電子技術(shù)模電部分-第6章(潘)模擬集成電路

第六章集成電路運(yùn)算放大器它體積小，性能好。2、按功能分類：數(shù)字集成和模擬集成電路。3、常用模擬集成電路：

運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬瑣相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、及其他模擬電路等。4、模擬集成電路的特點(diǎn)：1）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性（溫度均一、特性對(duì)稱）2）無(wú)源器件用有源器件代替（電阻、電容用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)）3）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路（用復(fù)合管等組合電路）4）級(jí)間采用直接耦合方式5）用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管，作為溫度補(bǔ)償元件等。1、集成電路：把整個(gè)電路中的元件都制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。6.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源●電流源電路的特點(diǎn)：輸出電流恒定。具有很高的輸出電阻?！耠娏髟措娐返挠猛荆?、給直接耦合放大器的各級(jí)電路提供直流偏置電流，使Q點(diǎn)穩(wěn)定。2、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、增大動(dòng)態(tài)范圍。3、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長(zhǎng)的電壓輸出。4、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。

4、用PN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度影響小。3、電流源電路一般都加有電流負(fù)反饋。2、常用的電流源電路有：鏡像電流源、精密電流源、微電流源等1、BJT、FET工作在放大狀態(tài)時(shí)，其輸出電流都是具有恒流特性受控電流源；由它們都可構(gòu)成電流源電路。三極管T1、T2匹配，

鏡像電流源其中：基準(zhǔn)電流是穩(wěn)定的，故輸出電流也是穩(wěn)定的。

IC2和IR是鏡像關(guān)系。1、鏡像電流源精密鏡像電流源精密鏡像電流源和普通鏡像電流源相比，其鏡像精度提高了倍。

精密電流源

電路中增加了T3管，

IB3

比鏡像電流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF之間的鏡像精度提高了倍。2、微電流源

微電流源電路,接入Re2電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集成放大器的前置級(jí)中。微電流源IC2

遠(yuǎn)小于IREF

,

當(dāng)R取幾k時(shí)，

IREF

為mA量級(jí)，而IC2可降至A量級(jí)的微電流源。且IC2

的穩(wěn)定性也比IREF

的穩(wěn)定性好。ΔVBE很小多路電流源

通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)電流源IREF穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流IC1、IC2，即可構(gòu)成多路電流源。例6.1.1已知各BJT的參數(shù)β、VBE數(shù)值相同，求多路電流源電路中的各電流源IC1、IC2、IC3

與基準(zhǔn)電流

IREF的關(guān)系式。解：當(dāng)IREF確定后，改變各Re的阻值，就能獲得不同比例的輸出電流。當(dāng)β較大時(shí)，由于各管的β、VBE相同，IB0=IE0/β=ΣIB/β3.電流源用作有源負(fù)載IREF

利用電流源的靜態(tài)電阻小，動(dòng)態(tài)電阻很大的特點(diǎn)。1）靜態(tài)電阻?。阂着渲渺o態(tài)工作點(diǎn)。2）動(dòng)態(tài)電阻很大：可提高放大器的大倍數(shù)。6.2差分放大電路②零點(diǎn)漂移問(wèn)題零點(diǎn)漂移：指輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化的現(xiàn)象。uotO產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化。2.直接耦合帶來(lái)的兩個(gè)問(wèn)題：①前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響,需統(tǒng)一考慮放大電路的直接耦合及零點(diǎn)漂移問(wèn)題的解決1.問(wèn)題的提出：直流信號(hào)、直接耦合、直流放大器解決方法：采用溫度補(bǔ)償采用差分放大電路6.2差分放大電路vi1vi2線性放大電路vo差模電壓增益差分放大電路應(yīng)僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大.差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。

vid=vid1-vid2;vid1=－vid2=?vid共模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。

vic=vic1=vic2

放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差

任意輸入信號(hào)，幅度、極性都是任意的，它可以分解為一對(duì)差模信號(hào)和一對(duì)共模信號(hào)的組合。共模電壓增益6.2.1基本差分放大電路差分放大器由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，即當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，一管電流增加，另一管電流減小，所以即在兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出。2.抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移——當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。

在差分電路中，溫度的變化等會(huì)引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)與在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC（兩管變化量相等）對(duì)稱差動(dòng)放大電路對(duì)兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。

在直接耦合多級(jí)放大電路中，前級(jí)Q點(diǎn)變化時(shí)，被后級(jí)逐級(jí)放大，造成輸出電壓漂移。3、計(jì)算雙端輸入、單端輸出:加負(fù)載電阻RL:差分放大電路有兩個(gè)輸出端—集電極C1和集電極C2。

若信號(hào)從C1

和C2輸出，則稱為雙端輸出，反之，若信號(hào)僅從集電極C1或C2

對(duì)地輸出，則稱為單端輸出。雙端輸入、雙端輸出:（1）差模電壓增益單端輸入時(shí)的差模電壓增益：?jiǎn)味溯斎耄簐i1＝vid,vi2＝0

因?yàn)楹懔髟唇涣麟娮鑢0很大，可以看成開(kāi)路。

作用于T1和T2上be結(jié)的信號(hào)基本上是一致的，相當(dāng)于雙端輸入的情況。電壓增益計(jì)算與雙端輸入時(shí)相同。單端輸入、單端輸出:單端輸入、雙端輸出:差模輸入電阻輸出電阻

：

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。輸出電阻：

單端輸出時(shí)，

雙端輸出時(shí)，

uod1RsB1EC1RCib1ui1rbe1ib1輸入電阻：（1）雙端輸出時(shí)：（2）單端輸出時(shí)：

共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。

r0越大，則Avc1越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。（2）共模電壓增益Avc（3）共模抑制比KCMR

：（2）單端輸出時(shí)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，反映抑制共模信號(hào)的能力。（1）雙端輸出時(shí)KCMR為無(wú)窮大或：由：和例2：

一、估算Q點(diǎn)：二、動(dòng)態(tài)分析：

等效的發(fā)射極耦合電阻REE—比例式電流源的輸出電阻例2：

1.雙出（雙入或單入）：差模特性：

rbe=1.3k,

把直流電源、Vic

都短路；RL

兩臂各分一半；兩臂的差模信號(hào)電流大小相等、方向相反，同時(shí)流過(guò)T4

時(shí)抵消，使T4

無(wú)差模電流、也無(wú)差模電壓，T4、R1可視作短路（或開(kāi)路），這里作短路處理；對(duì)于RW：兩臂各分一半。畫(huà)差模信號(hào)通路：例2：

畫(huà)共模信號(hào)通路：把直流電源、Vid

都短路；RL

兩端共模信號(hào)電位相等，故其中無(wú)共模電流流過(guò)，故可視作開(kāi)路；由于兩臂的共模信號(hào)電流同時(shí)流過(guò)T4、R1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時(shí)，需用2REE表示。RW的影響可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,電流源的輸出電阻（等效的REE）為4050k。1.雙出（雙入或單入）：共模信號(hào)通路例2：

2.單出-（雙入或單入）：

（1）差模特性：

差模信號(hào)通路例2：

2.單出-（雙入或單入）：

（2）共模特性集成電路運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。運(yùn)算放大器方框圖

1.輸入級(jí)使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。

4.偏置電路提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。

3.輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。

2.電壓放大級(jí)要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。例6.3.1和第6.3.2節(jié)的內(nèi)容偏難，不作為基本要求另舉例說(shuō)明集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）第1級(jí)：差動(dòng)放大器第2級(jí)：差動(dòng)放大器第3級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃鞯?級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器極性判斷＋－u－u+uo－＋＋反相輸入端u－同相輸入端u+輸出端uo美國(guó)符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)算放大器符號(hào)同相輸入端:該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同反相輸入端:該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反運(yùn)算放大器外形圖本章結(jié)束

1.差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd≥80dB即可。

理想運(yùn)算放大器的條件2.差模輸入電阻Rid=，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大2～3個(gè)量級(jí)即可。3.輸出電阻Ro=0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小1～2個(gè)量級(jí)即可。

4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。

理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。

理想運(yùn)算放大器的特性

(1)虛短由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般都在80

dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10

V～14

V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1

mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于“短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。

“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。

(2)虛斷

由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般都在1

M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1

A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通常可把運(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

下面舉兩個(gè)例子說(shuō)明虛短和虛斷的運(yùn)用。

例1：試求理想運(yùn)算放大器的輸出電壓和電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式。

電壓增益

Avf=Vo/Vi=－Rf

/R1反相比例運(yùn)算電路根據(jù)虛斷I-=I+0解：

I-I+根據(jù)虛短