路第六章集成运算放大器电路原理图6.2.9(b)为另一种接法的有源负载共射极放大电路。V3、V2管组成镜像电流源作V1管的有源负载，而输出取自恒流管V2的集电极。由图可知，当ui使IC1增大IC1时，IC3IC1,而IC2=IC3，所以IC2IC1。按图上所标电流变化量的实际方向看，输出电压uo将和ui同相。因此，该放大器在实现电压放大的同时，还具有倒相功能(
15、共射极放大器原是反相输出，现在变为了同相)。第六章集成运算放大器电路原理6.3差动放大电路差动放大电路6.3.1零点漂移现象零点漂移现象单级共射极放大器如图6.3.1所示。由前面讨论可知，在静态时，由于温度变化、电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下漂动。我们把这种现象称为零点漂移现象。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.1放大器的零点漂移第六章集成运算放大器电路原理在阻容耦合电路中，因耦合电容的存在，输入级工作点的缓慢漂动很难传到下一级去，因此可以忽略它的影响。但对直接耦合放大电路就不同了，这种漂动会像信号一样，直接被送到后级电路进行逐级放大。级数越多，
16、放大倍数越大，则输出漂移越大。当漂移电压大到一定程度时，会使后级放大器进入截止或饱和状态，这样整个放大电路将无法正常工作。第六章集成运算放大器电路原理为了衡量一个放大器零点漂移的大小，通常是将未过载的输出漂移电压除以放大器的电压放大倍数，把输出漂移折合到输入端去，从而得到一个假想的等效输入漂移电压。在图 6.3.1中，输入端的Uip即为该电压。显然，Uip越小，放大器抑制漂移的性能就越好，反之则越差。当输入信号小到和Uip相当时，在放大器的输出端将无法识别是信号还是漂移。因此，等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。第六章集成运算放大器电路原理根据零点漂移现象的起因，欲克服之，关键在于
17、减小输入级放大器的漂移。从电路的构成形式上看，差动放大电路不仅能有效地克服零点漂移，而且还有其他一系列优点，因此成为目前直接耦合放大器和集成运放输入级的主要电路形式。第六章集成运算放大器电路原理6.3.2差动放大器的工作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析基本差动放大器如图6.3.2所示。它由两个性能参数完全相同的共射极放大电路组成，通过两管射极连接并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大器。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.2基本差动放大器第六章集成运算放大器电路原理由图可见，差动放大器有两个输入端和两个输出端。信号可以从两个输出端之间取出，即Uo输出，称为双
18、端输出；也可以从一个输出端到地之间输出，即Uo1或Uo2输出，称为单端输出。首先来分析图6.3.2电路的静态工作点。为了使差动放大器输入端的直流电位为零，通常都采用正、负两路电源供电。由于V1、V2管参数相同，电路结构对称，因此两管工作点必然相同。第六章集成运算放大器电路原理V7.0BEE UU则流过RE的电流I为EEEEEEE7.0)(RURUUI(6.1.3)由图可知，当Ui1=Ui2=0 时：第六章集成运算放大器电路原理 可见，静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。下面分析差动放大器的动态特性。分析过程中特别提醒读者注意射极公共电阻RE的作用。CC1QCCC2QC1QCC1QCC
19、CE2QCE1QE2QE1QC2QC1Q7.021RIUUURIUUUIIIII故有(6.3.4)(6.3.3)(6.3.2)第六章集成运算放大器电路原理1.差模放大特性差模放大特性如果在图6.3.2差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反的差模信号，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而Uid1=Uid2。由图可知，这时一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。因此流过RE的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可视为差模地端，即RE相当对地短路。第六章集成运算放大器电路原理另外，由于输入差模信号，两管输出端电位变化时
20、，一端升高，另一端则降低，且升高量等于降低量。因此双端输出时，负载电阻RL的中点电位将保持不变，也可视为差模地端。通过上述分析，可得出图6.3.2电路的差模等效通路如图6.3.3所示。图中还画出了输入为差模正弦信号时，输出端波形的相位关系。利用图6.3.3等效通路，我们来计算差动放大器的各项差模性能指标。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.3基本差动放大器的差模等效通路第六章集成运算放大器电路原理 1)差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时，输出电压为id2id1id2id1idod2od1od2od1od2222UUUUUUUUUU输入差模电压为
21、所以 beLid2od2id1od1idoddrRUUUUUUAu(6.3.5)式中，RL=RC RL。可见，双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。21第六章集成运算放大器电路原理 可见，这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半，且两输出端信号的相位相反。需要指出，若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间，则计算Aud时，总负载应改为RL=RCRL。单端输出时，则 did1od1idod2单d(did1od1idod1单）d(212212uuuuAUUUUAAUUUUA）(6.3.7)或(6.3.6)第六章集成运算放大器电路原理2)差模输入电阻差模输入电阻定义为差模
22、输入电压与差模输入电流之。由图6.3.3可得beidid1ididid22rIUIUR 3)差模输出电阻 双端输出时为(6.3.8)C(odCod2RRRR单）单端输出时为(6.3.9a)(6.3.9b)第六章集成运算放大器电路原理 2.共模抑制特性共模抑制特性 如果在图6.3.2差动放大器的两个输入端加上一对大小相等、相位相同的共模信号，即Ui1=Ui2=Uic,由图可知，此时两管的射极将产生相同的变化电流iE，使得流过RE的变化电流为2iE，从而引起两管射极电位有2 RE iE的变化。因此，从电压等效的观点看，相当每管的射极各接有2 RE的电阻。第六章集成运算放大器电路原理在输出端，由于共
23、模输入信号引起两管集电极的电位变化完全相同，因此流过负载RL上的电流为零，相当RL开路。通过上述分析，图6.3.2电路的共模等效通路如图46.3.4所示。利用该电路，现在来分析它的共模指标。1)共模电压放大倍数 双端输出时的共模电压放大倍数定义为 icic2oc1icocucUUUUUA当电路完全对称时，Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零，即Auc=0。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.4基本差动放大器的共模等效通路第六章集成运算放大器电路原理 单端输出时的共模电压放大倍数定义为EbeCicoc2icoc1(cic2oc(cic1oc(uc2)1(RrRUUUUAUUA
24、UUAuu单）单）单）或(6.3.10)由图6.3.4可得 通常满足(1+)2RErbe，所以上式可简化为EC(c2RRAu单）(6.3.11)第六章集成运算放大器电路原理可见，由于射极电阻2RE的自动调节(共模负反馈)作用，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。在实际电路中，均满足RERC，故|Auc(单)|Auc(单),以上两式中的第二项可忽略不计，故有第六章集成运算放大器电路原理)(2121)(2121i2i1diddo2i2i1ciddo1UUAUAUUUAUAUuuuu(6.3.23)(6.3.24)由此可见，无论是双端还是单端输出，差动放大器只放大两输入端的差信号。这正是差动放大
25、器名称的由来。事实上，当共模抑制比足够高时，差动电路通过公共电阻RE的负反馈作用，能自动地将射极电位UE调整到：第六章集成运算放大器电路原理ici2i1E)(21UUUU从而把两输入端的差信号变为差模信号，把两输入端的和信号变为共模信号。在实际应用中，当信号源接到差动放大器的两个输入端时，如果信号源是浮地的，即两端都不接地，这种接法称为双端输入。此时信号源两端分别对地电压之和的一半为共模电压分量(前面讨论的差模输入是双端输入的一种特例，其共模分量为零)。如果信号源一端接地，这种接法称为单端输入。此时信号电压的一半为共模电压分量。不论哪种接法，差动放大器只放大两输入端的差模信号，而抑制其共模信号
26、。第六章集成运算放大器电路原理6.3.3具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 图6.3.2所示的基本差动放大器，存在两个缺点：一是共模抑制比做不高，二是不允许输入端有较大的共模电压变化。对于前者，是因为差放管V1,V2的rbe与RE相关，即RE较大而忽略rbb时，由式(415)，rbe可近似为EETEEQTbe2)1()1(UURIUr与RE成正比。对于单端输出，将上式代入式(6.3.16)可得TEECTLEE(CMR22UURURUK单）(6.3.25)第六章集成运算放大器电路原理若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)的上限约为300，而与RE的取值无关。对于双端输出，在电路
27、不对称时，也有类似情况。可见，不能单靠增大RE来提高共模抑制比。对于后者，因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化，进而将影响差放管的静态工作电流，使rbe改变。因此，输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化，这是我们不希望的。第六章集成运算放大器电路原理为此，用电流源代替图6.3.2电路中的RE，可以有效地克服上述缺点。一种具有电流源的差动放大电路如图6.3.5(a)所示。图中，电流源为单管电流源。这是分立元件电路常用的形式。而在集成电路中，大多采用镜像电流源、小电流电流源等。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.5具有电流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替RE的差
28、动电路；(b)电路的简化表示第六章集成运算放大器电路原理图6.3.5(a)电路的静态工作点，可按以下方法估算：CC1QBECCCE2QCE1QC3C2QC1Q3BERE3C3EE212R2122RIUUUUIIIRUUIIURRRU第六章集成运算放大器电路原理具有电流源的差动放大器的动态分析，与前面的分析完全相同。有关差模指标的计算公式，对电流源的差动电路同样适用。由于电流源的动态内阻Ro非常大，因此无论双端输出还是单端输出，共模电压放大倍数都可近似为零，从而使共模抑制比趋于无穷大。当实际电流源近似为理想电流源时，常用图6.3.5(b)所示简化电路来表示具有电流源的差动放大器。第六章集成运算放
29、大器电路原理另外，由于电流源的输出端电位在很宽范围内变化时，输出电流的变化极小，因而当输入共模信号引起射极电位改变时，将不会影响差模性能。因此，引入电流源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围。对图6.3.5(a)电路为UC1UicB3当超过这个范围时，差放管V1、V2或恒流管V3将进入饱和，使电路不能正常工作。第六章集成运算放大器电路原理6.3.4差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性以上我们讨论了差动放大器的工作原理和小信号放大时的性能指标，下面来讨论它的传输特性。所谓差动放大器的传输特性，通常是指放大器输出电流或输出电压与差模输入电压之间的函数关系。研究它，对于了解差动放大器小信号线性工
30、作范围以及大信号运用特性都是极为重要的。现以图6.3.6所示差动放大器为例进行讨论。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.6简化的差动放大器第六章集成运算放大器电路原理在图6.3.6电路中，设恒流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流，即IUCC/RC，从而使差放管的工作点偏向截止区。在此条件下，图中的两个对称差放管V1、V2的射极电流分别为TBE2TBE2TBE1TBE1/S/SE2/S/SE1e)1e(e)1e(UuUuUuUuIIiIIi(6.3.26b)(6.3.26a)第六章集成运算放大器电路原理由图可知 2E1EiiI即211221111222(1)1(1)1BEBETBEBETu
31、uUEECEuuUEECEiIiieiiIiiei(6.3.27a)(6.3.27b)第六章集成运算放大器电路原理由于 ，因而将其代入式（4-4a)可解的12BEBEiduuu/2/1/2/()122222idTidTidTidTidTuUuUidCuUuUuUTIII eeIIuitheeeU(6.3.28a)用同样推导方法可得2/()122idTidCuUTIIuitheU(6.3.28b)第六章集成运算放大器电路原理 可见，iC1和iC2与成双曲线正切函数关系。因为 uo=ic1Rc+ic2Rc=(ic1ic2)Rc12()2idCCTuiiIthU(6.3.29)12()()2idoC
32、CCCTuuiiRR IthU (6.3.30)故有而第六章集成运算放大器电路原理 由式（6.3.28）和（6.3.30），可绘出差动放大器输出电流iC1、iC2和输出电压uo与差模输入电压uid之间的传输特性曲线，分别如图4-17（a)、(b)所示。分析该曲线，可以得出如下结论。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.7差动放大器的传输特性曲线(a)电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线第六章集成运算放大器电路原理(1)两管集电极电流之和恒等于I。当uid=0 时，差动电路处于静态，这时iC1=iC2=ICQ=I/2。当差模电压输入时，一管电流增大，另一管电流减小，且增大量等于减小量，两管电
33、流之和恒等于I。第六章集成运算放大器电路原理(2)传输特性具有非线性特性。由图6.3.7不难看出，在静态工作点附近，当|uid|UT，即室温下，uid在26 mV以内时，传输特性近似为一段直线。这表明iC1、iC2和uo与uid成线性关系。当uid|4UT,即uid超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平，说明|uid|继续增大时，iC1、iC2和uo将保持不变。这表明差动电路在大信号输入时，具有良好的电压限幅特性或电流开关特性。此时，一管截止，恒流源电流全部流入另一管。第六章集成运算放大器电路原理为了扩展传输特性的线性区范围，可在每个差放管的射极串接负反馈电阻R，如图6.3.8(a)
34、所示。扩展后的电流传输特性曲线见图6.3.8(b)。显然，R越大，扩展的线性区范围就越大，如图6.3.8(b)曲线、所示。不过，随着线性区范围的扩大，曲线的斜率减小，表明差动放大器的增益将随之降低。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.8扩展差动电路的线性区范围(a)串接负反馈电阻R的线性区扩展电路；第六章集成运算放大器电路原理(3)差动放大器的增益与I成正比。由图6.3.7(a)所示曲线可知，小信号工作时，在工作点处，iC受uid的线性控制，其控制作用的大小可以用跨导gm来衡量。gm定义为工作点处，双端输出电流的变化量iC与输入差模电压变化量uid之比，即1midCmidCm22guigui
35、gQQ因为iC=i-i2=2i,所以上式变为(6.3.31)第六章集成运算放大器电路原理式中，gm1=i/uid,为Q点处单端输出时的跨导，反映在传输特性上，是图6.3.7(a)曲线在uid=0处的斜率。在uid=0处，对式(6.3.28a)求导，可得Tm1m22UIggTid1c1m4idUIdudigu(6.3.32)故(6.3.33)第六章集成运算放大器电路原理此时，差模电压放大倍数(即图6.3.7(b)曲线在工作点的斜率)可表示为IURRgARgdudiRduduAuQQuTCCmdCmidCCidod2将(6.3.33)代入上式，可得(6.3.34)(6.3.35)第六章集成运算放大
36、器电路原理由式(6.3.33)和式(6.3.35)可知，差动放大器的跨导gm和差模电压放大倍数Aud均与恒流源电流I成正比。I越大，gm和Aud也越大。在用等效电路分析中，曾得出双端输出差动放大器的增益公式为CmCTTCCQTbbCbeCd22/)1()1(RgRUIIURIUrRrRAu第六章集成运算放大器电路原理6.3.5差动电路及其应用推广差动电路及其应用推广1.差动放大器的一般结构差动放大器的一般结构将前述共射组态耦合的差动放大器推广，可得一般结构的差动放大电路，如图6.3.9所示。图中的两个放大器性能完全相同，现通过电阻或电流源将它们原来的接地端耦合在了一起。两个放大器除共射组态之外
37、，还可以是共集或共基组态，也可以是组合电路，如共射共基、共集共基等，此外还可以是对应的场效应管放大器。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.9一般结构的差动放大器第六章集成运算放大器电路原理作为放大器，图6.3.9所示的差动电路具有与共射组态差动放大器相同的放大特性:(1)只放大两放大器输入端的差信号ui1ui2(即差模分量)，抑制其和信号ui1+ui2（即共模分量，此时接地耦合端的电位ug=(ui1+ui2)/2)。(2)在信号输入下，两放大器分别输出大小相同而相位相反的信号，即uo2=uo1。(3)双端输出时的差模电压增益为单边放大器带一半负载时的电压增益。单端输出时则为单边放大器带负载时
38、电压增益的一半。差模输入电阻为单边放大器输入电阻的两倍。而输出电阻与单边放大器的相同，双端输出时则加倍。第六章集成运算放大器电路原理2.差动电路的应用推广差动电路的应用推广差动电路除了作为低漂移电压放大器之外，根据差动电路的特性，还可以实现很多其他功能，现举例如下。1)分离倒相器 电路如图6.3.10所示。调节电位器RW，可从对管集电极输出一对大小可调的等值反相信号uo1和uo2。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.10分离倒相器第六章集成运算放大器电路原理2)自动增益控制放大器当放大器的输入电压在较大范围内变化时，若要求输出电压基本不变，此时需要对其电压增益进行自动控制。根据差放的增益与偏
39、置电流I成正比，可通过对输出平均值的检测获得控制电压Uc，并对I进行实时控制，产生控制电流gmUc,如图6.3.11所示。当输出uo增大，gmUc0，则uo的减小受到抑制。因此，通过对差放增益的自动控制，实现了输出电压的基本稳定。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.11自动增益控制放大器第六章集成运算放大器电路原理3)高速电流开关 电路如图6.3.12(a)所示。选择两差放管的临界饱和电流大于I(t)，并满足输入ui为低电平UiL时，UrUiL+4UT=UiL+0.1V，而ui为高电平UiH时，UiHUr+4UT=Ur+0.1V。这样，根据该差动电路的传输特性，当ui=UiL时，V1管截止,
40、V2管导通，iC2=I(t)；而当ui=UiH时，则V2截止,V1导通，iC1=I(t)。第六章集成运算放大器电路原理可见，差动管相当图6.3.12(b)所示的单刀双掷开关，将电流I(t)分别接入V1或V2管的集电极支路。由于一管截止另一管导通时，导通管并不饱和，故截止与导通间相互转换的速度极快。为此，该电路也是构成高速射极耦合逻辑（ECL）的基本单元电路。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.12电流开关（a）电路；（b）等效电流开关电路第六章集成运算放大器电路原理4)波形变换电路 根据共射差动电路传输特性的非线性，通过调整射极电阻来改变传输特性的形状，可实现波形变换，如图6.3.13(a)
41、所示。当输入为幅度不小于0.2V的三角波时，若将RW调到零，则双端输出的电压传输特性如图6.3.13(b)所示，此时输出为近似方波。第六章集成运算放大器电路原理若将RW调大，使限幅区扩展到接近三角波的峰值处，如图6.3.13(b)所示，这时输出近似为正弦波。若将RW继续调大，使线性区近一步扩展，当超过三角波的幅度时，如图6.3.13(b)所示，输出为三角波。由此可见，通过调整RW，可将输入三角波分别变换为倒相的方波或正弦波或三角波。第六章集成运算放大器电路原理 图6.3.13波形变换(a)电路；(b)电压传输特性及波形变换关系 第六章集成运算放大器电路原理5)电压比较器电压比较电路如图6.3.
42、14所示。为提高差动放大器的电压增益，图中用V3和V4组成镜像电流源作其有源负载，以提高鉴别灵敏度。根据差放的限幅特性，当uiUr时，输出uo为高电平；而当uiUr时，uo为低电平。若将V4管基极和集电极短接，并从V1管输出，则与之相反，变为反相电压比较器。第六章集成运算放大器电路原理图6.3.14电压比较电路第六章集成运算放大器电路原理6)模拟乘法器单差动乘法电路如图6.3.15所示。由式（6.3.30）可12()()2xoCCCCTuuRiiR I t thU (6.3.36)式中,I(t)为互导放大器V3的输出电流。若负反馈电阻R3足够大，则有33()yC QuI tIR第六章集成运算放
43、大器电路原理图6.3.15 单差动乘法电路第六章集成运算放大器电路原理将该式代入式（6.3.36），并在满足ux2UGSth)时，则V1、V3管均工作在恒流区，在忽略沟道长度调制效应的条件下，有2GSthGS111oxnD1)(2UuLWCi(6.6.2)2GSthGS1DD33oxnD3r)(2UuULWCiI(6.6.3)第六章集成运算放大器电路原理由于iD1=iD3，并设V1与V3管宽长比的比值为n，则令式(6.6.2)和式(6.6.3)相等可得2GSthGS1GSthGS1DD3313)/UuUuULWLWn(6.6.4)作为分析，若已知n值，则由式(6.6.4)可求得1)1(GSth
44、DDGS1nUnUu(6.6.5)第六章集成运算放大器电路原理再根据式(6.6.2)或式(6.6.3)，由uGS1确定参考电流Ir。反之，作为设计，根据式(6.6.2)或式(6.6.3)，由Ir求得uGS1，再根据式(6.6.4)，由uGS1确定n值。在基本MOS管镜像电流源的基础上，将其结构扩展，可得MOS管镜像电流源组、MOS比例电流源组及MOS威尔逊电流源组等。它们的构成方式与双极型管电流源相似，这里不再赘述。第六章集成运算放大器电路原理2.CMOS共源放大器共源放大器由NMOS和PMOS管构成的互补放大器，如图6.6.3(a)所示，该放大器又称CMOS放大器。其中NMOS管V1作共源放
45、大管，栅压恒定的PMOS管V2为其有源负载。由图可知，V1管的静态电流ID1=ID2，当EG2选定后，uGS2=EG2UDD,uDS2=uDS1UDD。此时V2的输出特性为iD2=f(uds2)|UGS2=f(uds1UDD)|EG2UDD第六章集成运算放大器电路原理现将其特性曲线的原点O设在V1管输出特性曲线的UDD处，则画出的V2管输出特性曲线OAB如图6.6.3(b)所示。显然，该曲线即为V1管的直流负载线。根据图6.6.3(b)所示的直流图解，当输入电压uI由小增大时，V1、V2管的工作状态分析如下。第六章集成运算放大器电路原理图6.6.3CMOS放大器第六章集成运算放大器电路原理当u
46、I=UGS1UGSth1,V1管截止，UDS2=0时，ID1=ID2=0,UDS1=UDD。当uIUGSth1且uIUGStB时，V2管仍在恒流区而V1管则进入变阻区，如图中的BC段所示。根据上述分析，可画出对应的CMOS放大器的电压传输特性曲线，如图6.6.3(c)所示。第六章集成运算放大器电路原理显而易见，为保证放大器正常工作，并有最大的电压增益，V1、V2管都应工作在恒流区，即偏置在图6.6.3(b)和(c)所示的AB段之间。若同时要求输入动态范围最大，则Q点最好选在AB段的中点处。此时如图6.6.3(b)所示，穿过Q点的UGS1Q就是输入电压uI中的直流分量，即V1管的静态偏置电压，所
47、以uI=UGS1Q+ui,而ui为输入信号电压。第六章集成运算放大器电路原理CMOS放大器的小信号交流等效电路如图6.6.3(d)所示。由图可得电压放大倍数为)(2ds1ds1miurrgUUAo(6.6.6)由于在静态工作点处，11DQoxnm1DQ22dsDQ11ds1 ,1 ,1LWICrIrIr 因而上式又可表示为第六章集成运算放大器电路原理11oxn21DQ2)11(1LWCuIAu(6.6.7)该式表明，CMOS放大器的电压放大倍数与成反比，所以它特别适合于小电流下工作。作为低功耗放大器，其Au值一般可达1000以上。DQI第六章集成运算放大器电路原理3.MOS管差动放大器管差动放
48、大器在MOS集成运放中，作为输入级的差动放大器，通常由两个对称的有源负载MOS放大器经电流源耦合构成。图6.6.4示出了由CMOS放大器构成的差动放大电路。图中，V1、V2管为一对NMOS差放管，PMOS管V3、V4组成镜像电流源作差放管的有源负载，同时完成双端单端输出转换功能，NMOS管V0为耦合电流源，并为差放管提供偏置电流。第六章集成运算放大器电路原理图6.6.4CMOS差动放大器第六章集成运算放大器电路原理MOS差动放大器具有前述差动电路的性能特点，对差模电压增益而言，即为单边CMOS放大器的电压增益。由于图6.6.4电路采用镜像电流为负载，因而，从Ud2输出的电压增益为)(42dsd
49、smidourrgUUA(6.6.8)可见，当后级接输入电阻极大的MOS管负载时，该级差放具有很高的电压增益。第六章集成运算放大器电路原理4.MOS管输出级电路管输出级电路与双极型运放一样，MOS集成运放的输出级要有较小的输出电阻和较大的输出电压幅度。下面介绍两种常用的MOS管输出级电路。1)源极输出器具有恒流负载的NMOS源极输出器如图6.6.5(a)所示，图6.6.5(b)为其小信号交流等效电路。由图6.6.5(b)可求得电压放大倍数为第六章集成运算放大器电路原理2111111dsdsmBmmiourrgggUUA(6.6.9)通常满足gm1、gmB1 ，上式可近似为 211 1dsdsr
50、、r111111mBmmugggA(6.6.10)第六章集成运算放大器电路原理输出电阻为)1(1111112111mdsdsmBmogrrggr(6.6.11)由于MOS管的跨导较小，因而，该电路的输出电阻要比双极型电路的大很多。此外，它的输出最大负向电流将取决于恒流管V2的偏流。要求负向输出电流较大时，必将增大电路本身的静态功耗。这也是该电路的又一缺点。第六章集成运算放大器电路原理图6.6.5NMOS源极输出器(a)电路；(b)交流等效电路第六章集成运算放大器电路原理2)低阻输出级电路图6.6.6示出了MOS集成电路中常用的低阻输出级电路。图中管侧标出了该管导电沟道的宽长比W/L。输入信号U
