6 模拟集成电路讲义教材

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1、6 模拟集成电路,授课人：庄友谊,模拟电子技术,6 模拟集成电路,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.4 集成运算放大器,6.7 放大电路的噪声与干扰,6.2 差分式放大电路,6.3 差分式放大电路的传输特性,6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响,6.6 变跨导模拟乘法器,原理框图：,将整个放大电路做在同一个半导体基片上，具有性能稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小的优点。,前言,偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、 增大动态范围。,二、电流源电路的用途： 1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置

2、电流，以获得极其稳定的Q点。,3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。,4、电流源还可单独制成稳流电源使用。,1、镜像电流源：,6.1.1 BJT电流源电路：,三极管T1、T2匹配,其中：基准电流 是稳定的，故输出电流 也是稳定的。,微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。,微电流源,1、微电流源：,可以求得IE2,其数值远小于IREF , IC2 IE2,当R取 几k 时， IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。,精密镜象电流源和普通镜象电流源相比

3、，其镜象精度提高了 倍。,精密电流源,电路中增加了T3 管,3、精密镜象电流源：,IB3 比镜象电流源的2IB小3倍。因此IC2和IREF之间的镜象精度提高了（1+3）倍。,4、比例式电流源：,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。,比例式电流源,因两三极管基极对地电位相等，于是有,5、多路电流源：,通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。,多路电流源,1、MOSFET镜像电流源：,6.1.2 FET电流源：,如果两管具有不同的长宽比时：,2

4、、MOSFET多路电流源：,电路完全对称的理想情况：,差模电压增益,差模信号,放大两个输入信号之差,共模信号,差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。,共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。,6.2 差分放大器,一、结构：,特点：结构对称。,6.2.1 基本差分放大器：,二、 抑制零漂（温漂）的原理,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时：,当温度变化时：,三、共模电压放大倍数AC,共模输入信号：,理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0,共

5、模电压放大倍数：,（很小，1),但因两侧不完全对称， uo 0,ui1 = ui2 = uiC,大小相等，极性相同,四、差模电压放大倍数Ad,差模输入信号：,(很大，1),由于uC1 =UC1 +uo1 ， uC2 =UC2 +uo2 。,差模电压放大倍数：,ui1 = -ui2,uo1 =-uo2,uo= uC1 - uC2= uo1- uo2 = 2uo1,ui1 =- ui2 =uid /2,大小相等，极性相反,五、共模抑制比(CMRR)的定义,例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB,CMRR Common Mode Rejecti

6、on Ratio,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分贝),为了使左右平衡，可设置调零电位器:,特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -VEE ，采用正负双电源供电。,1、结构：,6.2.2 射极耦合差分式放大器：,双电源的作用：,（1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-VEE提供。,2、静态分析：,温度T,IC,IE = 2IC,VE,VBE,IB,IC,(1) RE的作用,设ui1 = ui2 = 0,RE 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,(2) Q点的计算:,直流通路,IC1= IC2= IC= IB,VC1= VC2= VCCICRC,V

7、E1= VE2 =IBRBVBE,VCE1= VCE2 = VC1VE1,1 =2=50,3、动态分析：,输入信号分类:,(a)差模(differential mode)输入,ui1 = -ui2=uid /2,(b)共模( common mode) 输入,ui1 = ui2 = uiC,差模电压 放大倍数:,共模电压 放大倍数:,结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。,注意：ui1 = uiC +uid /2 ；ui2 = uiC - uid /2,例: ui1 = 20 mV , ui2 = -10 mV,则：uid = 30mV , uic = 5m

8、V,差模分量:,共模分量:,(A) 差模输入,RE 对差模信号作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,uRE = 0,结论：RE对差模信号不起作用,ui1,差模信号交流通路,T1单边微变等效电路,(a) 放大倍数:,单边差模放大倍数:,若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,rod = 2RC,ro,输入电阻：,输出电阻：,(b) 输入输出电阻:,(B) 共模输入,对共模信号，相当于接单边接

9、了2RE,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,共模信号通路:,T1单边微变等效电路,AC 0,一般情况下差分的两个输入既有差模成分，又有共模成分，例如，vi1=1050mV，vi2=950mV，那么，差模信号vid=100mV，vic=1000mV；再如， vi1=50mV，vi2=-50mV，那么，差模信号vid=100mV，vic=0mV.,差分放大器的输出电压：,例：一个差分放大器的输出与输入的关系为： vo =1000 vi1 -999 vi2 , 求 Ad 、 Ac 、 KCMRR,解：,=1000（ vic+ vid /2 ） - 999 （ vic- vid /2

10、 ）,vo =1000 vi1 -999 vi2,=999.5 vid + vic,因此：Ad =999.5 、 Ac =1 、 KCMRR =999.5,三、 差放电路的几种接法,双端输入双端输出：,Ad = Ad1,双端输入单端输出：,详见p270表6.2.1,单端输出：,对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。,uid = ui ，uic = 0,双端输入：,ui1 = -ui2 =ui/2,uid = ui /2 , uc = ui /2,小结(对于基本共发放大器构成的差放）,电路结构:,四、 带有源负载的射极耦合差分放大电路,rce3 1M,恒流源,T3 :放大区,静态分析：主要

11、分析T3管。,VB3VE3 IE3 IC3,电路改进：加入温度补偿三极管T4（BC短接，相当于二极管）,温度 ,IE3 ,温度,UBE4 ,UB3 ,IE3 ,结论：T4稳定IE3 。,IE3 ,UBE4 ,Q变化,1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。,2. 恒流源不影响差模放大倍数。,3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,例1：,解：,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1、CMOS差分式放大电路：,2、JFET差分式放大电路：,6.3 差分式放大电路的传输特性,有RE,集成电路: 将整个

12、电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,6.4 集成电路运算放大器,集成电路内部结构的特点：,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3. 几十pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,原理框图：,1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且

13、采用双端输入双端输出的形式。,4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而 变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益放大器。,-VEE,+VCC,u+,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求

14、：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。 （3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管, = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,+,极 性 判 断,一、开环差模电压放大倍数Aod

15、,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,二、共模抑制比KCMMR,常用分贝作单位，一般80120dB，大的甚至达到140dB以上。,三、差模输入电阻rid和共模输入电阻ric,rid1M, 有的可达100M以上， ric100M 。,四、输出电阻ro,ro =几-几十。,6.5 实际集成运算放大器的 主要参数和对应用电路的影响,6.5.1 实际集成运放的主要参数：,五、最大共模输入电压Vicmax,六、最大差模输入电压Vidmax,七、-3dB带宽fBW,运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号。,八、其他参数：,1、输入失调电压Vio：,

16、在输入端加入一个补偿电压、使输出电压为0，此补偿电压叫失调电压。,2、输入失调电流Iio：,输入电压为0时，流入放大器两输入端的电流差,3、输入偏置电流IiB：,4、输入失调电压温漂和输入失调电流温漂：,输入电压为0时，流入放大器两输入端的电流平均值,5、转换速率SR：,6、静态功耗PV：,7、电源电压抑制比KSVR：,ri 大: 几十k 几百 k,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,运放符号：,运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。,6.5.2 集成运放应用中的实际问题：,1、合理选择。,2、调校放大器，减少误差。,6.6 变跨导式模拟乘法器,6.6.1 变跨导式模拟乘