大学课件 模拟电子技术 模拟集成电路基础

模 拟 电 子 技 术第 5章 模 拟 集 成 电 路 基 础5.1 概 述5.3 差 动 放 大 电 路5.2 集 成 运 放 中 的 电 流 源 电 路5.4 集 成 运 算 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术5.1 概 述 集 成 电 路 是 一 种 将 “ 管 ” 和 “ 路 ” 紧 密 结 合 的 器 件 ， 它 以 半导 体 单 晶 硅 为 芯 片 ， 采 用 专 门 的 制 造 工 艺 ， 把 晶 体 管 、 场 效 应管 、 二 极 管 、 电 阻 和 电 容 等 元 器 件 及 它 们 之 间 的 连 线 所 组 成 的 完整 电 路 制 作 在 一 起 ， 使 之 具 有 特 定 的 功 能 。 集 成 电 路 体 积 小 、 重 量 轻 、 耗 电 少 、 可 靠 性 高 ， 已 成 为 现代 电 子 器 件 的 主 体 。 集 成 电 路 分 数 字 与 模 拟 两 大 类 。 模 拟 集 成 电 路 的 种 类 很 多 ， 有 集 成 运 算 放 大 器 (简 称 集 成 运 放 )， 集 成 功 率 放 大 器 ， 集 成 模 拟 乘 法 器 ， 集 成 锁 相 环 ， 集 成 稳 压 器 等 。 在 模 拟 集 成 电 路 中 ， 集 成 运 算 放 大 器 是 最 为 重 要 、 用 途 最 广 的 一 种 ， 这 里 主 要 介 绍 集 成 运 放 的 内 部 电 路 、 工 作 原 理 、 性 能 指 标 及 常 用 等效 模 型 。 模 拟 电 子 技 术（ 1） 集 成 电 路 中 的 元 器 件 是 在 相 同 的 工 艺 条 件 下 做 出 的 ， 邻 近的 器 件 具 有 良 好 的 对 称 性 ， 而 且 受 环 境 温 度 和 干 扰 的 影 响 后 的 变化 也 相 同 ， 因 而 特 别 有 利 于 实 现 需 要 对 称 结 构 的 电 路 。（ 2） 集 成 工 艺 制 造 的 电 阻 、 电 容 数 值 范 围 有 一 定 的 限 制 。 集 成 电路 中 的 电 阻 是 使 用 半 导 体 材 料 的 体 电 阻 制 成 的 ， 因 而 很 难 制 造 大的 电 阻 ， 其 阻 值 一 般 在 几 十 欧 姆 到 几 十 千 欧 姆 之 间 ; 集 成 电 路 中 的电 容 是 用 PN结 的 结 电 容 作 的 。（ 3） 集 成 工 艺 制 造 晶 体 管 、 场 效 应 管 最 容 易 ， 众 多 数 量 的 晶 体 管通 过 一 次 综 合 工 艺 完 成 。 集 成 晶 体 管 有 纵 向 NPN型 管 (值 高 、 性 能 好 )、 横 向 PNP 型 管 (值 低 、 但 反 向 耐 压 高 ） 和 场 效 应 管 ， 另 外 ， 集 成 工 艺 比 较 容 易 制 造 多 极 晶 体 管 ， 如 多 发 射 极 管 、 多 集 电 极 管 等 。 集 成 二 极 管 、 稳 压 管 等 一 般 用 NPN管 的 发 射 结 代 替 。5.1.1 集 成 电 路 中 的 元 器 件 特 点 模 拟 电 子 技 术（ 1） 因 为 硅 片 上 不 能 制 作 大 电 容 ， 所 以 集 成 运 放 均 采 用 直接 耦 合 方 式 。（ 2） 因 为 相 邻 元 件 具 有 良 好 的 对 称 性 ， 而 且 受 环 境 温 度 和干 扰 等 影 响 后 的 变 化 也 相 同 ， 所 以 集 成 运 放 中 大 量 采 用 各 种差 分 放 大 电 路 （ 作 输 入 级 ） 和 恒 流 源 电 路 （ 作 偏 置 电 路 或 有源 负 载 ） 。（ 3） 因 为 制 作 不 同 形 式 的 集 成 电 路 ， 只 是 所 用 掩 模 不 同 ，增 加 元 器 件 并 不 增 加 制 造 工 序 ， 所 以 集 成 运 放 允 许 采 用复 杂 的 电 路 形 式 ， 以 达 到 提 高 各 方 面 性 能 的 目 的 。5.1.2 集 成 运 放 的 电 路 结 构 特 点（ 4） 因 为 硅 片 上 不 宜 制 作 高 阻 值 电 阻 ， 所 以 在 集 成 运 放中 常 用 有 源 元 件 （ 晶 体 管 或 场 效 应 管 ） 取 代 电 阻 。（ 5） 集 成 晶 体 管 和 场 效 应 管 因 制 作 工 艺 不 同 ， 性 能 上 有 较 大 差 异 ， 所 以 在 集 成 运 放 中 常 采 用 复 合 形 式 ， 以 得 到各 方 面 性 能 俱 佳 的 效 果 。 模 拟 电 子 技 术 集 成 运 放 电 路 中 的 晶 体 管 和 场 效 应 管 ， 除 了作 为 放 大 管 外 ， 还 构 成 电 流 源 电 路 ， 为 各 级 提 供合 适 的 静 态 电 流 ， 或 作 为 有 源 负 载 取 代 高 阻 值 的电 阻 ， 从 而 增 大 放 大 电 路 的 电 压 放 大 倍 数 。 本 节将 介 绍 常 见 的 电 流 源 电 路 以 及 有 源 负 载 的 应 用 。5.2 集 成 运 放 中 的 电 流 源 电 路 模 拟 电 子 技 术 电 流 源 电 路 是 指 能 够 输 出 恒 定 电 流 的 电 路 。 由 第 1章晶 体 管 （ 场 效 应 管 ） 的 特 性 已 知 ， 晶 体 管 （ 场 效 应 管 ）本 身 便 具 有 近 似 恒 流 的 特 性 。 在 集 成 电 路 中 ， 常 用 的 电 流 源 电 路 有 ： 镜 像 电 流 源 、 精 密 电 流 源 、 微 电 流 源 、 比 例 电 流 源 和 多 路 电 流 源 等 。 它 主 要 提 供 集 成 运 放 中 各 级 合 适 的 静 态 电 流 或 作 为 有 源负 载 代 替 高 阻 值 电 阻 ， 以 提 高 放 大 电 路 的 放 大 倍 数 。 5.2.1 电 流 源 电 路 模 拟 电 子 技 术镜 像 电 流 源基 准 电 流 RUVI BECCR 输 出 电 流 RC II 21 RC I，I 12时当 分 析条 件 ： 两 管 参 数 对 称 模 拟 电 子 技 术镜 像 电 流 源 分 析 由 两 只 特 性 完 全 相 同的 管 子 T0和 T1构 成 ，UCE0=UBE0， 从 而 保 证 T0工 作 在 放 大 状 态 。 集 成 运 放 中 纵 向 晶 体 管 的 均 在 百 倍 以 上 。 若 基 本 电流 源 中 采 用 横 向 PNP管 ， 则 只 有 几 倍 。 模 拟 电 子 技 术 在 镜 像 电 流 源 T0管 的 集 电 极 与 基 极 之 间 加一 个 射 极 输 出 的 晶 体 管 T2。 利 用 T2管 的 电流 放 大 作 用 ， 减 小 了 基 极 电 流 IB0和 IB1对 基准 电 流 IR的 分 流 。 在 实 际 电 路 中 ， 有 时 在T0管 和 T1管 的 基 极 与 地 之 间 加 电 阻 Re2， 用来 增 大 T2管 的 工 作 电 流 ， 从 而 提 高 T2的 。 。II ，II， 。II，RC RC RC保 持 很 好 的 镜 像 关 系与 也 可 以 认 为很 小说 明 即 使 则 代 入 上 式 可 得若 1 11 982.010 改 进 型 镜 像 电 流 源加 射 极 输 出 器 的 电 流 源 模 拟 电 子 技 术比 例 电 流 源 分 析基 准 电 流输 出 电 流 模 拟 电 子 技 术比 例 电 流 源 分 析 微 电 流输 出 电 流 可 以 大 于 或 小 于 基 准 电 流 ， 与 基 准 电 流 成 比 例 关 系 。 模 拟 电 子 技 术微 电 流 源 分 析 基 准 电 流输 出 电 流 模 拟 电 子 技 术微 电 流 源 分 析 集 成 运 放 输 入 级 放 大 管 的 集 电 极 （ 发 射 极 ） 静 态 电 流 很 小 ， 往 往 只 有 几 十 微安 ， 甚 至 更 小 。 为 了 只 采 用 阻 值 较 小 的 电 阻 ， 而 又 获 得 较 小 的 输 出 电 流 ， 可以 将 比 例 电 流 源 中 Re0的 阻 值 减 小 到 零 。 在 已 知 Re的 情 况 下 ， 上 式 对 输出 电 流 IC1而 言 是 超 越 方 程 ， 可以 通 过 图 解 法 或 累 试 法 解 出 IC1。 模 拟 电 子 技 术基 于 比 例 电 流 源 的 多 路 电 流 源集 成 运 放 是 一 个多 级 放 大 电 路 ，因 而 需 要 多 路 电 流 源 分 别 给 各 级提 供 合 适 的 静 态电 流 。 可 以 利 用一 个 基 准 电 流 去获 得 多 个 不 同 的输 出 电 流 ， 以 适应 各 级 的 需 要 。 。，I E 就 可 以 得 到 所 需 的 电 流阻各 级 只 要 选 择 合 适 的 电确 定 后当 0 模 拟 电 子 技 术多 集 电 极 管 构 成 的 多 路 电 流 源 T多 为 横 向 PNP型 管 ， 当 基 极 电 流 一 定 时 ， 集电 极 电 流 之 比 等 于 它 们 的 集 电 区 面 积 之 比 。 设各 集 电 区 面 积 分 别 为 S0、 S1、 S2。 模 拟 电 子 技 术MOS管 多 路 电 流 源 由 场 效 应 管 同 样 可 以 组 成 镜 像 电 流 源 、 比 例 电 流 源 等 。 T0 T3均 为 N沟 道 增 强 型MOS管 ， 它 们 的 开 启 电 压 UGS(th)等 参 数 相 等 。 在 栅 -源 电 压 相 等 时 ， MOS管 的 漏 极电 流 正 比 于 沟 道 的 宽 长 比 。 设 宽 长 比 W/L=S， 且 T0 T3的 宽 长 比 分 别 为 S0、 S1、S2、 S3。 这 样 就 可 以 通 过 改 变 场 效 应 管 的 几 何 尺 寸 来 获 得 各 种 数 值 的 电 流 。 模 拟 电 子 技 术例 一 ： 图 示 电 路 是 型 号 为 F007的 通 用 型 集 成 运 放 的 电 流 源 部 分 。 其 中T10与 T11为 纵 向 NPN管 ； T12与 T13是 横 向 PNP型 管 ， 其 均 为 5。 各 管 的b-e间 电 压 值 均 约 为 0.7V。 试 求 出 各 管 的 集 电 极 电 流 。解 ： 图 中 R5上 的 电 流 是 基 准 电 流 ， 根 据 R5所 在 回 路 可 以 求 出 5 11122 R UUVI BEEBCCR mA73.0T10与 T11构 成 微 电 流 源10410 ln CRTC IIRUI AIC 1073.0ln326利 用 累 试 法 或 图 解 法 求 出 AIC 2810 T12与 T13构 成 镜 像 电 流 源 RCC III 21213 mA52.0在 电 流 源 电 路 的 分 析 中 ， 首 先 应 求 出 基 准 电 流 IR， IR常 常 是 集 成 运 放 电 路 中 唯 一 能 够 通过 列 回 路 方 程 直 接 求 出 的 电 流 ； 然 后 利 用 与 IR的 关 系 ， 分 别 求 出 各 路 输 出 电 流 。 模 拟 电 子 技 术例 二 ： 多 路 电 流 源 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 所 有 晶 体 管 的特 性 均 相 同 ， UBE均 为 0.7V， R=136k。 试 求 IC1、 IC2各为 多 少 ? 13 0 BC II解 ： R UUVI BEBECCR 03 A10030 BCR III RC II 32 2 当 (1+)3时 AIII RCC 10021 )1(3 CC II 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 0 = 1 = 2=100， 各管 的 UBE均 为 0.7V， R=136k。 试 求 IC2的 值 。R UUVI BEBECCR 12 mA1.0分 析 : 20 BCR III CC II RC II 1 mAIR 1.0 模 拟 电 子 技 术思 考 :在 下 图 电 路 中 ， T1、 T2管 的 特 性 相 同 ， 已 知VCC=15V ， 1= 2= ， UBE1=UBE2=0.6V。 （ 1） 试 证 明 当 2时 ， IC2IR ； （ 2） 若 要 求 IC2=28A， 电 阻 R应 取 多 大 ？ 模 拟 电 子 技 术思 考 :在 下 图 电 路 中 （ 1） 指 出 电 路 为 何 种 电 流 源 电 路 ； （ 2） 根 据 二 极 管 电 流 方 程 ， 导 出 T1、 T2管 的 工 作 电 流 IC1、 IC2的 关 系 式 ； （ 3） 若 测 得 IC2 28A， IC1 0.73mA， 估算 电 阻 Re和 R的 阻 值 ； （ 4） 说 明 微 电 流 源 和 上 题 所 示 镜 像 电 流 源 的 异 同 。 模 拟 电 子 技 术 在 共 射 放 大 电 路 中 ， 为 了 提 高 Au， 行 之 有 效 的 方 法 是增 大 集 电 极 电 阻 Rc。 然 而 ， 为 了 维 持 晶 体 管 的 静 态 电 流 不变 ， 在 增 大 Rc时 必 须 提 高 电 源 电 压 。 当 电 源 电 压 增 大 到 一定 程 度 时 ， 电 路 的 设 计 就 变 得 不 合 理 了 。 另 外 在 集 成 电 路中 ， 不 能 使 用 过 大 的 电 阻 ， 而 且 Rc增 大 ， 直 流 功 耗 也 增 大 ，对 电 源 电 压 的 要 求 也 会 提 高 ， 因 此 Au的 增 加 受 到 Rc取 值 的限 制 。 如 果 用 恒 流 源 来 代 替 R c， 则 由 于 恒 流 源 的 直 流 电 阻不 大 ， 故 恒 流 源 两 端 的 直 流 电 压 并 不 大 ， 但 恒 流 源 的 动态 交 流 电 阻 很 大 ， 该 交 流 电 阻 与 交 流 通 道 中 的 Rc等 效 ，Au可 以 大 大 提 高 。 由 于 晶 体 管 和 场 效 应 管 是 有 源 器 件 ， 而 上 述 电 路 又 以 它 们 为 负 载 ， 故 称 为 有 源 负 载 。5.2.2 有 源 共 射 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术有 源 共 射 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术5.3 差 动 放 大 电 路 （ 差 分 放 大 电 路 ）零 点 漂 移 的 严 重 性根 据 集 成 电 路 结 构 形 式 上 的 特 点 ， 集 成 电 路 的 级 间 耦 合 方式 一 般 采 用 直 接 耦 合 。 直 接 耦 合 存 在 温 度 漂 移 问 题 。 为 了抑 制 温 度 漂 移 ， 一 种 比 较 有 效 的 电 路 就 是 差 动 放 大 电 路 。差 动 放 大 电 路 是 构 成 多 级 直 接 耦 合 放 大 电 路 的 基 本 单 元 电路 。如 果 零 点 漂 移 的 大 小 足 以 和 输 出 的 有 用 信 号 相 比 拟 ， 就无 法 正 确 地 将 两 者 加 以 区 分 。 因 此 ， 为 了 使 放 大 电 路 能正 常 工 作 ， 必 须 有 效 地 抑 制 零 点 漂 移 。 模 拟 电 子 技 术5.3.1 差 动 放 大 电 路(Differential Amplifier)1. 电 路 组 成 特 点 ： a.两 只 完 全 相 同 的管 子 ； b.元 件 参 数 对 称 差 动 放 大 电 路 是 由 典 型 的 工 作 点 稳 定 电 路 演 变 而 来 的 。所 谓 “ 差 动 ” ， 是 指 只 有 当 两 个 输 入 端 uI1与 uI2之 间 有差 别 （ 即 变 化 量 ） 时 ， 输 出 电 压 才 有 变 动 （ 即 变 化 量 ）的 意 思 。 对于差动放大电路的分析，多是在理想情况下，即电路参数理想对称情况下进行的。所谓电路参数理想对称，是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只晶体管在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线都完全重合。应当指出，由于电阻的阻值误差各不相同，特别是晶体管特性的分散性，实际的电路参数不可能理想对称。 模 拟 电 子 技 术2. 输 入 输 出 方 式输 入 端 ： 同 相 输 入 端 、 反 相 输 入 端输 入 方 式 ： 双 端 输 入 ： 若 信 号 同 时 加 到 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 。单 端 输 入 ： 若 信 号 仅 从 一 个 输 入 端 加 入 ， 另 一 个 输 入 端 接 地 。输 出 方 式 ： 双 端 输 出 ： 若 从 C 1和 C2两 端 输 出 。单 端 输 出 ： 仅 从 集 电 极 C1或 C2对 地 输 出 称 为 单 端 输 出 。输 出 端 ： 一 个 是 T1的 集 电 极 C1， 另 一 个 是 T2的 集 电 极 C2差 动 电 路 的 工 作 模 式 ： (1)双 端 输 入 、 双 端 输 出 （ 双 入 双 出 ） (2)双 端 输 入 、 单 端 输 出 （ 双 入 单 出 ） (3)单 端 输 入 、 双 端 输 出 （ 单 入 双 出 ） (4)单 端 输 入 、 单 端 输 出 （ 单 入 单 出 ） 模 拟 电 子 技 术3. 差 模 信 号 与 共 模 信 号差 模 输 入 信 号 ： 差 模 信 号 是 两 个 输 入 端 信 号 之 差差 模 信 号 ： 指 在 两 个 输 入 端 加 上 大 小 相 等 ， 极 性 相 反 的 信 号 共 模 信 号 ： 指 在 两 个 输 入 端 加 上 大 小 相 等 ， 极 性 相 同 的 信 号共 模 输 入 信 号 ： 共 模 信 号 是 两 个 输 入 端 信 号 的 平 均 值 2121 IIIc uuu 21 IIId uuu IcIdI1 uu21u 即 ： IcIdI2 uu21u 模 拟 电 子 技 术4. 抑 制 零 漂 的 工 作 原 理 原 理 ： 静 态 时 ， 输 入 信 号 为 零 ， 即 将 输 入 端 和 短 接 。由 于 两 管 特 性 相 同 ， 所 以 当 温 度 或 其 他 外 界 条 件 发 生 变化 时 ， 两 管 的 集 电 极 电 流 ICQ1和 ICQ2的 变 化 规 律 始 终 相 同 ，结 果 使 两 管 的 集 电 极 电 位 UCQ1、 UCQ2始 终 相 等 ， 从 而 使UO= UCQ1 - UCQ2 =0， 因 此 抑 制 了 零 点 漂 移 。具 体 实 践 ： 在 实 践 中 ， 两 个 特 性 相 同 的 管 子 采 用 “ 差 分对 管 ” ， 两 半 电 路 中 对 应 的 电 阻 可 用 电 桥 精 密 选 配 ， 尽可 能 保 证 阻 值 对 称 性 精 度 满 足 要 求 。结 论 ： 可 想 而 知 ， 即 使 采 取 了 这 些 措 施 ， 差 动 放 大 电路 的 两 半 电 路 仍 不 可 能 完 全 对 称 ， 也 就 是 说 ， 零 点 漂移 不 可 能 完 全 消 除 ， 只 能 被 抑 制 到 很 小 。 模 拟 电 子 技 术长 尾 式 差 分 放 大 电 路 电 路 参 数 理 想 对 称 ， Rb1=Rb2=Rb， Rc1=Rc2=Rc； T1管 与T2管 的 特 性 相 同 ， 1= 2= ， rbe1=rbe2=rbe； Re为公 共 的 发 射 极 电 阻 。 静 态 分析共 模 信号 作 用差 模 信 号 作 用电 压 传 输 特 性 模 拟 电 子 技 术一 、 静 态 分 析 当 输 入 信 号 uI1=uI2=0时 ， 作 静 态 分 析 ： 在 通 常 情 况 下 ， Rb阻 值 很 小（ 很 多 情 况 下 Rb为 信 号 源 内阻 ） ， 而 且 IBQ也 很 小 ， 所 以 Rb上 的 电 压 可 忽 略 不 计 。 e BEQEEEQ RUVI 2 1 EQBQ II BEQcCQCCCEQ URIVU 21 CQCQ UU 0 21 CQCQO UUu 模 拟 电 子 技 术二 、 对 共 模 信 号 的 抑 制 作 用共 模 放 大 倍 数 由 于 电 路 参 数 的 理 想 对 称 性 ， 温 度 变 化 时 管子 的 电 流 变 化 完 全 相 同 ， 故 可 以 将 温 度 漂 移等 效 成 共 模 信 号 ， 差 分 放 大 电 路 对 共 模 信 号有 很 强 的 抑 制 作 用 。电 路 参 数 的 对 称 性 起 了 相 互 补偿 的 作 用 ， 抑 制 了 温 度 漂 移 。当 电 路 输 入 共 模 信 号 时 ， 基 极电 流 和 集 电 极 电 流 的 变 化 量 相等 ， 因 此 ， 集 电 极 电 位 的 变 化也 相 等 ， 从 而 使 得 输 出 电 压uO=0。 另 外 ， 还 利 用 了 射 极 电阻 Re对 共 模 信 号 的 负 反 馈 作 用 ，抑 制 了 每 只 晶 体 管 集 电 极 电 流的 变 化 ， 从 而 抑 制 集 电 极 电 位的 变 化 。IcOcc uuA 0Ou 0cA 模 拟 电 子 技 术三 、 差 模 信 号 的 放 大 作 用 由 于 E点 电 位 在 差 模 信 号 作 用 下 不 变 ， 相 当 于 接“ 地 ” ； 又 由 于 负 载 电 阻 的 中 点 电 位 在 差 模 信 号 作 用 下也 不 变 ， 也 相 当 于 接 “ 地 ” ， 因 而 负 载 RL被 分 成 相 等 的两 部 分 ， 分 别 接 在 T1管 和 T2管 的 c-e之 间 。差 模 放 大 倍 数 IdOdd uuA beb Lcd rR RRA 2/ )(2 bebi rRR co RR 2 共 模 抑 制 比 cdCMR AAK 0cA CMRK 电 路差 模 信 号 作 用 下 的 等 效 模 拟 电 子 技 术差 模 信 号 作 用 下 的 动 态 分 析 共 模 抑 制 比 是 考 察 差 分 放 大 电 路 对 差 模 信 号 的 放 大 能 力 和 对 共 模 信 号 的 抑 制 能 力 的 一个 参 数 ， 其 值 愈 大 ， 说 明 电 路 性 能 愈 好 。 虽 然 差 分 放 大 电 路 用 了 两 只 晶 体 管 ， 但 它 的 电 压 放 大 能 力 只 相 当 于 单 管 共 射 放 大 电 路 。因 而 差 分 放 大 电 路 是 以 牺 牲 一 只 管 子 的 放 大 倍 数 为 代 价 ， 换 取 了 低 温 漂 的 效 果 。 差 模 放 大 倍 数共 模 抑 制 比 模 拟 电 子 技 术四 、 电 压 传 输 特 性 放 大 电 路 输 出 电 压 与 输 入 电 压 之 间 的 关 系 曲 线 称 为 电 压 传 输 特 性 ， 即 uO=f(uI)。 从 曲 线 可 知 ， 只 有 在 中 间 一 段 差 模 输 入 与 输 出 才 是 线 性 关 系 ， 斜 率 就 是 差 模电 压 放 大 倍 数 。 当 输 入 电 压 幅 值 过 大 时 ， 输 出 电 压 就 会 产 生 失 真 ， 若 再 加 大 输 入 电 压 ， 则 输出 电 压 将 趋 于 不 变 ， 其 数 值 取 决 于 电 源 电 压 VCC。 若 改 变 uId的 极 性 ， 则 可 得 到 另 一 条 如 图 中 虚 线 所 示 的 曲 线 ， 它 与 实 线 完 全 对称 。 模 拟 电 子 技 术接 法 一 ： 双 端 输 入 -双 端 输 出 差 分 放 大 电 路 beb Lcd rR RRA 2/ )(2 bebi rRR co RR 20cA CMRK动 态 参 数 Q点 e BEQEEEQ RUVI 2 1 EQBQ II BEQcCQCCCEQ URIVU 模 拟 电 子 技 术接 法 二 ： 双 端 输 入 -单 端 输 出 差 分 放 大 电 路静 态 分 析 差 模 信号 作 用 共 模 信号 作 用 模 拟 电 子 技 术(1)静 态 分 析 直 流 通 路 :利 用 戴 维 宁 定 理 Lcc RRR /e BEQEEEQ RUVI 2 1 EQBQ II BEQcCQCCCEQ URIVU 2 BEQcCQCCCEQ URIVU 1点Q CCLc LCC VRR RV 模 拟 电 子 技 术(2)对 差 模 信 号 的 放 大 作 用差 模 信 号 作 用 下 的 等 效 电 路 beb Lcd rR RRA /21 )(2 bebi rRR co RR 模 拟 电 子 技 术(3)对 共 模 信 号 的 抑 制 作 用将 射 极 电 阻 R e进 行 等 效 变 换 共 模 信 号 作 用 下 的 等 效 电 路 可 以 看 出 ， Re愈 大 ， Ac的 值 愈 小 ， KCMR愈 大 ， 电 路 的 性 能 也 就 愈 好 。因 此 ， 增 大 Re是 改 善 共 模 抑 制 比 的 基 本 措 施 。ebeb Lcc RrR RRA )1(2 )/( )(2 )1(2 beb ebebcdCMR rR RrRAAK beb Lcd rR RRA /21 由 前 面 分 析 知 模 拟 电 子 技 术接 法 三 ： 单 端 输 入 -双 端 输 出 差 分 放 大 电 路输 入 差 模 信 号 的 等 效 变 换 若 电 路 参 数 理 想 对 称 ， 则 共 模 放 大 倍 数 为 零 ， 共 模 抑 制 比 为 无 穷 大 。 其 Q点 以 及 动 态 参 数 的 分 析 与 双 端 输 入 -双 端 输 出 电 路 完 全 相 同 。 2IcIdO uAuAu 单 端 输 入 电 路 与 双 端 输 入 电 路 的 区 别 在 于 ： 在 差 模 信 号 输 入 的 同 时 ， 伴 随 着 共 模 信 号 输 入 。因 此 ， 在 共 模 放 大 倍 数 Ac不 为 零 时 ， 输 出 端 不 仅 有 差 模 信 号 作 用 而 得 到 的 差 模输 出 电 压 ， 而 且 还 有 共 模 信 号 作 用 而 得 到 的 共 模 输 出 电 压 ， 即 输 出 电 压 ： 模 拟 电 子 技 术接 法 四 ： 单 端 输 入 -单 端 输 出 差 分 放 大 电 路 四 种 接 法 的 动 态 参 数 特 点 归 纳 如 下 ： 输 入 电 阻 Ri均 为 2(Rb+rbe)。 Ad、 Ac、 Ro与 输 出 方 式 有 关 。 双 端 输 出 与 单 端 输 出 不 同 。 单 端 输 入 时 ， 若 输 入 信 号 为 uI， 其 差 模 输 入 电 压 uId=uI， 其 共 模 输 入电 压 uIc=+uI/2。 是 输 出 电 压 表 达 式 。2IcIdO uAuAu 模 拟 电 子 技 术具 有 恒 流 源 的 差 分 放 大 电 路 当 T3管 输 出 特 性 为 理 想 特 性 时 ， 即 当 T3在 放 大 区 的 输 出 特 性 曲 线 是 横 轴 的 平行 线 时 ， 恒 流 源 的 内 阻 为 无 穷 大 ， 即 相 当 于 T1管 和 T2管 的 发 射 极 接 了 一 个 阻 值 为无 穷 大 的 电 阻 ， 对 共 模 信 号 的 负 反 馈 作 用 无 穷 大 ， 因 此 使 电 路 的 Ac=0， KCMR= 。 恒 流 源 电 路 在 不 高 的 电 源 电 压 下 既 为 差 分 放 大 电 路 设 置 了 合 适 的 静 态 工 作 电流 ， 又 大 大 增 强 了 共 模 负 反 馈 作 用 ， 使 电 路 具 有 更 强 的 抑 制 共 模 信 号 的 能 力 。II ，T、R、RR B323321 电 路 参 数 应 满 足组 成 工 作 点 稳 定 电 路和 EER VRR RU 21 22 3 3233 RUUII BEREC 23 21 CEQEQ III )(恒 定 电 流 模 拟 电 子 技 术恒 流 源 电 路 的 简 化 画 法 及 电 路 调 零 措 施 恒 流 源 电 路 可 用 一 恒 流 源 取 代 。 在 实 际 电 路 中 ， 难 以 做 到 参 数理 想 对 称 ， 常 用 一 阻 值 很 小 的 电 位 器 加 在 两 只 管 子 发 射 极 之 间 ，称 Rw为 调 零 电 位 器 。 221 III EQEQ 2)1( wbeb cd RrR RA wbebi RrRR )1()(2 co RR 20cA CMRK动 态 参 数 模 拟 电 子 技 术场 效 应 管 差 分 放 大 电 路 为 了 获 得 高 输 入 电 阻 的 差 分 放 大 电 路 ， 可 以 将 前 面 所 讲 电 路 中 的差 放 管 用 场 效 应 管 取 代 晶 体 管 。 这 种 电 路 特 别 适 于 做 直 接 耦 合 多级 放 大 电 路 的 输 入 级 。 场 效 应 管 差 分 放 大 电 路 也 有 四 种 接 法 。 模 拟 电 子 技 术有 源 负 载 差 分 放 大 电 路 由 于 T3和 T4管 构 成 的 电 流 源 作 为 有 源 负 载 ， 将 T1集 电 极 电 流 的 变 化 转 换 为输 出 电 流 ， 所 以 使 单 端 输 出 电 路 对 差 模 信 号 的 放 大 能 力 接 近 双 端 输 出 的 情 况 。利 用 镜 像 电 流 源 作 有 源 负 载 ， 不 但 可 将 T1管 的 集 电 极 电 流 变 化 转 换 为 输 出 电流 ， 而 且 还 将 使 所 有 变 化 电 流 流 向 负 载 。 输 出 电 流 约 为 单 端 输 出 时 的 两 倍 ，因 而 电 压 放 大 倍 数 接 近 双 端 输 出 时 的 情 况 。 。II，iII，II ；II，I。II I，IIT，T CCOCCCC CCCC EE 0221 21241434 13321 2121 所 以而 因 为 则若 管 的 发 射 极 电 流管 和静 态 时 。 ， 。iiii，；ii，ii；ii ，ii， CCCOCCCCCC CC的 情 况 双 端 输 出 时因 而 电 压 放 大 倍 数 接 近时 的 两 倍输 出 电 流 约 为 单 端 输 出由 此 可 见 所 以的 镜 像 关 系和由 于而 动 态 集 电 极 电 流点根 据 差 分 放 大 电 路 的 特当 差 模 信 号 输 入 时 124434313 21 2 模 拟 电 子 技 术只 与 输 出 方 式 有 关 ， 与 单 端 输 入 还 是 双 端 输 入 无 关 双 端 输 出 时 ： beLcd )2/( rR RRA b 单 端 输 出 时 ： beLcd /21 rR RRA b (2)共 模 放 大 倍 数只 与 输 出 方 式 有 关 ， 与 单 端 输 入 还 是 双 端 输 入 无 关 双 端 输 出 时 ： 单 端 输 出 时 ： 0cA 差 动 放 大 电 路 动 态 参 数 计 算 总 结(1)差 模 放 大 倍 数 ebeb Lcc RrR RRA )1(2 )/( eLRR2 模 拟 电 子 技 术 (3)差 模 输 入 电 阻 不 论 是 单 端 输 入 还 是 双 端 输 入 ， 差 模 输 入 电 阻Rid是 基 本 放 大 电 路 的 两 倍 。 beid 2 rRR b (4)输 出 电 阻 双 端 输 出 时 ： 单 端 输 出 时 ： co RR co RR 2 模 拟 电 子 技 术(5)共 模 抑 制 比 共 模 抑 制 比 KCMR是 差 分 放 大 器 的 一 个 重 要 指 标 。cdCMR AAK dBlg20 cdCMR AAK 或 双 端 输 出 时 KCMR可 认 为 等 于 无 穷 大 ， 单 端 输 出 时 共 模 抑 制 比 ： )(2 )1(2 beb ebebcdCMR rR RrRAAK 模 拟 电 子 技 术差 动 放 大 电 路 四 种 输 入 、 输 出 方 式 比 较 uid = ui uic = ui / 2单入单出uid = ui uic =0双入单出uid = ui uic =ui / 2单入双出uid = ui uic = 0双入双出共模抑制比KCMR Ro差模 Rid差模放大倍数 Ad差模uid共模uic输入输出方式C2RCR icocc uuA 很小beLcd )2/( rR RRA b beLcd /21 rR RRA b be2 rRb be2 rRb 模 拟 电 子 技 术例 ： 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 Rb=1k ， Rc=10k ， RL=5.1k ， VCC=12V， VEE=6V； 晶 体管 的 =100， rbe=2k 。（ 1） 为 使 T1管 和 T2管 的 发 射 极 静 态 电 流 均 为 0.5mA， Re的 取 值 应 为 多 少 ？ T1管 和 T2管的 管 压 降 UCEQ等 于 多 少 ？（ 2） 计 算 Au、 Ri和 Ro的 数 值 ；（ 3） 若 将 电 路 改 成 单 端 输 出 （ 由 T1管 的 集 电 极 输 出 ） ， 用 直 流 表 测 得 输 出 电 压 uO=3V，试 问 输 入 电 压 uI约 为 多 少 ？ 设 IEQ=0.5mA， 且 共 模 输 出 电 压 可 忽 略 不 计 。 kIUVR EQBEQEEe 3.52)1( VURIVU BEQcCQCCCEQ 7.7)2( 682/ beb Lcu rR RRA krRR bebi 6)(2 kRR co 202)3( VuAUu IuCQO 31 VRRIVRR RRIVU LcCQCC Lc LcCQCCCQ 36.2)/(1 56/21 beb Lcu rR RRA mVuI 4.11由 于 用 直 流 表 测 得 的 输 出 电 压 中 既 含 有 直 流 （ 静 态 ） 量又 含 有 变 化 量 （ 信 号 作 用 的 结 果 ） ， 所 以 首 先 应 计 算 出静 态 时 1管 的 集 电 极 电 位 ， 然 后 用 所 测 电 压 减 去 静 态电 位 就 可 得 到 动 态 电 压 分 析 ： 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 图 示 电 路 参 数 理 想 对 称 ， 晶 体 管 的 均 为 100， =100 ，UBEQ=0.7V。 试 计 算 Rw滑 动 端 在 中 点 时 T1管 和 T2管 的 发 射 极 静 态 电 流 IEQ，以 及 动 态 参 数 Ad和 Ri。 bbr分 析 ： We BEQEEEQ RR UVI 212 mA517.02)1( Wbe cd Rr RA EQTbbbe IUrr )1( k18.5 97Wbei RrR )1(2 k5.20 模 拟 电 子 技 术分 析 ： e BEQEEEQ RUVI 2 mA265.0CCQCCCQ RIVU 1 )/( LcCQCCLc L RRIVRR R V23.3VUCQ 152 （ 1）（ 2） beb Lcd rR RRA )/(21 7.32EQTbbbe IUrr )1( k1.5VuAUu IdCQO 21 mVuI 6.37若 uI=10mV IdCQO uAUu 1 V9.2 思 考 ： 电 路 如 图 所 示 ， 晶 体 管 的 =50， =100 。（ 1） 计 算 静 态 时 T1管 和 T2管 的 集 电 极 电 流 和 集 电 极 电 位 ；（ 2） 用 直 流 表 测 得 uO=2V， uI=？ 若 uI=10mV， 则 uO=？ 若 uI=100mV， 则 uO =？bbr 若 uI=100mV IdCQO uAUu 1 V04.0 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 电 路 如 图 所 示 ， T1与 T2管 的 特 性 相 同 ， 所 有 晶 体 管 的 均 相同 ， Rc1远 大 于 二 极 管 的 正 向 电 阻 。 当 uI1 uI2 0V时 ， uO 0V。 （ 1） 求 解 电 压 放 大 倍 数 的 表 达 式 ； （ 2） 当 有 共 模 输 入 电 压 时 ， uO=？ 简 述 理 由 。分 析 ： （ 1）（ 2） 21 uuu AAA 321 31 2/ becbe bec rRr rR 在 忽 略 二 极 管 动 态 电 阻 的 情 况 下当 有 共 模 输 入 电 压 时 ， uO近 似 为 零 。 dc rR 1 21 cc uu 03 BEu 0 Ou 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 电 路 如 图 所 示 ， T1和 T2的 低 频 跨 导 gm均 为 2mS。 试 求 解 差 模 放大 倍 数 和 输 入 电 阻 。 模 拟 电 子 技 术5.4.1 集 成 运 放 基 本 知 识一 、 通 用 型 集 成 运 放 (Operational Amplifier)的 组 成模 拟 集 成 电 路 的 特 点1) 直 接 耦 合 ：采 用 差 分 电 路 形 式 ， 元 件 相 对 误 差 小 ；2) 大 电 阻 用 恒 流 源 代 替 ， 大 电 容 外 接 ；3) 二 极 管 用 三 极 管 代 替 (B、 C 极 接 在 一 起 )；4) 高 增 益 、 高 输 入 电 阻 、 低 输 出 电 阻 。 5.4 集 成 运 算 放 大 电 路 5.4集 成 运 算 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术集 成 运 放 电 路 的 组 成 及 其 各 部 分 的 作 用 偏 置 电 路 用 于 设 置 集 成 运 放 各 级 放 大 电 路 的 静 态 工 作 点 。 集 成 运 放 采 用 电流 源 电 路 为 各 级 提 供 合 适 的 集 电 极 （ 或 发 射 极 、 漏 极 ） 静 态 工 作 电 流 ， 从而 确 定 合 适 的 静 态 工 作 点 。输 入 级 是 一 个 双 端 输 入 的 高 性 能 差 分 放 大 电 路 。 一 般 要 求 其 输 入 电 阻 高 ，差 模 放 大 倍 数 大 ， 抑 制 共 模 信 号 的 能 力 强 ， 静 态 电 流 小 。中 间 级 是 整 个 放 大 电 路 的 主 放 大 器 ， 其 作 用 是 使 集 成 运 放 具 有 较 强 的 放 大能 力 ， 多 采 用 共 射 （ 或 共 源 ） 放 大 电 路 。 而 且 为 了 提 高 电 压 放 大 倍 数 ， 常采 用 复 合 管 做 放 大 管 ， 以 恒 流 源 做 集 电 极 负 载 。输 出 级 应 具 有 输 出 电 压 线 性 范 围 宽 、 输 出 电 阻 小 （ 即 带 负 载 能 力 强 ） 、 非线 性 失 真 小 等 特 点 。 集 成 运 放 的 输 出 级 多 采 用 互 补 对 称 输 出 电 路 。在 一 般 的 集 成 运 放 电 路 中 ， 为 了 克 服 温 漂 ， 输 入 级 几 乎 毫 无 例 外地 采 用 差 分 放 大 电 路 ； 为 了 增 大 放 大 倍 数 ， 中 间 级 多 采 用 共 射 放大 电 路 ； 为 了 提 高 带 负 载 能 力 且 具 有 尽 可 能 大 的 不 失 真 输 出 电 压范 围 ， 输 出 级 多 采 用 互 补 式 电 压 跟 随 电 路 模 拟 电 子 技 术5.4. 2 通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 F007 电 路 简 介5.4.2通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 F007电 路 简 介 （ 1） 模 拟 电 子 技 术F007电 路 中 的 偏 置 电 路 部 分 从 VCC经 T12、 R5和 T11到 VCC所 构 成 的 回 路 的 电 流 能 够 直 接 估 算 出 来 ， 因 而 R5中 的电 流 为 偏 置 电 路 的 基 准 电 流 。 T10与 T11构 成 微 电 流 源 ， 而 且 T10的 集 电 极 电 流 IC10等 于T9管 集 电 极 电 流 IC9与 T3、 T4的 基 极 电 流 IB3、 IB4之 和 ； T8与 T9为 镜 像 关 系 ， 为 第 一级 提 供 静 态 电 流 ； T13与 T12为 镜 像 关 系 ， 为 第 二 、 三 级 提 供 静 态 电 流 。 模 拟 电 子 技 术F007电 路 中 的 放 大 电 路 部 分 F007的 电 压 放 大 倍 数 可 达 几 十 万 倍 ， 输 入 电 阻 可达 2M以 上 。 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 通 用 型 运 放 F747的 内 部 电 路 如 图 所 示 ， 试 分 析 ： （ 1） 偏 置 电 路 由 哪 些 元 件 组 成 ？ 基 准 电 流 约 为 多 少 ？ （ 2） 哪 些 是 放 大 管 ， 组 成 几 级 放 大 电 路 ， 每 级 各 是 什 么 基 本 电 路 ？ （ 3） T19、 T20和 R8组 成 的 电 路 的 作 用 是 什 么 ？ 模 拟 电 子 技 术思 考 ： （ 1） 说 明 电 路 是 几 级 放 大 电 路 ， 各 级 分 别 是 哪 种 形 式 的 放 大 电路 （ 共 射 、 共 集 、 差 放 ） ； （ 2） 分 别 说 明 各 级 采 用 了 哪 些 措 施 来 改 善 其 性 能 指 标 （ 如 增 大 放 大倍 数 、 输 入 电 阻 ） 。 模 拟 电 子 技 术思 考 ： 图 示 简 化 的 高 精 度 运 放 电 路 原 理 图 ， 试 分 析 ： （ 1） 两 个 输 入 端 中 哪 个 是 同 相 输 入 端 ， 哪 个 是 反 相 输 入 端 ； （ 2） T3与 T4的 作 用 ； （ 3） 电 流 源 I3的 作 用 ； （ 4） D2与 D3的 作 用 。+ _+ + _ _ _ 反 向 输 入 端 同 向 输 入 端 模 拟 电 子 技 术集 成 运 放 的 主 要 性 能 指 标 开 环 差 模 增 益 Aod 共 模 抑 制 比 KCMR 差 模 输 入 电 阻 rid 输 入 失 调 电 压 及 其 温 漂 输 入 失 调 电 流 及 其 温 漂 输 入 偏 置 电 流 最 大 共 模 输 入 电 压 最 大 差 模 输 入 电 压 -3dB带 宽 f H 单 位 增 益 带 宽 转 换 速 率 在 近 似 分 析 时 ， 常 把 集 成 运 放 理 想 化 。 理 想 运 放 的 Aod、 KCMR、rid、 fH等 参 数 值 均 为 无 穷 大 ， 而 输 入 失 调 电 压 及 其 温 漂 、 输 入 失 调电 流 及 其 温 漂 、 输 入 偏 置 电 流 等 参 数 值 均 为 零 。 模 拟 电 子 技 术简 化 的 集 成 运 放 低 频 等 效 电 路 如 果 仅 研 究 对 输 入 信 号 （ 即 差 模 信 号 ） 的 放 大 问 题 ， 而 不 考 虑失 调 因 素 对 电 路 的 影 响 ， 那 么 可 用 简 化 的 集 成 运 放 低 频 等 效 电 路 。从 运 放 输 入 端 看 进 去 ， 等 效 为 一 个 电 阻 rid； 从 输 出 端 看 进 去 ， 等效 为 一 个 电 压 源 ， 内 阻 为 ro。 若 将 集 成 运 放 理 想 化 ， 则 ro =0。 模 拟 电 子 技 术集 成 运 放 的 电 压 传 输 特 性OMU OMU集 成 运 放 有 两 个 工 作 区 ：线 性 区 ： 在 线 性 放 大 区 域 ， 曲 线 的 斜 率 为 电 压 放 大 倍 数 。非 线 性 区 ： 在 非 线 性 区 ， 输 出 电 压 只 有 两 种 可 能 的 情 况 ， +UOM或 -UOM。)( NPodO uuAu 模 拟 电 子 技 术5.4.3 集 成 运 算 放 大 器 电 路 符 号 及 理 想 化 条 件1. 运 放 的 符 号习 惯 用 符 号uid +VCCVEE 国 家 标 准 符 号 uouid +VCCVEE8(V CC = VEE ) 模 拟 电 子 技 术等 效 电 路uouidu i+u+ uoRid Aod uidRoi u+ 同 相 端 输 入 电 压u 反 相 端 输 入 电 压uid 差 模 输 入 电 压uid = u u+A od 开 环 差 模 电 压 放 大 倍 数 uo = Aod(u+ u) 模 拟 电 子 技 术1) Aod 2. 运 放 特 性 的 理 想 化 6)UIO 0， IIO 0理 想运 放 ： 4) KCMR 5)fBW 2) Rid 3)Ro 0电 压 传 输 特 性O uiduoUomaxUomax理 想 线性区 实 际3. 理 想 运 放 工 作 在 线 性 区 的 两 个 特 点1) u + u(虚 短 ) 证 ： uo = Aod (u+ u) = Aod uidu+ u = uo/Aod 02) i+ i 0 (虚 断 ) 证 ： i+ = uid / Rid 0同 理 i 0uouidu i+u+ uoRid Aod uidRo i 模 拟 电 子 技 术 . 理 想 运 放 工 作 在 非 线 性 区 的 两 个 特 点1)u + u时 ， uo = +Uomax u+ 80 dB 5.4.3通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 电 路 符 号 及 理 想 化 条 件 （ 8） 模 拟 电 子 技 术7) 最 大 差 模 输 入 电 压 UIdM共 模 输 入 U IC 过 大 ， K CMR下 降当 UId 过 大 时 ， 反 偏 的 PN 结 可 能 因 反 压 过 大 而 被 击 穿 。NPN 管 UIdM = 5 V横 向 PNP 管 UIdM = 30 VCF741 为 30 V8)最 大 共 模 输 入 电 压 UICM9) 最 大 输 出 电 压 幅 度 U OPP输 出 级 为 OCL 电 路一 般 比 电 源 电 压 小 一 个 UCE(sat)如 电 源 电 压 15 V， U OPP 为 13 14 VCF741 为 13 V5.4.3通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 电 路 符 号 及 理 想 化 条 件 （ 9） 模 拟 电 子 技 术二 、 集 成 运 放 使 用 注 意 事 项(一 ) 集 成 运 放 的 封 装 和 引 脚 排 列封 装 形 式 : 金 属 圆 形 、 双 列 直 插 式 、 扁 平 式封 装 材 料 : 陶 瓷 、 金 属 、 塑 料例 : 塑 封 双 列 直 插 式 (DIP)CF741DIPDual In-Line Pakage5.4.3通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 电 路 符 号 及 理 想 化 条 件 （ 10） 模 拟 电 子 技 术(二 ) 集 成 运 放 使 用 注 意 事 项1. 查 阅 手 册 了 解 引 脚 的 排 列 及 功 能 ；2. 检 查 接 线 有 否 错 误 或 虚 连 ， 输 出 端 不 能 与 地 、 电 源 短 路 ；3. 输 入 信 号 应 远 小 于 UIdM 和 UICM， 以 防 阻 塞 或 损 坏 器 件 ；4. 电 源 不 能 接 反 或 过 高 ， 拔 器 件 时 必 须 断 电 ；5. 输 入 端 外 接 直 流 电 阻 要 相 等 ， 小 信 号 高 精 度 直 流 放 大 需 调 零 。 5.4.3通 用 型 集 成 运 算 放 大 器 电 路 符 号 及 理 想 化 条 件 （ 11）