本科模拟电子技术基础第4章

所以
IE2 I S1 IS2 U BE1 U BE 2 U T ln I E1 I U T ln E 2 IE2 I E1
(4–6)
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集成运算放大器电路
UCC Ir Rr IB1 V1 IE1 － ＋ UBE1 IB2 ＋ UBE2 － R2 V2 IE2 IC2
R1
图4–6比例电流源
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集成运算放大器电路
UCC V3 uo ui V1 Rr ui V2 V3 Δ IC3 Δ IC1 V1 V2
UCC Δ IC2 uo I
(a )
(b )
图4–10有源负载放大器 (a)共射电路；(b)具有倒相功能的共射电路
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集成运算放大器电路
图 4–10(b) 为另一种接法的有源负载共射电路。 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。
集成运算放大器电路
六、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 射放大电路如图 4–10(a) 所示。图中， V2,V3 管构成镜像 电流源作V1管的集电极负载。由于该电流源的动态内阻 为rce3，所以此时V1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。当实际负载 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。
rbe R3 RB )
需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即 要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流 作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。
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集成运算放大器电路
二、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，用一个完全相同的晶体管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4–3所示的镜像 电流源电路。由图可知，参考电流Ir为
U CC U BE U CC (4–2) Ir Rr Rr 由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。
由图可知
I C 2 I C 1 I r 2 I B1 I r 2
IC 2
1
(4–3)
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集成运算放大器电路
UCC Rr IC1 V1 V2 Ir IC2
如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr≈15kΩ。 由此可见，要得到 10μA 的电流，在UCC=15V 时， 采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27kΩ。 如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5MΩ。
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集成运算放大器电路
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，
RL Uo － V2
RC UC2
UCC
RE －UEE
图4–12 基本差动放大器
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集成运算放大器电路
首先来分析图 4–12 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，所以两管工作点必然相同。由图可知，当 Ui1=Ui2=0时： U E U BE 0.7V 则流过RE的电流I为
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集成运算放大器电路
三、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4–6所示的比例电流源电路。由图可知
U BE1 I E1R1 U BE 2 I E 2 R2
(4–5)
因为
U BE1 U T ln U BE 2
I E1 I S1
IE2 U T ln IS2
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集成运算放大器电路
IC R1 IB R2 0 UCE (a )
IC
IC Ro
R3
－UEE
(b ) (c )
图4–2单管电流源电路 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路； (c)等效电流源表示法
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集成运算放大器电路 (4–1)
Ro rce (1
式中，RB=R1‖R2。
R3
图4–11 放大器的零点漂移
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4–3–2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图 4–12 所示。它由两个性能参 数完全相同的共射放大电路组成，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。
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集成运算放大器电路
RC UC1 Ui1 Ui2 ＋ V1
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集成运算放大器电路
当两管的射极电流相差10倍以内时： I U BE1 U BE 2 U T ln E1 U T ln 10 60mV IE2 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 UBE1≈UBE2。这样，式(4–5)简化为
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集成运算放大器电路
关于集成电路的制造工艺见附录A。 集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的 组成结构看，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4–1所示。
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集成运算放大器电路
Ui
输 入 级
中 间 级
输 出 级
Uo
电流源电路
图4–1 集成运算放大器组成框图
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3 IC 3 IE3 1 3
I C1
1

IC 2
2
若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各 式可得
IC 3
2 (1 2 )Ir 2 2
(4–12)
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集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻 Ro为
Ro

2
rce
(4–13)
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集成运算放大器电路
4–3 差动放大电路
4–3–1零点漂移现象 单 级 共 射 放 大 器 如 图 4–11 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。
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集成运算放大器电路
UCC RB RC Δ UC ＋ － Δ Uip
(4–9)
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集成运算放大器电路
四、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4–6电路中 的R1=0,便得到图4–7所示的微电流电流源电路。 由式(4–5)、(4–6)可知，在R1=0时：
IE2
1 U T I E1 (U BE1 U BE 2 ) ln R2 R2 I E 2
当β1>>时，IE1≈Ir,IE2≈IC2，由此可得
UT Ir R2 ln IC 2 IC 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(4–10)
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集成运算放大器电路
UCC Ir Rr IC2
V1
V2 R2
图4–7微电流电流源
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集成运算放大器电路
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=10μA 时，则R2为 26 103 1000 R2 ln 12k 6 10 10 10
U E ( U EE ) U EE 0.7 I RE RE
(4–14)
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故有
1 I C1Q I C 2Q I E1Q I E 2Q I 2 U E1Q U E 2Q U CC 0.7 I C1Q RC U C1Q U C 2Q U CC I C1Q RC
UCC Ir Rr IB3 IC3 V3 IC1 IE3 IC2 V1 V2
图4–8 威尔逊电流源
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集成运算放大器电路 (4–11)
又
U CC U BE 3 U BE 2 U CC 2U BE Ir Rr Rr I r I C1 I B 3 I C1 I C1 I C 2 , I E 3 IC 3 IC 3
(4–15) (4–16) (4–17)
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。
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集成运算放大器电路
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。 (2) 尽可能用有源器件代替无源元件。 (3) 利用对称结构改善电路性能。
集成运算放大器电路
4–2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
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集成运算放大器电路
一、单管电流源电路 图 4–2(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恒流源。由交流等效电路知， 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 4–2(b) 所示的单管电流源电路。图 4–2(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 4–2(b) 电路的交流等效电路可以证 明，Ro近似为