中南大学模电课件第5章

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1、第5章 模拟集成电路基础,5.1概述,5.3 差动放大电路,5.2晶体管电流源电路及有源负载放大电路,5.4 集成运算放大电路,5.1概述,集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件， 它以半导体单晶硅为芯片， 采用专门的制造工艺， 把晶体管、 场效应管、 二极管、 电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起， 使之具有特定的功能。 集成电路体积小、 重量轻、 耗电少、 可靠性高， 已成为现代电子器件的主体。 集成电路分数字与模拟两大类。,集成电路体积小、 重量轻、 耗电少、 可靠性高， 已成为现代电子器件的主体。 集成电路分数字与模拟两大类。,模拟集成电路的种类很多， 有

2、集成运算放大器(简称集成运放)， 集成功率放大器， 集成模拟乘法器， 集成锁相环， 集成稳压器等。 在模拟集成电路中， 集成运算放大器是最为重要、 用途最广的一种， 这里主要介绍集成运放的内部电路、 工作原理、 性能指标及常用等效模型。,（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的， 邻近的器件具有良好的对称性， 而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同， 因而特别有利于实现需要对称结构的电路。,（2）集成工艺制造的电阻、 电容数值范围有一定的限制。集成电路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的， 因而很难制造大的电阻， 其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间; 集成电路中的电容是用PN结

3、的结电容作的。,（3）集成工艺制造晶体管、 场效应管最容易， 众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。 集成晶体管有纵向NPN型管(值高、性能好)、 横向PNP 型管(值低、但反向耐压高）和场效应管， 另外， 集成工艺比较容易制造多极晶体管， 如多发射极管、 多集电极管等。 集成二极管、 稳压管等一般用NPN管的发射结代替。,5.1.1 集成电路中的元器件特点,（1）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性,（2）利用有源器件代替无源元件,（3）一般采用直接耦合方式,5.1.2 集成电路结构形式上的特点,（4）采用较复杂的电路结构,（5）适当利用外接分立元件,根据集成工艺的特点， 模拟集成放大电路

4、中的偏置电路、 集电极或发射极负载等， 一般采用晶体管电流源。 这不仅能使电路性能具有不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性(做偏置)， 而且能获得高增益、 大动态范围的特性(做有源负载)。,5.2 晶体管电流源电路及有源负载放大电路,电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章晶体管的特性已知， 晶体管本身便具有近似恒流的特性。,在集成电路中， 常用的电流源电路有： 镜像电流源、 精密电流源、 微电流源、 比例电流源和多路电流源等。 它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻， 以提高放大电路的放大倍数。,5.2.1 电流源电路,1. 镜像电流源,两管参数对称，工

5、作在临界饱和状态。,UBE1= UBE2 = UBE，1 = 2 = ,IB1= IB2 = IB， IC1= IC2 = IC = IB,基准电流,当2时，,Io基本恒定,镜像电流源的温度补偿作用,T(OC) IC IR UR UB IB IC,若要求Io大，则IR及R的功耗大； 若要求Io小，则IR小，R很大， 使R集成困难。,镜像电流源的缺点,2. 改进型镜像电流源,T1、 T2、 T3、完全相同,1 = 2 = 3,IB1= IB2 = IB,UBE1= UBE2 = UBE,整理得,IO更接近 IR (与IO=IR/(+2)相比),精密镜像电流源,3.微电流源,因UBE很小，使Re及

6、不需很大就可以使Io很小。,一般有IS1 = IS2，所以有,4. 比例电流源,UBE1+IE1Re1 = UBE2+IE2Re2,因 UBE1UBE2 ，则IE1Re1 IE2Re2,而IR IE1 ， IOIE2,5. 多路电流源,T1分别与 T2、 T3、 T4组成比例电流源,例1:在下图电路中， T1、T2管的特性相同， 已知VCC=15V，1=2=，UBE1=UBE2=0.6V。 （1）试证明当 2时， IC2IR； （2）若要求IC2=28A，电阻R应取多大？,解：,（1）在镜像电流源中已推出,当2时，IC2 = IOIR,（2）IC2 = IOIRIC1,例2:在下图电路中 （1

7、）指出电路为何种电流源电路； （2）根据二极管电流方程， 导出T1、 T2管的工作电流IC1、 IC2的关系式； （3）若测得IC228A，IC10.73mA，估算电阻Re和R1的阻值； （4）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。,（1）为微电流源,解：,（2）见微电流源推导过程,（3）,在共射放大电路中，为了提高Au，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc。 然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大Rc时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，而且Rc增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，因此Au的增加受到Rc

8、取值的限制。,如果用恒流源来代替Rc，则由于恒流源的直流电阻不大，故恒流源两端的直流电压并不大，但恒流源的动态交流电阻很大，该交流电阻与交流通道中的Rc等效，Au可以大大提高。由于晶体管和场效应管是有源器件， 而上述电路又以它们为负载，故称为有源负载。,5.2.2 有源共射放大电路,有源共射放大电路,5.3 差动放大电路,零点漂移的严重性,根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移问题。为了抑制温度漂移，一种比较有效的电路就是差动放大电路。,如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，

9、必须有效地抑制零点漂移。,5.3.1 差动放大电路,(Differential Amplifier),1. 电路组成,特点： a.两只完全相同的管子； b.元件参数对称；,2. 输入输出方式,输入端：同相输入端、反相输入端,输入方式：,双端输入：若信号同时加到同相输入端和反相输入端。 单端输入：若信号仅从一个输入端加入， 另一个输入端接地。,输出方式：,双端输出：若从C1和C2两端输出。 单端输出： 仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。,输出端：一个是T1的集电极C1， 另一个是T2的集电极C2,差动电路的工作模式：,(1)双端输入、 双端输出（双入双出） (2)双端输入、 单端输出（双

10、入单出） (3)单端输入、 双端输出（单入双出） (4)单端输入、 单端输出（单入单出）,3. 差模信号与共模信号,差模输入信号uId：两输入信号之差,差模信号：,两大小相等， 极性相反的信号（uId1= -uId2 ）,共模信号：,两大小相等， 极性相同的信号（uIc1= uIc2 ）,共模输入信号uIc：同时接到两个输入端的信号,可以将两个普通输入信号uI1 、 uI2分解为共模分量和差模分量,例,则,8mV=,=8mV,2mV=,= -2mV,10mV,6mV,4. 抑制零漂的工作原理,原理：静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两

11、管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,差动放大电路对差模信号的放大作用,在差模信号作用下， iE1=-iE2 ， iRE =0 ， RE可视为短路,差模放大倍数,差动放大电路对共模信号的抑制作用,uiCiB1 iC1、

12、iE1uEuBE1iB1iC1,uiCiB2 iC2、iE2uEuBE2iB2iC2,uO =0,共模放大倍数,共模抑制比,5. 信号的输入方式和电路的响应,（1）差模输入方式,差模输入信号为ui1 ui2= uId,差模输入方式,若ui1的瞬时极性与参考极性一致，则ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2 ,输出电压uO= uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=uod/uId,（2）共模输入方式,ui1=ui2=uIC,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,ui1=ui2=0，uo=

13、0,ui1=ui2=uic时，uoc=0。,定义：Ac=uoc/uIc,共模输入方式下的差放电路,Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为0，实际上 由于电路不完全对称，可能仍会有不大的uoc，一般Ac1。,既然uOC=0或者uOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？ 差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时 温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同 的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用 下，uOC=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化 而引起的零漂。,（3）任意输入方式,任意输入方式,输入端分别接ui1和ui2，这种输入方式带有一般性， 叫“任意输入方

14、式”。,uic = (ui1+ ui2 ) / 2,uid = ui1- ui2,利用叠加原理得到：,uo=Aduid+Acuic,= Ad( ui1- ui2 ),结论： 在任意输入方式下，被放大的是输入信号ui1和ui2的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。,差模输入信号,共模输入信号,(Ac =0),（4）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂

15、移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。,在上图电路中，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越 小。但RE太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太 大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作 电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源供 电，用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电 后，输出电压的动态范围大多了。,改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。,射极耦合差动放大电路,因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以

16、RB可以去掉。T1和T2的射极之间还接入了电位器RW，用于电路调零。,5.3.2 基本性能分析,1. 静态分析,2. 动态分析-半等效电路分析法,差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,输入幅值不同， 如何处理?,uid = ui =ui1- ui2,ui1=uid /2， ui1=-uid /2,差模半等效电路的画法： Re视为短路； RL取一半。,差模特性分析,差模半等效电路,双入双出电路差模放大倍数 与单边共射放大电路相同,2. 双端输入单端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,uid =ui1- ui2,ui1=uid /2,双入单出电路差模放大倍数 是单边共射放大电路的一半,（4）共模电