模拟电路第三章（模拟集成电路）

一、模拟集成电路中的直流偏置技术

1、镜像电流源

镜像电流源的电路图如下图所示， $T_{1}$ 、 $T_{2}$ 的参数完全相同，即 $\beta _{1}=\beta _{2}$ 、 $I_{CEO1}=I_{CEO2}$ ，由于两管具有相同的基-射极间电压（ $V_{BE1}=V_{BE2}$ ），所以 $I_{E1}=I_{E2}$ 、 $I_{C1}=I_{C2}$ 。当BJT的 $\beta$ 较大时，基极电流 $I_{B}$ 可以忽略，所以 $T_{2}$ 的集电极电流 $I_{C2}$ 近似等于基准电流 $I_{REF}$ ，即

$r_{o}$ 为电流源的动态输出电阻（上图未画出），也称为小信号电阻。下图所示的是电流源的输出特性，输出特性的电流在一定范围内是恒定的，其斜率的倒数为动态输出电阻。

2、微电流源

与镜像电流源相比，微电流源在 $T_{2}$ 的射极电路接入电阻 $R_{e2}$ ，当基准电流 $I_{REF}$ 一定时，根据 $V_{BE1}-V_{BE2}=\Delta V_{BE}=I_{E2}R_{e2}$ ，可得

二、差分式放大电路

1、差分式放大电路的一般结构

（1）用三端器件组成的差分式放大电路：

（2）差模信号和共模信号的概念：

2、射极耦合差分式放大电路

（1）基本电路组成：（电流源有一大内阻 $R_{e}$ 与之并联，图中未画出）

（2）工作原理：

①静态分析：

②动态分析：

[1]输入信号为差模信号 $v_{id}$ ：

[2]输入信号为共模信号 $v_{ic}$ ：

[3]输入信号为差模信号 $v_{id}$ 与共模信号 $v_{ic}$ 的叠加：

③主要技术指标的计算：

[1]双端输入、双端输出的差模电压增益：

在射极耦合差分式放大电路中，若输入为差模方式，即 $v_{i1}=-v_{i2}=v_{id}/2$ ，则因一管的电流增加，另一管的电流减小，在电路完全对称的条件下， $i_{C1}$ 的增加量等于 $i_{C2}$ 的减少量，所以流过电流源的电流 $I_{O}$ 不变， $v_{e}=0$ （电流源内阻两端的电压为0，无电流通过），故交流通路如下图所示，电流源内阻不画入交流通路中。

$T_{1}$ 、 $T_{2}$ 构成对称的共射电路，为便于分析可画出对差模信号的半边小信号等效电路，如下图所示（图示有接负载电阻 $R_{L}$ ）。当从两管集电极作双端输出，未接 $R_{L}$ 时其差模电压增益与单管共射放大电路的电压增益相同，即

当集电极 $c_{1}$ 、 $c_{2}$ 两点间接入负载电阻 $R_{L}$ 时，有

这是因为输入差模信号时， $c_{1}$ 、 $c_{2}$ 点的电位向相反的方向变化，一边增量为正，另一边增量为负，并且大小相等，可见负载电阻 $R_{L}$ 的中点是交流地电位，所以在差分输入的半边等效电路中，负载电阻是 $R_{L}/2$ ，于是射极耦合差分式放大电路接入负载后的交流通路如下图所示。

[2]双端输入、单端输出的差模电压增益：

如输出电压取自其中一管的集电极（ $v_{o1}$ 或 $v_{o2}$ ），则称为单端输出，此时由于只取出一管的集电极电压变化量，当 $R_{L}=\infty$ 时，电压增益只有双端输出时的一半，因此，当分别从 $T_{1}$ 、 $T_{2}$ 的集电极输出时，则有

[3]差模输入电阻：

差模输入电阻 $R_{id}$ 为差模输入电压与差模输入电流之比，即

单边差模输入电阻为 $2R_{id}$ 。

[4]双端输入、双端输出的共模电压增益：

当两个输入端接入共模输入电压，即 $v_{i1}=v_{i2}=v_{ic}$ 时，因两管的电流或是同时增加，或是同时减小，因此有 $v_{e}=i_{e}R_{e}=2i_{e1}R_{e}$ ，即对每管而言，相当于射极接了 $2R_{e}$ 的电阻，其交流通路如下图所示。

下图为共模输入半边小信号等效电路（图示未接负载电阻），当从两管集电极输出时，由于电路的对称性，其输出电压为 $v_{oc}=v_{oc1}-v_{oc2}\approx 0$ ，其双端输出的共模电压增益为

[5]双端输入、单端输出的共模电压增益：

单端输出的共模电压增益表示两个集电极任一端对地的共模输出电压与共模信号电压之比，即

一般情况下 $\left ( 1+\beta \right )2R_{e}>>r_{be}$ 、 $\beta >>1$ ，则

[6]共模输入电阻：

共模输入电阻 $R_{ic}$ 为共模输入电压与共模输入电流之比，即

单边共模输入电阻为 $R_{ic}/2$ 。

[7]输出电阻：

输出电阻 $R_{o}$ 与输入方式无关，在不接负载电阻的情况下，双端输出的输出电阻为 $R_{o}\approx 2R_{c}$ ，单端输出的输出电阻为 $R_{o}\approx R_{c}$ 。

[8]共模抑制比：

双端输出的共模抑制比 $K_{CMR}=\infty$ ，单端输出的共模抑制比 $K_{CMR1}=K_{CMR2}\approx \frac{\beta R_{e}}{r_{be}}$ 。

3、具有电流源的差动放大电路

普通差动放大电路存在的缺点是共模抑制比不够高，从公式上看，是电流源的内阻 $R_{e}$ 不够大，为了提高共模抑制比，可引入带有源负载的射极耦合差分式放大电路。

三、通用型集成运放的组成

（1）输入级：用差分放大器。

（2）中间放大级：为运算放大器提供足够的放大倍数。运算放大器可以简单地理解为一个差模增益很大的放大器，而其主要的增益就是由中间放大级来提供。可以用有源负载来提高共射放大器的放大倍数，通常中间放大级采用复合管来增大放大器的放大倍数。

（3）输出级：输入电阻高、输出电阻低。集成运放要求输出级具有尽可能小的输出电阻。因此，选用射极输出器是适宜的。

①下左图所示的是由两个射极输出器组成的互补对称电路，BJT的基极电流必须在 $\left | v_{BE} \right |$ 大于门坎电压时才会有显著变化，当输入信号 $v_{i}$ 低于这个数值时，两个BJT均截止，负载上几乎无电流通过，出现一段死区，这种现象称为交越失真。

②为了克服交越失真，引入了下面两种电路。

（4）电流源：向各个放大级提供适当的偏置电流，以确定各放大级的静态工作点。

（5）有源负载（用有源器件代替无源器件作为负载）：

①下图所示的负载曲线为 $i_{C}=(V_{CC}-v_{CE})R_{c}$ ，放大电路的放大倍数为 $A_{v}=-\beta \times \frac{R_{c}}{r_{be}}$ 。

②增大电阻 $R_{c}$ ，可以获得高的放大倍数，但是静态工作点会相应地向饱和区移动，可见这时静态工作点的设置和放大倍数的增加是一对矛盾。解决办法是使用恒流源替换电阻 $R_{c}$ ，与此同时，电压增益将变为 $A_{v}=-\beta \times \frac{r_{o}}{r_{be}}$ 。

四、集成运放的电压传输特性

（1）当差模电压 $v_{id}$ 很小时， $v_{o}$ 和 $v_{id}$ 存在着线性关系，比例系数就是差模电压增益。该区域称为线性放大区。集成运放的线性输入范围为

（2）随着 $v_{id}$ 增大，输出电压 $v_{o}$ 向正电源 $V_{CC}$ 靠近，最终等于 $+V_{om}$ 。该区域称为正饱和区。

（3）随着 $v_{id}$ 的减小， $v_{o}$ 趋向负电源 $-V_{CC}$ ，最终等于 $-V_{om}$ 。该区域称为负饱和区。

（4）集成运放的线性输入范围极窄，且其放大性能指标 $A_{vd}$ 越高，线性输入范围越窄，如利用集成运放直接对输入信号进行放大，输入信号的大小将难以控制。若输入信号过小，将被噪声干扰、温漂所淹没；若输入信号稍大，运放又进入正、负饱和状态，产生严重的非线性失真。因此，高增益的集成运放不能开环应用于线性放大，为此必须引入负反馈。