集成电路运算放大器

6.1集成电路运算放大器中的电流源

1.基本电流源

分压式射极偏置电路为基本电流源电路。当三级管工作在放大区，由于射极电流仅由两分压电阻决定，因此当负载发生变化(也即集电极电阻发生变化)，输出电流(即集电极电流)保持不变，体现了恒流特性。

2.有源负载

由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点，因此在模拟集成电路中，常把它作为负载使用，称为有源负载。

3.电流源的应用

(1)为集成运放各级提供稳定的偏置电流;

(2)作为各放大级的有源负载，提高电压增益。

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。

一、基本差分放大电路

电路特点：由两个互为发射极耦合的共射电路组成，电路参数完全对称。它有两个输入端，两个输出端，当输出信号从任一集电极取出，称为单端输出，而当从两个集电极之间取出，则称为双端输出或浮动输出。

1.差分式放大电路的类型：

按输入和输出的方式分为：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。

2.静态分析

静态是指无外输入信号时电路所处的状态。因此，在进行静态分析时，应把输入信号置零，即输入端短路。

共用电阻Re在半电路中应等效为2*Re。

3.动态分析

(1)差模信号与共模信号

在讨论差分放大电路的性能特点时，必须先区分差模信号和共模信号这两个不同的概念，因为差分放大电路对差模信号和共模信号具有完全不同的放大性能。

一对任意数值的输入信号可以用差模信号和共模信号来表示。通常，可以认为，共模信号是由一对幅值相等、极性相同的输入信号组成，差模信号是由一对幅值相等、极性相反的输入信号组成。

(2)垂直对称网络的二等分

垂直对称二端口网络，当在两输入端分别加上幅值相等、极性相同的信号和幅值相等、极性相反的输入信号时，其垂直对称线上分别等效为开路和对地短接。这样，一个二端口网络变分解为两个半网络。

(3)差模信号输入

将差分放大电路分解为两个半电路，在半电路中：

双端输入：共用电阻Re短接或恒流源交流短接;单端输入共用电阻Re或恒流源开路。

①差模增益：指差分放大电路差模输出电压对差模输入电压的比值，单端输出时差模增益为双端输出时的一半。

②差模输入电阻：指差分放大电路从两输入端看进去所呈现的电阻，其值为两共射放大电路输入电阻之和。

③差模输出电阻：单端输出时，任一端的差模输出电阻即为共射放大电路的输出电阻;双端输出时，差模输出电阻为两共射放大电路输出电阻之和。

(4)共模信号输入

将差分放大电路分解为两个半电路，在半电路中 共用电阻Re等效为2*Re。

①共模增益：双端输出时，共模电压增益为0，因此，一般只考虑单端输出时共模电压增益。

②共模输入电阻：差分放大电路任一输入端看入的电阻。

③共模输出电阻：差分放大电路任一输出端呈现的电阻。

(5)共模抑制比

共模抑制比是差分放大电路的重要性能指标之一，它表明了差分放大电路放大差模输入信号和抑制共模信号的相对能力。

(6)抑制零点漂移的原理

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。

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?

答：不能加。因为Re电阻对输入信号的差模分量，其上电流的变化量为0，所以不必加旁路电容Ce。再者Re对输入信号的共模分量，形成较强的负反馈来抑制零漂，所以不能加旁路电容Ce。

(2)在差分放大电路分析中，为什么要考虑信号源内阻Rs?

答：差分式放大电路是直接耦合放大电路，输入端无耦合电容，Rs的不同会影响管子的静态工作点，Rs不同影响也不同。一般经常在信号源和输入管基极间接较大的电阻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。

输入级：通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力，提高输入电阻。

中间级：带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。

输出级：采用互补对称功放或射极输出器组成，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。

6.4集成电路运算放大器的主要参数

一、输入误差信号：

输入失调电压VIO和输入失调电流IIO;

输入失调电压温漂ΔVIO/ΔT和输入失调电流温漂ΔIIO/ΔT;

输入偏置电流IIB

二、开环差模参数

开环差模电压增益AVO、最大差模输入电压Vidmax、差模输入电阻Rid、开环输出电阻Rod、最大输出电流Iomax、开环带宽 BW、单位增益带宽 BWG等。

三、共模参数

共模抑制比KCMR、最大共模输入电压Vicmax、共模输入电阻Ric

四、瞬态参数

转换速率SR等。

五、电源参数

电源电压范围、静态功耗等。

扩展阅读：运算放大器的基本原理