差分放大器与多级放大器

第五章 差分放大器与多级放大器

概述：本章首先介绍几种常用的电流源电路及其工作原理，然后对差分放大器和多级放大器电路进行重点分析，最后给出了模拟集成电路的读图、主要指标及使用方法。在给出差分放大器电路的组成及其工作原理并对其进行静态分析和动态分析的基础上，推导了电路的差模增益、共模增益、输入电阻、输出电阻以及共模抑制比等技术指标，并指出了差分放大器抑制零点漂移、转移特性等特点；对多级放大器的组成框图、分析方法、级间耦合方式进行介绍，并对多级放大器指标计算进行重点分析；最后通过模拟集成电路读图练习印证和回顾电流源、差分放大器和多级放大器的应用。 5.1 电流源

利用三极管BJT(或场效应管FET)及辅助元器件可以构成电流源，电路输出电流稳定，在电子电路中尤其是在集成电路中，常用来为放大电路提供稳定的直流偏置，或作为放大器的有源负载，本节介绍几种常用的电流源。 5.1.1镜像电流源

如图5-1-1所示，设T 1、T 2 的参数完全相同，β1=β2 、I CEO1=I CEO2，三极管T 1和T 2基极和发射极分别相连，由于两管具有相同的发射结电压：V BE1=V BE2，所以I B1=I B2、I E1=I E2、I C1=I C2。R ＲＥF 为参考电阻，流过参考电阻R ＲＥF 的电流为：

1

111222

1C REF C B C C I I I I I I ββ⎛⎫

=+=+=+ ⎪⎝⎭

（5-1-1）

当三极管的β值较大时，基极电流I B 可以忽略，由于两管T 1、T 2的对称性，所以T 2的集电极电流近似等于参考电阻上的电流：

()REF BE CC REF O C C R V V I I I I /112-=≈== （5-1-2）

外接负载电阻R L 时，有恒定的电流I O =I C2流过，输出电流I O 不随R L 变化而变化，当R REF

确定后，I REF 就确定了，随之I C2确定，I C2就像I REF 的镜像，因此得名镜像电流源。 例5-1-1 如图5-1-1所示的电路中，β=100，管子完全对称，V CC =5V ，如要求I O =1mA ，（1）试比较参考电流I REF 与输出电流I O ；（2）确定电阻R REF 的大小。 解：（1）

m A

m A I I I I I I I O C C C B c REF 02.110021121212

211

11=⎪⎭

⎫ ⎝⎛

+⨯=⎪⎪⎭⎫

⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=+=βββ

I REF 与I O 仅差0.02mA ，近似相等。 （2）由：()REF BE CC REF R V V I /1-=得：

Ω≈-=-=

421602.17.051mA

V

V I V V R REF BE CC REF

上图电路是在三极管β值足够大，I C >>I B 的情况下得到的结果，输出电流I O 近似等于参考电阻的电流I REF ，考虑到两个管子基极电流2I B 对参考电流I REF 的分流作用，为减小分流的影响，提出改进型镜像电流源电路如图5-1-2所示，增加一个三极管T 3，该管子又称为扩流管，流过T 3管的基极电流：β

B

B I I 23=

流过参考电阻的电流为： 12B

R

E

F C

I I I β

=+ （5-1-3）

此时输出电流为： ()REF BE CC REF O C R V V I I I /22-=≈= （5-1-4） 与图５-１-１所示的镜像电流源相比对称精度大大提高。实际应用中，为避免T 3工作电流太小，引起其β的减小，使I B3增大，一般在T 3的发射极上接一个电阻R E ，为T 3提供泄放电流I E3，以提高T 3管实际的放大倍数。

由FET 组成的镜像电流源如图5-1-3所示，两个FET 完全相同，即µn 、C OX 、V GS (th)完全相同，两个管子的源极、栅极分别相连， V GS1 = V GS2 。由于V D =V G ，V S =0，所以V DS >V GS -V GS(th)，N-EMOSFET 工作在饱和区。 考虑场效应管的漏极电流与栅源电压之间的关系，则有：

()(

)2

112

th G S G S O X n D V V L W C I -⎪⎭

⎫ ⎝⎛=

μ （5-1-5）

所以有：I D1=I D2

又因为FET 的栅极电流近似为零，所以有：

()O

REF G S D D D D REF I R V V I I I =-===/21 （5-1-6）

调整R REF 的大小，即可改变输出电流的大小。输出电流的大小与负载电阻无关，改变负载电阻的大小，输出电流I O 保持恒定。因I O =I REF ，I O 就像I REF 的镜像，所以又称为镜像电流源。 5.1.2微电流源

在集成电路中电阻不能做得太大，大电阻精度很难控制，且有些场合需要小电流作为直流偏置，因此需要微电流源的场合很多。与镜像电流源相比，微电流源在T 2管的发射极串接一个电阻R E ，微电流源电路如图5-1-4所示。当基准电流I REF 一定时，忽略基极电流I B ，由于两个管子的基极相连，则：

1

1BE T

V V REF C S I I I e

≈= 202BE T

V V C S I I I e

==

求解BE 之间的电压得：1ln(

)REF

BE T S I V V I = 02ln()BE T S

I V V I = 由上二式求得：120

ln(

)REF

BE BE T I V V V I -= 由图5-1-4可得：1220BE BE E E E V V I R I R -=≈ （5-1-7） 根据上二式求得：00

ln(

)REF

E T I I R V I = （5-1-8） 式（5-1-8）表明了基准电流I RE

F 与输出电流I 0之间的关系。

由于一般硅材料三极管发射结导通电压为V BE =0.7V 左右，两个管子发射结电压之差ΔV BE

很小，用不大的R E 就可以获得很小的电流，I REF =（V CC -V BE1）/R REF 。当V CC 、R REF 选定时，电流I REF 随之确定，V BE1、V BE2 为一定值时，I C2可以确定。当外接负载电阻R L 时，就会有微小的输出电流I O 通过，该电流不随负载R L 而改变，仅与两个管子发射结电压之差ΔV BE 和电阻R E 有关。另外源电压的波动对该微电流源影响较小，同时由于T 1对T 2 的温度补偿作用，温度稳定性也比较好，因此微电流源在集成电路中有广泛应用。

由于电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点，在模拟集成电路中广泛用作负载使