模电幻灯片第6章

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1、,6 模拟集成电路,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.3 差分式放大电路的传输特性,6.4 集成电路运算放大器,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,6.2 差分式放大电路,将整个电路的各个元件做在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。,集成电路(IC):,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的体电阻构成，范围在几十到20千欧。高阻值电阻用三极管有源器件代替或外接。,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。,5、电路中多采用复合管。

2、,优点:,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,分类:,模拟集成电路（运算放大器、功率放大器、 模拟乘法器、A/D、D/A转换 器、稳压电源等）,数字集成电路,6.1 模拟集成电路中的 直流偏置技术,6.1.1 BJT电流源电路,6.1.2 FET电流源电路,1. 镜像电流源,2. 微电流源,3. 高输出阻抗电流源,4. 组合电流源,1. MOSFET镜像电流源,2. MOSFET多路电流源,3. JFET电流源,在BJT放大电路中，静态工作点一般是利用外接电阻元件来建立，但在集成电路中制造一个三端器件比制造一个电阻所占用的面积小，也比较经济，因而采用BJT制成电流源。,电流源：是指电

3、流恒定的电源,电流源的作用,为放大电路提供稳定的偏置电流,可作为放大电路的有源负载，以便提高放大电路的电压增益,电流源的特点：,直流电阻小，交流电阻大,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,T1、T2的参数全同,即12，ICEO1ICEO2,当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符号,当R确定后， IREF就确定了， IC2也就确定了，可将IC2看作IREF的镜像 ，称此图为镜像电流源。,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,动态输出电阻 由于输出特性的电流在一定 范围内是恒定的，其斜率的倒数即为动态输出电阻：,也称为小信号电阻， 一般ro在几百千

4、欧以上,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,此外，由于T1管对T2管具有温度补偿作用，Ic2的温度稳定性也较好。但IREF受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。,镜像电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合。若需减少Ic2的值（例如微安级）。必须要求R的值很大，这在集成电路中很难实现。因此，需要研究改进型的电流源。,6.1.1 BJT电流源电路,2. 微电流源,所以IC2也很小。,rorce2（1 ）,（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）,当电源电压发生变化时，IC2的变化远小于IREF的变化，电源电压波动对IC2影响不大,故：此电流源有很高的恒定性。,A1和A3分别

5、是T1和T3的相对结面积,动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高,6.1.1 BJT电流源电路,3. 高输出阻抗电流源,6.1.1 BJT电流源电路,4. 组合电流源,T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF,T1和T2、T4和T5构成镜像电流源,T1和T3，T4和T6构成了微电流源,电流源的特点,外电路参数确定，输出电流基本恒定。 电流稳定性好。 直流电阻小，交流电阻大。 电流源作为电路的偏置电路，为放大电路其它各 级提供合适的稳定的偏置电流，亦常作为有源负 载使用，用于改善电路的动态性能，提高电路的增益。,6.1.2 FET电流源电路,1. MOSFET镜像电流源,当器件具有不同

6、的宽长比时,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本镜像电路流,6.1.2 FET电流源电路,1. MOSFET镜像电流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为,常用的镜像电流源,6.1.2 FET电流源电路,2. MOSFET多路电流源,6.1.2 FET电流源电路,3. JFET电流源,(a) 电路 (b) 输出特性,6.2 差分式放大电路,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,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,由于电源具有恒流特性，并带有高

7、阻值的动态输出电阻，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。,差分放大电路：放大两个输入信号之差，是抑制零点漂移最有效 的电路结构。,零点漂移：当理想放大电路的输入信号为零时，其输出电压应保 持不变（不一定是零），但由于元器件老化 、 温度 变化 、电源电压波动等，引起输出电压并不保持恒定。,温漂指标：,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,一般集成运算放大器都采用直接耦合方式，即级级之间不用任何耦合件，这样信号损失小，效率高，频响好，频带宽。但前后级Q点会相互影响，产生零点漂移，即当温度变化使第一级放大器静态点发生微小变化时，这种变化量会被

8、后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移 。,例:,若第一级漂了100uV，,则输出漂移 1V。,若第二级也漂100uV，,则输出漂移10mV。,第一级是关键。,零漂仅对直接耦合放大电路而言。 零漂是缓慢变化的、不规则的第一级产生的零漂在多级电路中占主要地位。 零漂将直接影响放大电路的分辨率和灵敏度。 零漂是直接耦合电路中存在的主要问题。,注意：,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,2. 有关概念,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,共模信号产生的输出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,2. 有关概念,根据,有,共模信

9、号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分,两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,T1、T2特性完全相同。且Rc1= Rc2,因两管射极连接在一起，并共同与一电流源相连接，以便于直接传递信号而得名。由于该电路具有两个输入端和两个输出端，因而称为双端输入和双端输出电路。,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,静态,输入信号电压（vi1-vi2)为0时，输出信号vo也为0。,T1、T2特性完全相同。且Rc1= Rc1,(2)动态分析：,输入有差别,

10、输出才变动。,这种输入方式称为差模输入,仅输入差模信号，,大小相等，,大小相等，,相位相反，则,两管集电极电位一增一减，呈等量异向变化，即,相位相反，即,a. 输入差模信号：,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号,两管集电极电位呈等量同向变化,则输出电压为：,vo= voc1 - voc2 = 0,即对共模信号没有放大能力。,b. 输入共模信号（抑制零点漂移）,c. 输入差模与共模信号的叠加,即双端输出差放电路只放大差模信号，而抑制了共模信号。因此，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

11、制作用，以改善整个电路的性能。,2. 抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的。,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,2. 抑制零点漂移原理,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双入、双出,一管电流增加,一管电流减小，ic1 增加的量等于ic2减小的量，则流 过恒流源的电流Io不变，ve=0。,3. 主要指标计算,（1）差模情况,接入负载时, 双入、双出,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双

12、入、双出,（1）差分电路的差模电压 放大倍数与单管放大 电路的电压放大倍数 相同,（2）接成差分电路是为了抑制零点漂移，以双倍的元器件换取抑制零漂的能力,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双入、单出,接入负载时,常用于将双端输入信号转换为单端输出信号，并可由需要选择极性,此电路只取一管的集电极电压变化量，故双入、单出差分放大电路的电压增益等于双出时的一半。,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 单端输入,等效于双端输入,两电路中作用于be结上的信号分量基本一致，指标计算与双端输入相同。,单入、双出时，增益同双入、双出相同；单入、单出时，增益同双入、单出相同。,（2）共模电压增益,当在差分放

13、大电路的两个输入端加入共模输入电压时,对每管而言，相当于射极接了2ro的电阻,两管内的电流同时增加或减少,交流 通路,3. 主要指标计算,（2）共模情况, 双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,双端输出时，理想共模增益为0。即差分放大电路具有很好的抑制共模信号的能力。, 单端输出,抑制零漂能力增强,3. 主要指标计算,（2）共模情况,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输入信号之比，即,单端输出时，恒流源越接近理想状态，AVC1越小，即抑制共模信号的能力越强。,(3)共模抑制比KCMR,共模抑制比是用来衡量差分放大电路抑制共模信号

14、的能力。,差模电压增益越大,共模电压增益越小,共模抑制能力越强,放大电路的性能越优良,用分贝表示,差分放大电路很难做到完全对称，对共模分量仍有一定的 放大能力。共模分量常常是噪音、干扰、温漂等信号，是无用信号，差模分量是有用信号。,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,可见：由电路的对称性抑制双端输出的零漂。 依靠恒流源的交流电阻ro抑制单端输出的零漂。,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,例,(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.,解

15、：,求:,(1)静态,(2)电压增益,(3),差分电路的共模增益,共模输入电压,不计共模输出电压时,(4),4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,静态,IE6 IREF,IO IE5,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模电压增益 （负载开路）,则,单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模输入电阻 Rid2rbe,输出电阻,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5/2,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放大电路,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放

16、大电路,双端输出差模电压增益,而:,所以：,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放大电路,单端输出差模电压增益,vo2(id4-id2)(ro2/ ro4),gm vid（ro2 / ro4）,(ro2/ ro4), gm(ro2 / ro4 ),与双端输出相同,6.3 差分式放大电路的传输特性,根据,iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线,6.4 集成电路运算放大器,6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573,6.4.2 集成运算放大器741,6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器,1. 电路结构和工作原理