Transcript 场效应管差分放大器
对于零漂的抑制，此处以抑制温度漂移为例进行说明。如果 由于温度升高使IC1增加，VC1下降，则IC2也同样增加，VC2同样下 降，于是VC1还是等于VC2，ΔVo仍等于零，即温度漂移被抵消了。 温度影响相当于输入端的共模信号，差放能有效抑制它。 在直接耦合多级放大器中，第一级总是采用差分放大器。 场效应管差分放大器 为了提高差分放大器的输入电阻，常用场效应晶体管来构成差 分放大器。用结型场效应管作输入级时，其输入电阻可高达1010Ω； 用MOS场效应管作输入级时，其输入电阻可高达1015Ω。下图为双 端输入、双端输出结型场效应管差分放大器电路。它与双极型晶 体管差分放大器的工作原理是一样的。 VD D 用半电路分析法 RD RD + vo T2 T1 半电路为：共源放大器 Avd gmrds // RD + vid Avc 0 - -VSS I 结型场效应管差分放大器 KCMR vo Avd vid 六、差模传输特性 (a)电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线 vo iC1 iC2 IEE IEE RC IEE 0.8 iC1 0.4 iC2 -8 限幅区 -4 0 线性区 过渡区 (a) 4 8 vid VT -4 -2 0 2 4 vid VT -RC IEE 限幅区 (b) 结论1、两管集电极电流之和恒等于IEE 当vid=0时，差分电路处于静态，这时iC1=iC2=ICQ=IEE/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，两管电流之和恒等于IEE。 2、传输特性具有非线性特性（限幅） 由图不难看出，在静态工作点附近，当|vid|≤VT，即室温下， vid在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。这表明iC1,iC2和 vo与vid成线性关系。 当|vid |≥4 VT,即vid超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后 趋于水平，说明|vid |继续增大时，iC1,iC2和vo将保持不变。这表 明差分电路在大信号输入时，具有良好的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（不是饱 和）。 4.5 电流源电路及其应用 电流源电路是提供恒定电流的电路。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。 对电流源电路的要求： 1、提供电流I0，且不受外界因素影响。 2、当其两端电压变化时，保持电流I0恒定。即电流源电路的交流 内阻RO趋于无穷。 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。 单管电流源电路 IC IC IC R1 Ro IB R3 R2 0 vCE (a) -VEE (b) (c) 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。 晶体管实现恒流特性的条件是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。 一、基本镜像电流源 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T1,将集电极和基极短接在一起,接成二 极管,便得到下图所示的镜像电流源电路。由图可知，参考电流 IR为 IR VCC VBE ( on ) R iC 2 I 0 I S 2 e iC1 I S 1e v BE 1 VT VCC R v BE 2 VT I R iC1 iB1 iB 2 VCC R iC2 vBE1 vBE 2 iC1 T1 iC 2 IR IS2 SE 2 I 0 ( )iC1 ( )iC1 I S1 S E1 T2 当SE1 SE 2时，I 0 iC 2 iC1 iB1 iB 2 恒流特性 I0 I0 Ro rce2 二、减小 影响的镜像电流源 iE 3 I R iC1 1 3 IR VCC 2VBE ( on ) R IR 1 2 镜像电流源 精度 IR VCC IR 热稳定性 R I0 T3 IEQ3 T1 T2 RE IE 多路镜像电流源 图中为三路电流源，T5管是为了提高各路电流的精度而设置的。 在集成电路中，多路镜像电流源是 VCC R IR IC2 IC3 IC4 T5 T2 由多集电极晶体管实现的，例如下 图(a)利用一个三集电极PNP管组成 T3 T1 T4 双路电流源,其等价电路如图(b)所示。 VCC VCC T2 T1 R T3 IC2 IR IC1 (a) R IC2 IR IC3 (b) IC3 三、比例式镜像电流源 S E1 S E 2 电流源的电流与参考电流成某一比例关系。实现 射极接电阻 VCC IR vBE1 iE1R1 vBE 2 iE 2 R2 R I0 IB1 IB2 T1 iE1 T2 R1 iC1R1 iC 2 R2 R2 R1 R1 I 0 iC1 IR R2 R2 iE2 Ro rce (1 IR VCC VBE ( on ) R2 rbe 2 R2 RS RS (re1 R1 ) // R R R1 ) 恒流特性提高 具有多路输出的电流源 VC C I IC2 IC1 T2 IC3 T3 T1 RE1 RE2 RE3 RE4 IC4 T4 四、微电流源 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，R势必过大。这时可令上图电路中的R1=0,便得到下图所示 iC1 的微电流电流源电路。 vBE1 vBE 2 vBE1 VT ln I0 VCC IS R2 IR R vBE 2 I0 I 0 iC 2 T1 T2 R2 iC 2 VT ln IS VT iC1 VT I R ln ln R2 I 0 R2 I 0 当IR和所需要的I0一定时，可计算出 所需的电阻R2。 优点:具有对电源电压变化不敏感的特 性。 五、MOS管镜像电流源 与双极型晶体管放大器一样,场效应管放大器也可采用电流源 偏置。利用场效应管饱和区的恒流特性,可以构成恒流源电路。 基本电流源；(b)多路输出电流源 (a) vGS 1 vGS 2 VDD VD D R R IR IO1 IO2 IO T1 T1 IR T2 T2 T3 iD 2 (W / l ) 2 iD 1 (W / l )1 iD 1 I R I 0 iD 2 (a) (b) (W / l ) 2 IR (W / l )1 4.6 集成运算放大器 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。 vi 输 入 级 中 间 级 输 出 级 vo 电流源电路 (1) 电流源偏置电路。它为多级放大器的各级设置合适的工 作点， (2) 输入级。它由差分放大器组成，以便获得尽可能低的零 (3) (4) 输出级。它通常为互补推挽电路， 用以提高放大器输出 双极型集成运放F007是一种通用型运算放大器。由于它性能好， 价格便宜，所以是目前使用最为普遍的集成运放之一。F007的电路 原理图如图所示。图中各引出端所标数字为组件的管脚编号。 7 (15 V) T8 T9 T12 T13 T14 3 T1 T2 T3 2 R5 39k T4 4.5k C 30p T6 T10 1 R1 1k R3 50k R2 1k T17 R4 3.2k R8 50 T18 T11 5 6 VD2 T16 T5 R9 25 T15 R6 7.5k V7 VD1 R7 T19 (-15 V) 4 上图中，T8～T13,R4和R5构成电流源组。其中，T11、R5和T12产生 整个电路的基准电流。T10和T11组成微电流电流源，作镜像电流源 T8,T9的参考电流，并为T3,T4提供基极偏流。 T8的输出电流为输入 级提供偏置。T12,T13组成镜像电流源，作中间放大级的有源负载。 理想的电压放大器件 vv+ 输入电阻：几kΩ到105MΩ（很大） + vo “-” 反相输入端, vo与v-反相。 输出电阻：几十Ω（很小） 电压增益：104～107（很高） 实现零输入时，零输出。 “+”同相输入端，vo与v-同相。 放大器的频率响应 4.7 A( j) A()e j A ( ) 频率响应 Av(ω) 理想幅频特性 AI 0.707AI L 半功率点 低频区 半功率点 H 实际幅频特性 中频区 高频区 0 f fL BW0.7 fH 电容耦合放大器的振幅频率特性如图所示。在低频和高频区放大倍 数有所下降，而中间一段比较平坦。频率响划分为三个区域，即中 频区、低频区和高频区。上限频率fH、下限频率fL以及通频带BW。 中频区:所有电抗影响均不计,增益为常数,与频率无关。 高频区：极间电容是影响高频区响应的主要因素。 低频区：耦合电容和旁路电容是影响低频响应的主要因素。 一、频率失真 我们知道，待放大的信号，如语音信号、电视信号、生物电 信号等等，都不是简单的单频信号，它们都是由许多不同相位、 不同频率分量组成的复杂信号，即占有一定的频谱。如图(a)所示， 若某待放大的信号是由基波(ω1)和三次谐波(3ω1)所组成，由于电 抗元件存在使放大器对三次谐波的放大倍数小于对基波的放大倍 数，那么放大后的信号各频率分量的大小比例将不同于输入信号。 线性失真和非线性失真 线性失真和非线性失真同样会使输出信号产生畸变，但两 者有不同点： 1.起因不同 线性失真由电路中的线性电抗元件引起，非线性失真由电 路中的非线性元件引起(如晶体管或场效应管的特性曲线的非线 性等)。 2.结果不同 线性失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发 生变化，或滤掉某些频率分量的信号，但决不产生输入信号中 所没有的新的频率分量信号。 非线性失真会产生输入信号中所没有的新的频率分量信号。 不失真条件––理想频率响应 综上所述，若放大器对所有不同频率分量信号的放大倍 数相同，延迟时间也相同，那么就不可能产生频率失真。 下图给出了不产生线性失真的振幅频率响应和相位频率响应， 称之为理想频率响应。 (ω) Av(ω) K 0 ω (a) 0 ω (b) 1 sC 二、RC电路频率响应 Vo ( s) 1 1、RC低通电路的波特图 Av ( s ) 1 V ( s ) 1 sRC i R R sC + + 1 1 1 p C v v Av ( j ) 1 jRC 1 j RC p i A( ) o 1 1 ( 2 ) p A ( ) arct an( ) p 用半对数坐标描绘的频率特性称为波特图 Av ( ) dB 2 20 lg 1 ( ) p 画波特图：对数幅频特性、对数相频特性 p时，A( ) 1, (0dB); A ( ) 0 o 1 o P时，A( ) , ( 3dB); A ( ) 45 2 P o P时，A( ) , ( 20lg dB); A ( ) 90 P 上限角频率 H p 工程上，将波特图用折线逼近——渐近波特图 AvH(f ) /dB 0.1fH fH 0 10fH 0.1fH 0 f -10 -20 -20 -40 -30 -60 -40 -80 f -90 (a) (b) AvH(f ) / dB 0.01fH 0.1fH fH 10fH fH 10fH 0 f -20 10fH 0.01fH 0.1fH fH 0 f -45 -20 dB / 10 倍频程 -40 -90 (c) (d) (a)幅频特性；(b)相频特性;(c)渐近幅频特性；(d)渐近相频特性 2、RC高通电路波特图 C + + R vi vo - - p A( ) 1 ( )2 p A ( ) 2 Vo ( s ) R sRC Av ( s ) 1 Vi ( s ) R 1 sRC sC j p jRC Av ( s ) 1 jRC 1 j p A( ) dB p arct an 1 p RC 2 20 lg 20 lg 1 ( ) p p RC (a)幅频特性；(b)相频特性 Av( ) / dB 10 ωp 102 103 104 20 dB/10倍频程 105 f / Hz 90 45 0 (a) 1 10 102 ωp 103 (b) 104 105 f / Hz 三、共射放大器的高频响应 1、晶体三极管的频率参数 b′ b . Ib rbb′ rb′e Cb′e . Ic c Cb′c . Vb′e gm Vb′e rce e 因为发射结正向偏置，扩散电容成分较大，记为Cb'e；而集电结 为反向偏置，势垒电容起主要作用，记为Cb'c。在高频区，这些 电容呈现的阻抗减小，其对电流的分流作用不可忽略。考虑这 些极间电容影响的高频混合π小信号等效电路如图所示。 （1）共射短路电流放大系数β(jω)及其上限频率fβ 由于极间电容的影响，β值将是频率的函数。根据β的定义 ( j ) Ic c、e短路 g m V be Ib rbb′ b Ib Ib Cb′c gm (1 ) re r be V be I b ( r be ( j ) b′ ＋ rb′ee V b′e Cb′e e － 1 j (C be Cbc ) ) Ib 1 j r be (C be Cbc ) 1 f 2rbe (Cbe Cbc ) e r be 1 j r be (C be Cbc ) 1 j 1 j f f ( j )的上限频率 Ic gmVb ′e rce c ( ) 是 ()的上限角频率 2 1 ( ) (T ) 1 β(ω) β T 特征角频率 T 0.707β T ( ) 1 0 fβ gm T rbe (Cbe Cbc ) Cbe Cbc 测T 的原理 fT f (2)共基短路电流放大系数α(jω)及fα 因为 ( j ) ( j ) 1 ( j ) 1 j 1 (1 ) 1 gm rbe (Cbe Cbc ) re (Cbe Cbc ) Cbe Cbc 是 ( )的上限角频率 f fT f 共射放大器及其高频小信号等效电路 VCC C1 + . Vs Rs Cb′e RL + RB2 RE - + c + + Rs b′ R′L Cb′c . Vo rbe . gm Vb′e RB1 b RC + C2 rbb′ . Vs rce RC RL V. o C3 - - e (a) (b) 设RB1‖RB2>>Rs 该等效电路中Cb'c跨接在输入回路和输出回路之间，使高频响应 的估算变得复杂化，所以首先应用密勒定理将其作单向化近似。 V1 V2 I z( s) V1 I1 z1 ( s ) 2、密勒定理及其单向化近似 （1）密勒定理 I Z + + V1 V2 网络 - (a) + V1 I1 Z1 网络 Z2 Z ( s) Z1 ( s ) I 2 V2 V2 1 V1 (b) I I2 I1 + - 同理 等效条件： I Z ( s) Z 2 ( s) 1 1 A( s ) Z ( s) Z1 ( s ) 1 A( s ) （2）单向化近似 b ＋ rbb′ b′ ＋ ＋ Cb′c vbe rb′ee v b′e Cb′e e － － gmvb ′e rce R′L vo 1 Z ( s) sCbc 由于 A( s ) 1 则 － 1 Z 2 ( s) Z ( s) sCbc e 1 RL sCbc Vo ( s) gmVbe ( s) RL A( s) gm RL Vbe ( s) Vbe ( s) 1 1 Z1 ( s) sCbc 1 gm RL 密勒电容 CM 1 (1 gm RL )Cbc gm RL Cbc CM 2 Cbc 不计 (a)单向化模型； b′ rbb ′ b (b)进一步的简化等效电路 Rs CM2 rb′e + - Cb′e . Vs rbb ′ c CM1 + RL′ Rs . Vo . + . gm Vb′e rb′e Ct Vb′e - - - (a) Cbc gm RL 1 T Cbc RL Cbe 1 p RtCt R′L . Vo - (b) Cbc Ct Cbe Cbc gm RL Cbe (1 gm RL ) DCbe Cbe 3、增益与上限频率 . gm Vb′e Vs e D 1 + + 密勒倍增因子 Vo ( s ) AvsI Avs ( s ) Vs ( s ) 1 s Rt rbe //(rbb Rs ) p RL AvsI Rs rbb rbe Av(ω) Av(ω) AvsI 0.707AvsI (a) 0 ωH (ω) 0 (b) 40 -45o -90o ωH (c) 20 ω 0 ω 0 (d) -2 -45o -90o 0.01ωH 0.1ωH ωH 0d B/ 10 倍 10ωH 频 程 ω ω (a)幅频特性；(b)相频特性 Avs / dB -20 dB / 10倍频程 20 20 dB / 10倍频程 10 0 1 10 102 103 104 105 106 107 f / Hz 105 106 107 f / Hz (a) 90 45 0 10 102 103 104 -45 -90 (b) 增益带宽积：评价放大器高频性能的指标 GBW AvsI f H T RL 2 (1 T RL Cbc )(rbb RS ) 有效增大GBW （1）选管： rbb小、Cbc小、T 高的管子 （2）信号源内阻： RS小的信号源 Ct f H （3）负载： R RL 选择兼顾f H 和AvsI的要求 L AvsI 输入和输出节点为低阻节点（RS和R‘L小）→fH↑ 这是扩展上限频率的思路。 注意：共集电路的高频响应比共射电路要好得多，共基电路高 频特性最好。 四、宽带放大器 组合电路 扩展上限频率技术 负反馈技术 Cb′c 电流模技术 组合电路宽带放大器 1、共射——共基 组合电路的上限频率主 要取决于共射电路。 1 H Rt Ct . Vs T2 + Rs + T1 RL _ - Ri 2 Ct H . Vo Ri2 这种组合电路适用于负 载较大的场合。 2、共集——共射 1 H Rt Ct + Rs . Vs + T1 - 共集电路输出阻抗小，作为 共射电路的源阻抗。 Ro1 Rt H 这种组合电路适用于信号源内阻较大的场合。 T2 RL . Vo _ R10 VCC (+6V) R4 1.32 k R3 4.5 k 1.32 k 共集—共射—共基差分集成宽带放大器电路(CA3040) T8 T3 T6 D1 T4 T1 D2 T2 R1 4.8 k T5 4.8 k vi1 vi2 R2 5.25 k T7 vo1 R5 vo2 R6 5.25 k R7 820 T9 R9 810 R8 2.17 k VEE (-6V)