模擬電子技術：第六章 功率放大電路1

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1、6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術模擬集成電路中的直流偏置技術6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.5 實際集成運算放大器的主要參數和對應實際集成運算放大器的主要參數和對應 用電路的影響用電路的影響6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.1 模擬集成電路中的模擬集成電路中的直流偏置技術直流偏置技術6.1.1 BJT電流源電路電流源電路6.1.2 FET電流源電流源1.鏡像電流源鏡像電流源2.微電流源微電流源3.高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源4.組合電流源組合電流源1.MOSFET鏡像電流源鏡像電流源2.MOSFET多路電流源

2、多路電流源3.JFET電流源電流源6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1.鏡像電流源鏡像電流源BE1BE2=VVE1E2=IIC1C2=IIT T1 1、T T2 2的參數全同的參數全同 即即12，ICEO1ICEO2 當當BJT的的較大時，基極電流較大時，基極電流IB可以忽略，可以忽略，m m也可忽略也可忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)(代表符號代表符號當當BJT的集電結面積不同時，的集電結面積不同時，REFREF12C2AA=mIII6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1.鏡像電流源鏡像電流源動態電阻動態電阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在

3、幾百千歐以上在幾百千歐以上2ce21 cIr6.1.1 BJT電流源電路電流源電路2.微電流源微電流源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ）e2be2e2RrR （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）oR)ln(REFe2oToIIVIRTBEVVsoeII2A1和和A3分別是分別是T1和和T3的相對結面積的相對結面積 動態輸出電阻動態輸出電阻ro遠比微電流源的動態輸出電阻為高遠比微電流源的動態輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路電流源電路3.高輸出阻抗電流源

4、高輸出阻抗電流源RVVVVIEEBE23BECCREF REF13C2oIAAII ro0.5(1)rce3 6.1.1 BJT電流源電路電流源電路4.組合電流源組合電流源T1、R1 和和T4支路產生基準電流支路產生基準電流IREF1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5構成鏡像電流源構成鏡像電流源T1和和T3，T4和和T6構成了微電流源構成了微電流源6.1.2 FET電流源電流源1.MOSFET鏡像電流源鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時當器件具有不同的寬長比時RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （=0=0）ro=rds2 MO

5、SFET基本鏡像電路流基本鏡像電路流 6.1.2 FET電流源電流源1.MOSFET鏡像電流源鏡像電流源2D22n2GS2T22n2GS3T2(/)()()IWLKVVKVV 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，因為：因為：即工作在放大區，當即工作在放大區，當=0時時，輸出，輸出電流為電流為 常用的鏡像電流源常用的鏡像電流源 31()2GSGSDDSSTNVVVVV2TNGSnREFD3D1)(VVKIII 動態電阻更大，恒流特性更好動態電阻更大，恒流特性更好2.串級鏡像電流源串級鏡像電流源ds2ds4mds4mds2ds4o)1(rrgrgrrr 需要注意，需要注意，T4漏極接負

6、載漏極接負載構成回路后，需要滿足構成回路后，需要滿足TN4GS4DS4VVV 6.1.2 FET電流源電流源時，當33441122/LWLWLWLW若若VGS4=VGS3，VGS2=VGS1 Io=IREF 6.1.2 FET電流源電流源2.MOSFET多路電流源多路電流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)(VVKII 6.1.2 FET電流源電流源3.JFET電流源電流源end(a)電路電路 (b)輸出特性輸出特性 6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大

7、電路的一般結構6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構1.用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路Vi1=Vsint+VDCVi2=-Vsint+VDC6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構2.有關概念有關概念i2i1id=vvv 差模信號差模信號)(21=i2i1icvvv 共模信號共模信號idod=vvv A差模電壓增益差模電壓增益icoc=vvv A共模電壓增益共模電壓增益icciddooo =vvvvvvvAA 總

8、輸出電壓總輸出電壓其中其中ov 差模信號產生的輸出差模信號產生的輸出ov 共模信號產生的輸出共模信號產生的輸出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標反映抑制零漂能力的指標cdCMR=vvAAK6.2.1 差分式放大電路的一般結構差分式放大電路的一般結構2.有關概念有關概念根據根據2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv)(21=i2i1icvvv 有有 共模信號相當于兩個輸入共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分端信號中相同的部分 差模信號相當于兩個輸入差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分端信號中不同的部分 兩輸入端中的共模信號兩輸入端中的共模信號大小相等

9、，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。號大小相等，相位相反。6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1.電路組成及工作原理電路組成及工作原理靜態靜態OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7.0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 動態動態僅輸入差模信號，僅輸入差模信號，i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。O2O1vv和和大小相等，大小相等，0O2O1o vvv信號被放大。信號被放大。相位相反。相位相反。1.電路組成及工作原理電路組成及工作原理6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電

10、路1.電路組成及工作原理電路組成及工作原理 溫 度 變溫 度 變化和電源電化和電源電壓波動，都壓波動，都將使集電極將使集電極電流產生變電流產生變化。且變化化。且變化趨勢是相同趨勢是相同的，的，差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。2.抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理 iC1 iC2 溫度溫度 iC1 iE1 iC2 iE2 這一過程類似于分壓式射這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩定過程。極偏置電路的溫度穩定過程。所以，即使電路處于單端輸出所以，即使電路處于單端輸出方式時

11、，仍有較強的抑制零漂方式時，仍有較強的抑制零漂能力。能力。vE （vB1、vB2不變）不變）vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB2 2.抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用3.主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入負載時接入負載時i1o122vv becrR beLcd)21/(=rRRA v以雙倍的元器件換以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 雙入、雙出雙入、雙出3.主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 雙入、單出雙入、單出 ido1

12、d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入負載時接入負載時beLcd2)/(=rRRA vi2i1o1vvv3.主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 單端輸入的交單端輸入的交流通路流通路3.主要指標計算主要指標計算（1）差模情況）差模情況 單端輸入單端輸入eorr 等效于雙端輸入等效于雙端輸入 指標計算與雙指標計算與雙端輸入相同。端輸入相同。3.主要指標計算主要指標計算（2）共模情況的交流通路）共模情況的交流通路3.主要指標計算主要指標計算（2）共模情況）共模情況 雙端輸出雙端輸出 共模信號的輸入使兩管共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。集電極電壓有相同的變

13、化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益 單端輸出單端輸出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增強抑制零漂能力增強icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA3.主要指標計算主要指標計算（2）共模情況）共模情況（3）共模抑制比）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況 CMRK 單端輸出單端輸出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大，CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越強越強單端輸出時的總輸出電壓單端輸出時的總輸出電壓)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA

14、（4）頻率響應）頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。例例(4)當輸出接一個當輸出接一個12k 負載負載時的差模電壓增益時的差模電壓增益.解：解：求求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。時，時，當當，均為硅管，均為硅管，、V008050TTTOi321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv時，時，當當的值的值及及、AAARVVIII(1)靜態靜態 k3.2mV26)1(200E33be3Ir(2)電壓增益電壓增益mA37.0c2BE3e

15、3E3C2 RVRII V9V)7.0(1037.012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74.022C2E2E III k2.5k 74.0121074.07.0)12(Ee1EEe2IRIVR k78.3mV26)1(200E22be2Ir k3.245)1(e33be3i2RrR(3)50)(2)/(b1bei2c22d2 RrRRAv9.3)1()/(e33beL3c32 RrRRAv1952d2 vvvAAAmV5.2)0mV5(21)(21i2i1ic vvv差分電路的共模增益差分電路的共模增益3.0)(2)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvmV972

16、)9.3(5.2)3.0(550)(2icc2idd22O2O vvvvvvvvAAAA共模輸入電壓共模輸入電壓不計共模輸出電壓時不計共模輸出電壓時mV975O v(4)時時 k12LR95.1)1()/(e33beL3c32 RrRRAv5.972d2 vvvAAA4.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路靜態靜態 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE54.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益差模電壓增益（負載開路）（負載開路）0ce4o2ce2o2c2c4 rvrvii0)2(

17、2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 則則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 4.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 輸出電阻輸出電阻4.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路帶有源負載的射極耦合差分式放大電路共模輸入電阻共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro5有源負載的單端輸有源負載的單端輸出差模電壓增益接出差模電壓增益接近于雙端輸出的電近于雙端輸出的電壓增益。壓增益。同理可得，單

18、端輸同理可得，單端輸出的共模電壓增益出的共模電壓增益接近于雙端輸出的接近于雙端輸出的電壓增益，即趨近電壓增益，即趨近于于0。AVC0。6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路差分式放大電路2T6GS6n6D6REF)V(VK II6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益雙端輸出差模電壓增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A)/(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而:)/()/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：6.

19、2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路差分式放大電路單端輸出差模電壓增益單端輸出差模電壓增益vo2(id4-id2)(ro2/ro4)gm vid（ro2/ro4）)2(2idmidmvvgg (ro2/ro4)ido2dvvv A gm(ro2/ro4)與雙端輸出相同與雙端輸出相同6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性根據根據TBE/ESEeVIiv iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線可得傳輸特性曲線 vO1

20、，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線的傳輸特性曲線6.4 集成電路運算放大器集成電路運算放大器6.4.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器7416.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器集成電路運算放大器1.電路結構和工作原理電路結構和工作原理2.電路技術指標的分析計算電路技術指標的分析計算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5，可求出，可求出IREF 根據根據T6、T

21、8各管子的寬長比各管子的寬長比，可求出它們支路的電流。，可求出它們支路的電流。(2)(2)小信號分析小信號分析2.電路技術指標的分析計算電路技術指標的分析計算總電壓增益總電壓增益 Av=Av1Av2 Av2=vo/v gs7 =gm7(rds7/rds8)第二級電壓增益第二級電壓增益 將參數代入計算得將參數代入計算得 Av=40884.8（92.2 dB）1Av gm2(rds2/rds4)其中，其中，6.4.2 集成運算放大器集成運算放大器741原理電路原理電路 簡化電路簡化電路6.5 實際集成運算放大器的主要實際集成運算放大器的主要參數和對應用電路的影響參數和對應用電路的影響6.5.1 實

22、際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數輸入直流誤差特性（輸入失調特性）輸入直流誤差特性（輸入失調特性）1.輸入失調電壓輸入失調電壓VIO 在室溫（在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓調電壓VIO。一般約為。一般約為（110）mV。超低失調運放為（。超低失調運放為（120）V。高精度運放。高精度運放OP-117 V

23、IO=4 V。MOSFET達達20 mV。2.輸入偏置電流輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運放輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態電流的平均值兩個輸入端靜態電流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT為為10 nA1 A；MOSFET運放運放IIB在在pA數量級。數量級。6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數輸入直流誤差特性（輸入失調特性）輸入直流誤差特性（輸入失調特性）3.輸入失調電流輸入失調電流IIO 輸入失調電流輸入失調電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態基極電流之差，即端的靜態基極電流之差，即IIO|

24、IBPIBN|一般約為一般約為1 nA0.1 A。4.溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調電壓溫漂）輸入失調電壓溫漂 VIO/T（2）輸入失調電流溫漂）輸入失調電流溫漂 IIO/T6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數差模特性差模特性1.開環差模電壓增益開環差模電壓增益Avo和帶寬和帶寬BW 開環差模電壓增益開環差模電壓增益AvO開環帶寬開環帶寬BW(fH)單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG(fT)741型運放型運放AvO的頻率響應的頻率響應 6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數差模特性差模特性2.差模輸入電阻差模輸入電阻rid和輸出電阻和輸出電阻ro BJT輸入

25、級的運放輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數兆歐一般在幾百千歐到數兆歐MOSFET為輸入級的運放為輸入級的運放rid1012超高輸入電阻運放超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA一般運放的一般運放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro0.05。3.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數共模特性共模特性1.共模抑制比共模抑制比KCMR和共模輸入電阻和共模輸入電阻ric 一般通用型運放一般通用型運放KCMR為（為（80120）dB，高精度運放，高精度運放可達可達140dB，ric100M。2.最大共模輸入電壓

26、最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生1%跟跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達 13V。6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數大信號動態特性大信號動態特性1.轉換速率轉換速率SR放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即輸出電壓對時間的最大變化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信號為若信號為viVimsin2 ft，則運放的，則運放的SR必須滿足必

27、須滿足SR2fmaxVom6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數大信號動態特性大信號動態特性2.全功率帶寬全功率帶寬BWP 指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即 SR和和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放型運放SR在在nV/s以下，以下，741的的SR=0.5V/s而高速運放要求而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如以上。目前超高速的運放如AD9610的的SR3500V/s。omRmaxP2 VSfBW 電源特性電源特性1.電源電壓抑制比電源電壓抑制

28、比KSVR 衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響 2.靜態功耗靜態功耗PV 6.5.1 實際集成運放的主要參數實際集成運放的主要參數1.1.集成運放的選用集成運放的選用 根據技術要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿根據技術要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數比較均衡，做到技術性與經濟性的統一。至于專用項參數比較均衡，做到技術性與經濟性的統一。至于專用型運放，雖然某項技術參數很突出，但其他參數則難以兼型運放，雖然某項技術參數很突出，但其他參數則難以兼顧，例

29、如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。高精度常常有矛盾，如此等等。6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題2.失調電壓失調電壓VIO、失調電流、失調電流IIO和偏置電流和偏置電流IIB帶來的誤差帶來的誤差 6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題2.失調電壓失調電壓VIO、失調電流、失調電流IIO和偏置電流和偏置電流IIB帶來的誤差帶來的誤差 6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題輸入為零時的等效電路輸入為零時的等效電路2IOIBP)2(RIIV f

30、11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 解得誤差電壓解得誤差電壓 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 當當 時，可以時，可以消除偏置電流消除偏置電流 引起的引起的誤差，此時誤差，此時f12/RRR IBI當電路為積分運算時，當電路為積分運算時，即即 換成電容換成電容C，則，則fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)(1)()()(2IOIO12IOIOO時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態。時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態。IOIO IV和和引起的誤差仍存在引起的誤差仍存在end3.調零補償調零補償6.5.2 集成運放應用中的實際問題集成運放應用中的實際問題（a a）調零電路）調零電路 （b b）反相端加入補償電路）反相端加入補償電路其中，其中，rds2=(1/IDSS)