第五章模擬集成電路

1、第五章第五章 模擬集成電路模擬集成電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)重點知識一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)二、差分式放大電路二、差分式放大電路三、差分式放大電路的傳輸特性三、差分式放大電路的傳輸特性四、集成運算放大器方框圖四、集成運算放大器方框圖五、集成運算放大器的主要參數(shù)五、集成運算放大器的主要參數(shù)六、集成運算放大器的分類六、集成運算放大器的分類一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)BJT電流源電路電流源電路1. 1. 鏡像電流源鏡像電流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU ， CCB10B

2、0CR2IIIIIIRC 2II ，則若在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性?；鶞孰娏骰鶞孰娏鱎UVI)(BECCR RC2II CC0C1III 一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)2. 2. 改進型鏡像電流源改進型鏡像電流源BJT電流源電路電流源電路T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU ， )1(2CC2B0CR IIIII基準電流基準電流RUVI)(BECCR RIII R22C2 CC0C1III 一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏

3、置技術(shù)3. 3. 微電流源微電流源BJT電流源電路電流源電路eBE1BE0E1)(RUUI TUUUEEUUIIII)(10SEBE1BE0TBEe e ，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUU 1C 1EII 設(shè)計過程很簡單，首先確定設(shè)計過程很簡單，首先確定IE0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。RUVIIIBE0CCR C0 E0 一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)eBELRUVRRRI/ )(CCb21b1b bebeeceoRRrRrR14.

4、 4. 射極偏置電流源射極偏置電流源BJT電流源電路電流源電路一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)根據(jù)所需靜態(tài)電流選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。根據(jù)所需靜態(tài)電流選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為因為UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re35. 5. 多路電流源多路電流源BJT電流源電路電流源電路一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)2GS(off)GSDSSL)1(UUII sLGSRIU sdso)1(RRgrRsm

5、 FET電流源電路電流源電路一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)電流源電路的特點、等效電路以及應用電流源電路的特點、等效電路以及應用1. 1. 特點特點輸出電流近似不變，與所輸出電流近似不變，與所帶的負載大小無關(guān)，輸出帶的負載大小無關(guān)，輸出電阻非常大，理想情況下電阻非常大，理想情況下接近無窮大。接近無窮大。2. 2. 等效電路等效電路3. 3. 應用應用在集成電路中為放大電路偏置靜態(tài)工作點，在交流分析時在集成電路中為放大電路偏置靜態(tài)工作點，在交流分析時做放大電路的有源負載，提高電路的放大倍數(shù)和帶負載能做放大電路的有源負載，提高電路的放大倍數(shù)和帶負載能力。力。理想理想

6、一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)應用舉例應用舉例1請判斷電路中哪只管子為放大管？其請判斷電路中哪只管子為放大管？其集電極靜態(tài)電流約為多少？寫出電壓集電極靜態(tài)電流約為多少？寫出電壓放大倍數(shù)表達式。放大倍數(shù)表達式。be1bLce2ce11)( rRRrrAu RVVIIBECCRC31 T1管為放大管，管為放大管，T2、T3組成鏡像電流源。組成鏡像電流源。一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)一、模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)應用舉例應用舉例2請判斷電路中哪只管子為放大管，它是何種放大電路，請判斷電路中哪只管子為放大管，它是何種放大電路，采用了什么措施提高電路的跟隨特性。采

7、用了什么措施提高電路的跟隨特性。T1管為放大管，是共集放大管為放大管，是共集放大電路；電路；T2組成射極偏置電流組成射極偏置電流源電路，為源電路，為T1偏置靜態(tài)工作偏置靜態(tài)工作電流，并做電流，并做T1的發(fā)射極交流的發(fā)射極交流等效電阻。等效電阻。 2221221/1bbebeeceeRRRrRrR 零點漂移現(xiàn)象：零點漂移現(xiàn)象：uI0，uO0的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，元器件老化。其中晶產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，元器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ阂胫绷髫摲答仯瑴囟妊a償

8、?？朔仄姆椒ǎ阂胫绷髫摲答仯瑴囟妊a償。 典型電路：差分放大電路典型電路：差分放大電路差分放大電路的作用：差分放大電路的作用：克服零點漂移現(xiàn)象克服零點漂移現(xiàn)象。二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路中的一般概念差分放大電路中的一般概念i2i1id=vvv 差模信號差模信號)(21=i2i1icvvv 共模信號共模信號idoD=vvAV 差模電壓增益差模電壓增益icoC=vvAV 共模電壓增益共模電壓增益icCidDooo=vAvAvvvVV 2=idici1vvv 2=idici2vvv 用用差模差模信號和信號和共模共模信號表示輸入信號信號表示輸入信號二、差分放大電路二、差分放大電路

9、二、差分放大電路二、差分放大電路2=idici1vvv 0=C2C1O uuu2=EE2E1iii 射極耦合差分放大電路射極耦合差分放大電路1 1、靜態(tài)分析、靜態(tài)分析beCCCCuRiVuu 1CE2CE1 =0=I2I1 uuebeRuVi/ )(=EEE 靜態(tài)時輸出電壓為零。靜態(tài)時輸出電壓為零。二、差分放大電路二、差分放大電路2 2、動態(tài)分析、動態(tài)分析2idI2I1vuu 一對大小一對大小相等相等方向方向相反相反的信號的信號一管電流一管電流增加增加、一管電流、一管電流減小減小0=C2C1O uuu輸入信號為輸入信號為差模信號差模信號idv差模輸出電壓不為零。差模輸出電壓不為零。射極耦合差分

10、放大電路射極耦合差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路icI2I1vuu 一對大小一對大小相等相等方向方向相同相同的信號的信號二管電流二管電流同時增加同時增加0=C2C1O uuu輸入信號為輸入信號為共模信號共模信號icv共模輸出電壓為零。共模輸出電壓為零。干擾信號和溫漂以共模形式出現(xiàn)，干擾信號和溫漂以共模形式出現(xiàn)，可以被抑制，所以不出現(xiàn)在輸出中?？梢员灰种?，所以不出現(xiàn)在輸出中。2 2、動態(tài)分析、動態(tài)分析射極耦合差分放大電路射極耦合差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算1.1.雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出1 1）差模輸

11、入）差模輸入 )(2bebBIdrRiu ？bebLcIdOdd)2/( rRRRuuA / 差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù))2/(2LcCOdRRiu/ 2 )(2cobebiRRrRR ，二、差分放大電路二、差分放大電路0 )()( C2CQ2C1CQ1C2C1OC uuuuuuu0cIcOcc AuuA參數(shù)理想時 ，共模放大倍數(shù)C21CC21CB21Buuiiii IcI2I1uuu 差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算1.1.雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出2 2）共模輸入）共模輸入共模抑制比共模抑制比KCMR：綜合考察差分放大電路放大差模信綜合考察差分放大電路放大差

12、模信 號的能力和抑制共模信號的能力。號的能力和抑制共模信號的能力。 在實際應用時，信號源需要有在實際應用時，信號源需要有“ 接地接地”點，以避免點，以避免干擾；或負載需要有干擾；或負載需要有“ 接地接地”點，以安全工作。點，以安全工作。 根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：接法：雙端輸入雙端輸入-雙端輸出、雙端輸入雙端輸出、雙端輸入-單端輸出、單端單端輸出、單端輸入輸入-雙端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入-單端輸出。單端輸出。cdCMRAAK )( lg20cdCMR分貝dBAAK 或或電路對稱理想時，雙端輸出的電路對稱理想時，雙

13、端輸出的KCMR為為無窮大無窮大。差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算1.1.雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出二、差分放大電路二、差分放大電路bebLcd)( 21rRRRA cobebi)(2RRrRR ，二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算2.2.雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出1 1）差模輸入）差模輸入bebLcd)( 21rRRRA ebebLcc)1(2)( RrRRRA )(2)1(2bebebebCMRrRRrRK ？coebebic 2)1(21RRRrRR ，二、差分放大電路二、差分放大電路差分放

14、大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算2.2.雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出2 2）共模輸入）共模輸入bebLcd)( 21rRRRA （1）T2的的Rc可以短路嗎？可以短路嗎？（2）什么情況下）什么情況下Ad為為“”？（3）雙端輸出時的）雙端輸出時的Ad是單端輸出時的是單端輸出時的2倍嗎？倍嗎？)(2)1(2bebebebCMRrRRrRK cobebi)(2RRrRR ，二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算2.2.雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出3 3）分析）分析共模輸入電壓共模輸入電壓差模輸入電壓差模輸入電壓輸入差

15、模信號的同時總是輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：伴隨著共模信號輸入：2/IIcIIduuuu ，二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算3.3.單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出2IcIdOuAuAu 差模輸出差模輸出共模輸出共模輸出二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算3.3.單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出分析方法與雙端輸入、雙端輸出一致，結(jié)果也一致。分析方法與雙端輸入、雙端輸出一致，結(jié)果也一致。二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指

16、標計算4.4.單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出OQIcIdO2UuAuAu 靜態(tài)時的值靜態(tài)時的值差模輸出差模輸出共模輸出共模輸出問題討論：問題討論：（1）UOQ產(chǎn)生的原因？產(chǎn)生的原因？（2）如何減小共模輸出）如何減小共模輸出電壓？電壓？輸出方式：輸出方式：Q點、點、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均與之均與之有關(guān)有關(guān)。coCMRcbebLcd2 0 )2/(RRKArRRRA / 出： 雙端 輸 cobebebebCMRebebLccbebLcd )(2)1(2 )1(2)/( )(2)/(RRrRRrRKRrRRRArRRRA /單端輸出：輸入方式：輸入方式： 電路的性能指標與輸入方式無關(guān)

17、，因此電路的性能指標與輸入方式無關(guān)，因此輸入輸入電阻不變電阻不變，但是輸入信號的分量不同。，但是輸入信號的分量不同。單端輸入時必有共單端輸入時必有共模信號分量和差模信號分量輸入模信號分量和差模信號分量輸入。二、差分放大電路二、差分放大電路差分放大電路主要技術(shù)指標計算差分放大電路主要技術(shù)指標計算四種接法比較（條件：電路參數(shù)對稱）四種接法比較（條件：電路參數(shù)對稱）為什么要采用電流源？為什么要采用電流源？Re 越大，共模負反饋越強，單越大，共模負反饋越強，單端輸出時的端輸出時的Ac越小，越小，KCMR越大，越大，差分放大電路的性能越好。差分放大電路的性能越好。為使靜態(tài)電流不變，為使靜態(tài)電流不變，Re

18、 越大，越大，VEE也要增也要增大，以至于大，以至于Re太大太大不合理。不合理。 需要尋找既能合理偏置靜態(tài)電需要尋找既能合理偏置靜態(tài)電流流，又能在交流時等效又能在交流時等效無窮大無窮大的的Re。解決方法：用電流源替代解決方法：用電流源替代Re！)(2)1(2bebebebCMRrRRrRK 具有恒流源的差分放大電路具有恒流源的差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路具有恒流源的差分放大電路具有恒流源的差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路3BEQEE2123ERUVRRRI 等效電阻等效電阻為無窮大為無窮大近似為近似為恒流源恒流源靜態(tài)電流靜態(tài)電流其他參數(shù)求解步驟與前面討其他參數(shù)求解步

19、驟與前面討論的方法相同。論的方法相同。B32II 具有恒流源的差分放大電路具有恒流源的差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路 21333333/1RRRrRrRRbeceoe 交流分析時用電流源的交交流分析時用電流源的交流等效電阻流等效電阻R Ro o取代原來的取代原來的R Re e。等效電阻等效電阻 )(2)1(2bebebebCMRrRRrRK提高了單端輸出的共模抑制比。提高了單端輸出的共模抑制比。近似為近似為恒流源恒流源具有調(diào)零電阻的差分放大電路具有調(diào)零電阻的差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路1) RW取值應大些？還是小取值應大些？還是小些？些？2) RW對動態(tài)參數(shù)的影響

20、？對動態(tài)參數(shù)的影響？3) 若若RW滑動端在中點，寫滑動端在中點，寫出出Ad、Ri、Ro表達式。表達式。2)1(WbebcdRrRRA Wbebi)1()(2RrRR co2RR 調(diào)零電阻調(diào)零電阻doidmd2RRRRgA 場效應管差分放大電路場效應管差分放大電路負載負載RL開路時：開路時：doidmd2)2/(RRRRRgAL 帶負載帶負載RL時：時：與三極管差分放大電路一樣與三極管差分放大電路一樣也有四種輸入輸出方式，分也有四種輸入輸出方式，分析方法類似，請自己學習。析方法類似，請自己學習。二、差分放大電路二、差分放大電路(4)當輸出接一當輸出接一12k12k 負載時的電壓增益負載時的電壓增

21、益. .。時，當，均為為硅管、V008050TTTTOi43214321 vv?mV5)3(;)2(; )1(OiV2D2CE2CE4C4C2E3 vvAAAVVIIIVV時，當?shù)闹?、電路參?shù)如圖所示，已電路參數(shù)如圖所示，已知三極管的參數(shù)知三極管的參數(shù)求：求：差分放大電路差分放大電路舉例舉例 1二、差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路二、差分放大電路VRIVCCCE97 . 012222 mARRRRIeE74. 0 / )7 . 012(32123 解：解：mA1)V12(0c4C4 RIV9 )V12(0 e4E4E4C4CE4 RIVVV(1) (1) 靜態(tài)靜態(tài)mAIIEC37.

22、 0232 mARRRRIeE74. 0 / )7 . 012(32123 mA1)V12(0c4C4 RIV9 )V12(0 e4E4E4C4CE4 RIVVV二、差分放大電路二、差分放大電路 k3 . 2mV26)1(200E44be4Ir(2) (2) 電壓增益電壓增益 k3 .245)1(e44be4i2RrR50)(2)/(b1bei2c22D2 RrRRAV 9 . 3)1(e44be4c42 RrRAV1952D2 VVVAAA k78. 3mV26)1(200E22be2Ir 二、差分放大電路二、差分放大電路V98. 0 V105195 3iVO vAv(4)時時 k12LR9

23、5. 1)1()/(e33beL3c32 RrRRAV 5 .972D2 VVVAAA(3)時mVvi5 因為差分放大器射極采用因為差分放大器射極采用恒流源，所以共模信號近恒流源，所以共模信號近似為零。似為零。差分放大電路差分放大電路舉例舉例 2二、差分放大電路二、差分放大電路電路參數(shù)如圖所示，已知結(jié)電路參數(shù)如圖所示，已知結(jié)型場效應管參數(shù)型場效應管參數(shù)gm=2mS，三極管參數(shù)三極管參數(shù)rce=200k, =100，試求場效應管漏極靜態(tài)電流試求場效應管漏極靜態(tài)電流ID2以及電路的各交流參數(shù)。以及電路的各交流參數(shù)。解：解：T1、T2為場效應管組成的差為場效應管組成的差分放大器，源極采用恒流源，分放

24、大器，源極采用恒流源，T3、T4組成比例電流源。組成比例電流源。二、差分放大電路二、差分放大電路 MRRRrRrrbeceO7)/1(3213333 krbe4 . 22 . 1261012003mARRI17 . 0)12(1221E4 mAIIIE6 . 023D2D1 (1) (1) 靜態(tài)靜態(tài)源極等效電阻源極等效電阻mARRIIE2 . 1324E3 二、差分放大電路二、差分放大電路 kRRdO102 MRRgi1114000 VCVdCMRAAK10212Vd dmRgA432VC1014. 7 21 OmdmrgRgA(2) (2) 交流參數(shù)交流參數(shù)三、差分放大電路的傳輸特性三、差分

25、放大電路的傳輸特性傳輸特性 )(idovfv 線性區(qū)四、集成運算放大器方框圖四、集成運算放大器方框圖兩個兩個輸入端輸入端一個一個輸出端輸出端若將集成運放看成為一個若將集成運放看成為一個“黑黑盒子盒子”，則可等效為一個雙端，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電輸入、單端輸出的差分放大電路。路。場效應管場效應管集成運放電路的組成及符號集成運放電路的組成及符號表示符號表示符號前置級，多采用差分放大電路。要求前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高。小，輸入端耐壓高。主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力

26、。的放大能力。功率級，多采用準互補輸出級功率級，多采用準互補輸出級或共集放大器或共集放大器。要求要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。小，最大不失真輸出電壓盡可能大。為各為各級放大電路設(shè)置級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作合適的靜態(tài)工作點。采用電流源點。采用電流源電路。電路。場效應管場效應管集成運放電路四個組成部分的作用集成運放電路四個組成部分的作用四、集成運算放大器方框圖四、集成運算放大器方框圖四、集成運算放大器方框圖四、集成運算放大器方框圖F007電路原理圖電路原理圖五、集成運算放大器主要參數(shù)五、集成運算放大器主要參數(shù) 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 9

27、0dB )(lg20lg20NPOoduuuA PNPid)(iuur codCMRlg20AAK UIO的溫漂的溫漂dUIO/dT() 幾幾V/ 0輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 20nA 0IIO的溫漂的溫漂dIIO/dT() 幾幾nA/ 0 使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。B2B1IOIII 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO 1mV 0五、集成運算放大器主要參數(shù)五、集成運算放大器主要參數(shù) 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UIcmax 能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。-3dB帶寬帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 0.5V/S 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax 超過此值輸入級差分管將損壞。超過此值輸入級差分管將損壞。上限截止頻率。上限截止頻率。maxOddtuSR 對大信號的反應速度對大信號的反應速度五、集成運算放大器主要參數(shù)五、集成運算放大器主要參數(shù)按工作原理按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量為電壓互