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1、第六章 模拟集成电路,主要内容 集成放大电路的特点 电流源 差分放大电路 集成电路运算放大器 实际集成运放的主要参数 变跨导式模拟乘法器 放大电路中的噪声与干扰,引言 集成放大电路的特点,把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(ICIntegrated Circuits)。它的体积小，而性能却很好。,集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。,模拟集成电路是本章的主干内容。它是集成电路设计与制造工艺
2、不断发展的成果。,本章首先讨论模拟集成电路中普遍使用的直流偏置技术， 即用集成工艺制造的BJT或FET的各种电流源。 电流源除可为电路 提供稳定的直流偏置外，还可作放大电路的有源负载以获得高增益。,其次，模拟集成电路的另一组成单元是用BJT和FET组成的差分式放大电路，将重点讨论其工作原理和主要技术指标的计算。,接着分析两种集成运放的实际电路，介绍集成运放的技术参数。随后，对变跨导模拟乘法器及其应用也作简要的讨论。最后，对放大电路中的噪声和干扰的来源及其抑制措施作简要的介绍。,集成放大电路的特点,1、电路结构与元件参数具有对称性,2、用有源器件代替无源器件,3、采用复合结构的电路,4、采用直接
3、耦合方式,5、二极管由三极管构成,主要的单元电路： 1.电流源2.差分放大电路,61.1 BJT电流源电路,作用：向各个放大级提供合适的偏置电流。,1、镜像电流源,(忽略VBE),常将IC2看作IREF的镜像，称此电路图为镜像电流源,镜像电流源电路图a及代表符号b,受R值限制，仅为mA数量级,电流源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，即,镜像电流源输出特性,2、微电流源,即用阻值不大的Re2即可获得微小的工作电流，称为微电流源。 T2工作在输入特性的弯曲部分。,T2,输出电阻也较大,3.高输出阻抗电流源,这是镜像电流源的另一种改进电路。电路图如右，电路的基准电流为,
4、根据BJT的结构知识可知,A1和A3分别是T1和T3的相对结面积,电流源作T3射极电阻， rO很大，见P137,4 组合电流源,在多级集成电路放大器中，往往使用一个基准电流以获得多个电流源。图6.1.4示出了一个典型的例子。通过R1的电流IREF 就是四个电流源的基准电流。 T1和T2 、 T4和T5构成镜像电流源。而T1和T3 、 T4和T6则构成了微电流源。在工程实际中，形象地将上部一组电路叫做电流源，而下部一组电路叫做电流阱。,用途：1.电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点；作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益为,比用电阻Rc作负载时提
5、高了。,放大管,例：图中电路为F007偏置电路的一部分，VCC=VEE =15V，所有的三极管UBE =0.7V，其中NPN三极管的2，横向PNP三极管的 =2，电阻R5=39k。 估算基准电流IREF； 分析电路中各三极管组成何种电流源； 估算T13的集电极电流IC13；,2.用作偏置电路,若要求IC10=28A，试估算电阻R4的阻值。,解：,T10、T11构成微电流源， T12、T13构成镜像电流源,图6.1.5 MOSFET镜像电流源,电路如图6.1.5a所示， T1 、 T2是N沟道增强型MOSFET对管，该电路的结构与图6.1.1a所示的BJT镜像电流源类似。,6.1.2 FET电流
6、源,1.MOSFET镜像电流源,基本电路,1.MOSFET镜像电流源,电路如图6.1.5a所示， 由于T1的漏、栅两极相连，只要VDD VT ，它必然运行于饱和区。假设两管的特性全同，输出电压vO足够大以至T2处于饱和区， 相同的VGS ，则输出电流Io将与基准电流IREF近似相等，即,当器件具有不同的宽长比时，借助宽长比这一参数可以近似地描述两器件电流之间关系，即,相同条件下，如=0，电流与宽长比成比例,如果用T3代替R,便可得到如图6.1.5b所示的常用镜像电流源，因T1T3特性相同，且工作在放大区，当MOSFET的=0时，输出电流为,图6.1.5 MOSFET镜像电流源,常用电路,2MO
7、SFET多路电流源电路如图6.1.6所示， 它是6.1.5b所示镜像电流源电路的扩展。基准电流IREF由T0和T1以及正、负电源确定，根据前述各管漏极电流近似地与其宽长比(WL)成比例的关系，则有,其中,3JFET电流源如将N沟道结型场效应管(JFET)的栅极直接与源极相连，便可得到简单的电流源，如图6.1.7a所示，其输出特性就是JFET自身的输出特性，如图6.1.7b所示。图中标出了可用范围，即从VDS = VP 到击穿电压VBR 。电流源的动态输出电阻等于输出特性的斜率的倒数。,VGS=0,6.2 差分式放大电路,差分式放大电路在性能方面有许多优点，是模拟集成电路的又一重要组成单元。本节
8、先介绍差分式放大电路的一般结构，然后讨论BJT差分式放大电路和FET差分式放大电路.,6.2.1 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,图6.2.1是用两个特性相同的三端器件(含BJT、FET) T1 、 T2所组成的差分式放大电路，电流源IO 具有恒流特性，并带有高阻值的动态输出电阻(图中略)，因而电路具有稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的能力。,图6.2.1是用两个特性相同的三端器件(含BJT、FET) T1 、 T2所组成的差分式放大电路，下端公共接点e处连接一电流源IO 。两器件的输入端I1 、 I2分别接输入信号电压，两输出端O1 、 O2.,2差模信号和
9、共模信号的概念,什么叫差模和共模信号?这是应当首先建立的重要概念。,输入电压vi1和vi2之差称为差模电压，用下式来定义：,同理，两输入电压vi1和vi2的算术平均值称为共模电压，定义为,用差模和共模电压表示两输入电压时为,由上面二式可知，两输入端的共模信号vic的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的差模电压+vid /2和-vid /2的大小相等而极性则是相反的。,类似地，对于两管的差模输出电压和共模输出电压可由下两式来表达：,式中单管的输出电压分别为:,；,差模电 压增益,共模电 压增益,对线性放大电路而言,6.2.2 射极耦合差分式放大电路1基本电路在图6.2.1中，如选用两只特性全同
10、的BJT T1 和 T2 ，则可得如图6.2.2所示射极耦合差分式放大电路。,图 6.2.2射极耦合差分式放大电路。,2.工作原理,（1）静态分析,图 6.2.2 射极耦合差分式放大电路。,（2）动态分析,动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。这种输入方式称为差模输入。,相位相反。,图 6.2.2射极耦合差分式放大电路。,输入信号仅为共模信号vic,在差分式放大电路中，温度变化或电源电压波动等都会引起两管集电极电流（电压）有相同的变化。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号vic,两输出端输出的共模电压相同。因此双端输出时的输出电压vo=0.,输入信号为差模信号
11、vid与共模信号vic,的叠加 ,输出电压为,在双端输出时,即双端输出差放电路只放大差模信号，而抑制了共模信号。,根据这一原理，差分式放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。,由于这个缘故，差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级，它对共模信号有很强的抑制能力，以改善整个电路的性能。,3主要技术指标的计算(1)差模电压增益,双端输入、双端输出的差模电压增益。,在图6.2.2所示的电路中，若输入为差模方式，即,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，ic1的增加量等于ic2的减少量，所以流过电流源的电流IO不变， ve=0，故交流通路如图6.2.
12、3a所示。,图 6.2.2射极耦合差分式放大电路。,图6.2.3 (a)交流通路,图6.2.3 （a)交流通路,图6.2.3 （b)半边等效电路,当从两管集电极作双端输出，未接RL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,接RL时其差模电压增益为,其中,综上分析可知，在电路完全对称、双端输入、双端输出的情况下，图6.2.2的电路与单边电路的电压增益相等。可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制共模信号的能力。,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(vo1或vo2)，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RL=时，电压增益只有双端输出时的一半
13、，因此，当分别从T1或T2的集电极输出时，则有,这种接法常用于将双端输入信号转换为单端输出信号，集成运放的中间级有时 就采用这样的接法。,单端输入的差模电压增益,在实际系统中，有时要求放大电路的输入电路有一端接地。这种输入方式称为单端输入(或不对称输入)。电路如图6.2.4,实际电流源的动态输出电阻，一般很大，可认为ro支路相当于开路，输入信号电压近似地均分在两管的输入回路上.,等效于双端输入,电路工作状态与6.2.3图相同，其指标计算与双端输入电路相同。,(2)共模电压增益,双端输出的共模电压增益,交流通路如图6.2.5a所示。因两管对称,图6.2.5a,即对每管而言，相当于射极接了2 ro
14、的电阻。,图6.2.5b为共模输入半边小信号等效电路。,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,图6.2.5b共模输入半边小信号等效电路,其双端输出的共模电压增益为,实际上，要达到电路完全对称是不可能的，但即使这样，这种电路抑制共模信号的能力还是很强的。共模信号即对两边输入相同或接近相同的干扰信号，因此，共模电压增益越小，说明放大电路的性能越好。,单端输出的共模电压增益,ro越大，抑制共模信号（零漂）能力越强。,即两个集电极任一端共模输出电压与共模信号电压之比：,图6.2.5b共模输入半边小信号等效电路,(3)共模抑制比KCMR,定义:放大电路差模信号的电压增益与共模信号的电压增益之比的
15、绝对值，即,双端输出，理想情况,单端输出,抑制共模信号（零漂）能力,越强,则单端输出时的总输出电压,由,且单端输出时,（4）频率响应,对双入双出，高频响应与共射电路相同，因采用直接耦合方式，故低频响应极好。,单端输出时的总输出电压,由上式可知，在设计放大电路时，必须至少使共模抑制比大于共模信号与差模信号之比，例如，设KCMR 1000，vic 1 mV，vid 1 V，则上式中的第二项与第一项相等，这就是说，差模信号和共模信号所得到的输出电压相等。显然，如果将 KCMR值增至10000，则式中的第二项只有第一项的十分之一，再一次说明共模抑制比愈高，抑制共模信号的能力愈强。,几种方式指标比较,双
16、端输入,单端输入,这里设不 接负载RL 接RL则RC 变为,4. 几种方式指标比较,双端输入,单端输入,(4)当输出接一12k负载 时的电压增益.,解：,求:,例,(1)静态,(2)电压增益,vB20为什么？,(3),(4),RL,(1)电路的静态工作点；(2)双端输入、双端输出的差模电压增益AVd 、差模输入电阻Rid输出电阻RO ；(3)当电流源的rO=83 k时，单端输出时AVd1 、AVC1和KCMR1的值；(4)当电流源IO不变，差模输入电压Vid =0,共模输人电压ViC =5V或5 V时的VCE值各为多少?,解：(1)静态工作点及rbe由于IO = 1mA，差分对管的集电极电流和电压分别为,(2)双端输入、双端输出时的AVd，Rid和RO,(3)单端输出时,(4) ViC =5V或5 V时的VCE值各为多少?,可得,可得,由上分析可知，当共模电压ViC变化时，电流源IO和IC1 、IC2不变，但VCE变了，这意味工作点变了，当ViC =5 V时，T1、T2进入饱和区，这说明对输入的共模电压要限制在一定的范围内，才保证T1和T2工作在线性放大区。,
