模电第06章模拟集成电路康华光.ppt

第六章 模拟集成电路 重点： 1.理解镜像电流源的组成及其分析方法； 2.掌握差分式放大电路的分析方法； 3.了解集成电路运算放大器的组成。,（1-2）,6.1模拟集成电路中的直流偏置技术 直流偏置提供恒定工作点电流(恒流源) 一 . BJT电流源电路 1. 镜像电流源 (1)电路组成,T1,T2参数相同,包括12 VBE1VBE2 IB1IB2 , IC1IC2Io,(2)镜像电流源的作用 作用1:静态时可作为恒流源 当 较大时, IB可以忽略:,IoIC2IREF,当VCC,VEE ,R 恒定时,输出电流Io 恒定,外电路,（1-3）,作用2:动态时可作为动态电阻 静态恒流 T1 T2输出特性稳定:,T2的c e两端表现出的动态电阻数值: rce2rovCE/Ic 较大,一般ro在几百千欧以上。,（1-4）,2. 微电流源,由于VBE很小,所以IoIC2也很小。 作用2动态时可作为动态电阻,IoIC2IE2,作用1静态时可作为恒流源,ro很大,外电路,（1-5）,vo=rce2(io-ib2)(io+ib2)Re2,经整理得:,ro 的推导过程： 求ro 的图如右下图所示。设从T1基极看进去的电阻为R:,rce2较大 R0,（1-6）,3. 多路电流源,当VCC ,R0 , R1 , R2 恒定时, 各输出电流 恒定。,（1-7）,二 . FET电流源电路 1. MOSFET镜像电流源,作用1:静态时可作为恒流源,Io=ID2IREF=,当VDD ,VSS ,VGS , R 恒定时, 输出电流Io 恒定。 作用2:动态时可作为大电阻rds,MOSFET镜像电流源的改进,Io= ID2=Kn2 (VGS VT2 )2,（1-8）,2. MOSFET多路镜像电流源,当VDD ,VSS ,VGS 恒定时, 各输出电流 恒定。,（1-9）,3. JFET电流源,作用1:静态时可作为恒流源 VGS =0 Io= ID=IDSS (1-VGS/Vp )2 =IDSS 恒流 作用2:动态时可作为大电阻rds,ds 两端表现出的动态电阻数值: rdsrovds/id 较大,（1-10）,6.2 差分式放大电路 集成电路的工艺特点： (1)元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 (2)集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 (3)不易制造大电阻, 需要大电阻时, 往往使用有源负载。 (4)只能制作几十pF以下的小电容。如需大电容，只有外接。 (5)不能制造电感, 如需电感, 也只能外接。 因此,集成放大器等模拟集成电路都采用直接耦合方式。,（1-11）,直耦放大电路的特殊问题零点漂移 1.零漂现象,2.产生零漂的原因 由温度等变化引起的。 当温度变化使第一级放大器的静态值发生微小变化时,这种变化量会被后面的电路逐级放大,最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入vi=0时, 输出有缓慢变化的电压产生。,（1-12）,3.零点漂移的危害 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。 4. 减小零漂的措施 减少第一级零漂是关键。只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。 减小零漂的措施： 采用差动放大电路。 差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,（1-13）,已知: VZ=4V,VBE=0.6V, 1= 2=50, 温度升高前: IC1=2.3mA,Vo=7.75V 若由于温度的升高 IC1增加 1%,试计算输出电压Vo变化了多少?,IC1=2.31.01mA=2.323mA, VC1=VZ+VBE2=4+0.6=4.6V,例1,IC2= 2 IC2 = 50 0.147mA = 7.35mA Vo= 8.3257.75V = 0.575V 提高了7.42% 可见，当输入信号为零时，由于温度的变化，输出电压发生了变化即有零点漂移现象。,（1-14）,一 . 基本差动放大电路 1. 电路组成,两管特性及元件的参数值相等, 静态工作点相同。 有两个输入端、两个输出端。,2.抑制零点漂移原理 静态时,vi1= vi2 = 0,vo=VC1VC2=0,当温度升高时IC, VC1,VC1 (两管变化量相等),vo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0,对称差动放大电路对两管的漂移有抑制作用。,利用对称性抑制零漂,（1-15）,(2)差动放大电路的输入方式 双端输入:需放大的信号vi可从两输入端之间输入; 单端输入: vi可从一个输入端对地输入,另一输入端接地; 比较输入:vi1vi2 ,分别从两输入端输入信号。 (3)差模输入信号与共模输入信号 任意两个输入信号vi1、vi2均可分解为: vi1=vic+vid/2 vi2=vic-vid /2,3.差动放大电路几个基本概念,(1) 差动放大电路的输出方式 双端输出从两管集电极输出电压; 单端输出从T1(或T2) 集电极对地输出电压;,（1-16）,vi1=vic+vid/2 vi2=vic-vid/2 其中: vic=(vi1+vi2)/2 共模输入信号 vid=(vi1-vi2) 差模输入信号,可见, 相对vi1、vi2而言: vic 是一对大小相等、相位相同的信号。 零漂信号即以此形式输入。因为当温度变化时:将使两管集电极电流产生变化,且两管变化趋势是相同的,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。 vid 是一对大小相等、相位相反的信号。有用信号以此形式输入。,（1-17）,(4)差模电压增益与共模电压增益,差模电压增益: Avd=vod/vid 共模电压增益: Avc=voc/vic 总输出电压: vo=vod+voc= Avdvid+ Avc vic,不管何种输入输出形式,若： vod差模输入信号产生的输出 voc共模输入信号产生的输出 则：,共模抑制比:,反映抑制零漂能力,越大越好,越小越好,（1-18）,4.基本差动放大电路的分析与计算 (1)静态分析 目的:求 IB, IC, VCE 直流通路如图：,IC1IC2 1 IB1 VCE1VCE2 VCC IC1 RC,(2)差模动态分析 四种:双入双出;双入单出;单入双出;单入单出。 目的:求 Avd ,Rid, Ro , KCMR,IB1IB2,（1-19）,差模动态分析(双入双出),vi 从两输入端之间输入信号; vo从两管集电极输出电压;,+ vo ,+ vi ,相当于: vi1=-vi2=vi/2,差模信号,小信号电路：,（1-20）,图中:,即:vi =2iiRB1 +2ibrbe,vo1 =,vo=vo1-vo2,vo2 =,（1-21）,差模输入电阻: Rid=2(RB1 +RB2 /rbe) 输出电阻: Ro=2RC,差模电压增益:,Avd=vo/vi,（1-22）,双入双出：,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe) 输出电阻:Ro=2RC,双入单出请自己分析！,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe) 输出电阻:Ro=RC,差模动态分析总结,（1-23）,单入双出请自己分析！,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe) 输出电阻:Ro=2RC,单入单出请自己分析！,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe) 输出电阻:Ro=RC,与双入双出 相同,与双入单出 相同,（1-24）,(3)共模动态分析 2种:双出;单出 目的:求Avc ,KCMR 零漂信号相当于在两个输入端加入了共模信号。 当有零漂时: vi1=vi2=vic,这时共模电压增益？共模小信号电路如图：,+ voc1 -,+ voc2 -,+ voc ,+ vic - - vic +,（1-25）,图中： voc1=voc2 双端输出时:voc=voc1-voc2=0,共模电压增益: Avc=voc/vic=0 (理想化),单端输出时:,vic=iiRB1+ibrbe,这种电路不可单端输出,voc=voc1=voc2 =-ibRC /RL,（1-26）,二 . 典型差动放大电路 1. 电路组成,RE作用: 稳定Q点,限制每个管子的漂移,使电路既能双端输出,又能单端输出。RE越大, 抑制零漂效果越好。 VEE作用: 补偿静态时RE上的压降,获得合适的Q点。 RP作用: 保证两个电路的对称。 RP很小 。,（1-27）,T, IB1=IB2,VB1=VB2(=-IB RB) ,VBE1=VBE2, IE1=IE2, VE1=VE2,IB1=IB2,这一过程类似于分压式偏置电路的温度稳定过程。即使电路处于单端输出方式,仍有较强的抑制零漂能力。,2.抑制零点漂移原理 静态时(vi1=vi2 =0)：,当温度变化时：,IC1=IC2,IC1=IC2 ,（1-28）,3.典型差动放大电路的静态分析 直流通路如图：,0-(-VEE)= IBRB+VBE +IERP/2 +2IERE,ICIE IB VCEVCC+VEEIC RCIERP/22IE RE,4.差模动态分析 四种:双入双出;双入单出;单入双出;单入单出。 目的:求 Avd ,Rid, Ro , KCMR,（1-29）,(1) 双入双出(差模动态分析) vo从两管集电极输出电压; vi 从两输入端之间输入信号;,+ vi ,vi=vi1-vi2 相当于对地而言: vi1=-vi2=vi/2,差模信号,小信号电路：,+ vo ,i0,双入时RE相当于短路,（1-30）,vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2),vo=vo1-vo2,差模电压增益:,Avd=vo/vi,输出电阻:Ro=2RC 差模输入电阻:Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2),（1-31）,(2)双入单出(差模动态分析),输出电阻:Ro=RC 差模输入电阻: Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2),vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2),vo=vo1 =- ibRC /RL,差模电压增益:,Avd=vo/vi,或: vo=vo2 =+ ib(RC /RL),（1-32）,(3)单入单出(差模动态分析) vo从T1(或T2) 集电极对地 输出电压; vi 从一个输入端对地输入, 另一输入端接地;,相当于: v=-v=vi/2,差模信号,小信号电路：,i0,单入时RE相当于断路,+ vo1 -,+ vo2 -,（1-33）,与双入单出相同,输出电阻:Ro=RC 差模输入电阻: Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2),vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2),vo=vo1 =- ibRC /RL,差模电压增益:,Avd=vo/vi,或: vo=vo2 =+ ib(RC /RL),（1-34）,(4)单入双出(差模动态分析),与双入双出相同,vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2),vo=vo1-vo2,差模电压增益:,Avd=vo/vi,输出电阻:Ro=2RC 差模输入电阻:Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2),（1-35）,5.共模动态分析 两种:双出;单出 零漂信号相当于在两个输入端加入了共模信号。 当有零漂时:,vi1=vi2=vic 这时共模电压增益？ 共模小信号电路如图：,voc1,voc2,+ voc ,i=2(1+)ib,（1-36）,单端输出时:,voc=voc1=voc2 =- ib(RC /RL),RE, Avc, 这种电路可单端输出,双端输出时:voc=voc1-voc2=0 共模电压增益: Avc=voc/vic=0,共模电压增益:,共模抑制比:,请自己求,vic=ib(rbe+RB)+(1+)ibRP/2 + 2(1+)ib RE,（1-37）,总结 1.差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,2.共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,Avc=0,（1-38）,3.差模输入电阻 差模输入电阻Rid与输入输出方式无关，不论是单端输入还是双端输入： Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2) 4.输出电阻 与输出方式有关： 单端输出时: Ro=RC 双端输出时: Ro=2RC 5.共模抑制比,双端输出时:,单端输出时:,或：,KCMR很大,（1-39）,(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.,解：,求:,(1)静态,例2,（1-40）,(2)电压增益,（1-41）,(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,（1-42）,(4),（1-43）,Io作用: 稳定Q点,限制每个管子的漂移,静态电阻很小,所需补偿压降小,动态电阻很大,抑制零漂效果好。 VEE作用: 补偿静态时Io上的压降,获得合适的Q点。 2.抑制零点漂移原理,三. 带恒流源的差动放大电路 1. 电路组成,（1-44）,3.静态分析 直流通路如图：,IC=Io/2 VCEVCCIC RCVE VCCIC RC + VBE,4. 动态分析 目的:求Avd , Rid, Ro , Avc , KCMR 分析方法:与典型差放相同。 设恒流源的动态电阻为ro (很大) , 用ro替换 RE 即可,则：,（1-45）,(1)双入双出、单入双出、,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2rbe 输出电阻:Ro=2RC,(2)双入单出、单入单出、,差模电压增益:,Avd=vo/vi,差模输入电阻:Rid=2rbe 输出电阻:Ro=RC,(3)共模增益,双端输出时：,单端输出时：,Avc=0,（1-46）,例3,vi1 =30mV, vi2 =70mV , RL= 5.6k, =100, VBE=0.7V, Io动态电阻ro=100k。求: (1)单端输出电压vo ; (2)双端输出电压vo 。,解：vi1=30mV=(50-20)mV vi2=70mV=(50+20)mV vid= vi1-vi2=-40mV=-0.04V vic=(vi1+vi2)/2=50mV=0.05V,IE=Io/2 =1mA,（1-47）,(1)单端输出时: 差模电压增益:,共模增益:,单端输出电压:vo=vod+voc=Avdvid+ Avc vic =10.8(-0.04)+(-0.014)0.05 0.43V,(2)双端输出时: 差模电压增益:,共模增益:Avc=0 双端输出电压: vo=vod+voc=Avdvid+ Avc vic =-14.4 (-0.04) 0.58V,（1-48）,四. 实际带恒流源的差动放大电路 1. 电路组成,各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。 2.静态分析,IC=IC3/2,VCEVCC-IC RC-VE,VCC-IC RC -(-VBE - IBRb),（1-49）,3. 动态分析,其余情况的分析方法与前述差放相同 , 用R等效替换 RE 或 ro 即可,在此不再赘述。,设恒流源的动态电阻为R等效:,（1-50）,T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。,五. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 (有源负载差动放大电路) 1. 原理电路,各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。 静态分析,VCE1=VCC-VEB3-(-VBE1)VCC,IC1IC3=IEE/2,（1-51）,IE6 IREF,IC5 IE5,各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。 (1)静态分析,2. 实际电路,VCE1VCCVEB3VE1,IC1=IC5/2,VCCVEB3(-VBE1),VCC,（1-52）,(2) 动态分析,交流通路 (双端输入),小信号电路 (双端输入),单入时断路,单入时断路,（1-53）,单端输出的电压增益双端输出的电压增益。,双端或单端输入时: vi =2ibrbe 单端输出时: vo=2 ib(rce2/rce4/RL) 或vo=-2 ib(rce1/rce3/RL) 双端输出时: vo=-2 ibrce1/rce3/(RL/2)-2 ibrce2/rce4/(RL/2) rce1rce2rce3rce4 单端输出时: vo2 ibRL 双端输出时: vo-2 ibRL 差模电压增益: |Avd|=|vo/vi |= RL/rbe,差模输入电阻:Rid=2rbe 输出电阻(单端输出时):Ro =rce1/rce3 (或rce2/rce4) 输出电阻(双端输出时):Ro =rce1/rce3+rce2/rce4,（1-54）,6.4 集成电路运算放大器 一. 集成运放的总体结构,输入级:输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，一般采用带恒流源的差放 。 中间级:电压放大倍数高,通常由多级放大器构成。 输出级:与负载相接,输出电阻低,带负载能力强,常由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路:为上述各级电路提供稳定合适的静态工作点,由各种恒流源电路组成。,（1-55）,二、集成运算放大器741(通用型集成运放F007) 1. 电路组成,输入级,偏置电路,中间级,输出级,（1-56）,2.工作原理分析 (1)输入级 T1 T6为主体组成的电路 T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。 其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。 T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,（1-57）,(2)偏置电路 T8 T13为主体组成的电路 T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,其他偏置电流都与基准电流有关。 T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。 T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,（1-58）,(3)中间级 T16 T17为主体组成的电路 T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。 (4)输出级 T14 T15、T18 T23为主体组成的电路 T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。 (5)相位分析 用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,（1-59）,第六章 模拟集成电路 结 束,