模拟集成电路32PPT课件

电流源电路1. 镜像电流源BE2BE1=UUE1E2= IIC1C2= IIT1、T2的参数全同 即12，ICEO1ICEO2 当较大时，IB可忽略 IoIC2IREF ()CCBEEECCEEVUVVVRR 动态电阻 2B12CE2Co)(Ivir ce r 一般ro在几百千欧以上第1页/共75页2. 微电流源BE1BE2e2UURE2C2OIII BEe2UR由于很小，BEU所以IC2也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）oR 第2页/共75页4. 组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF1CCEEBE1EB4REFVVUUIRT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3，T4和T6构成了微电流源第3页/共75页电流源1. MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流 第4页/共75页电流源1. MOSFET镜像电流源2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 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 相当于RD电阻第5页/共75页电流源2. MOSFET多路电流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 第6页/共75页电流源3. JFET电流源end(a) 电路 (b) 输出特性 第7页/共75页6.2 差分式放大电路差分式放大电路的一般结构射极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路第8页/共75页9问题 1增加增加R2 、RE2 : 用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。 前后级前后级Q点相互影响点相互影响uiRC1R1T1R2+UCCuoRC2T2RE21. 引入原因：直接耦合电路的特殊问题解决办法解决办法差分式放大电路的一般结构第9页/共75页10指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。uotO晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。 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。零点漂移零点漂移问题 2解决办法解决办法输入级采用差动放大电路输入级采用差动放大电路第10页/共75页11例如 100,=V1A若第一级漂了100 uV，则输出漂移 1 V。 若第二级也漂了100 uV，则输出漂移 10 mV。假设F 第一级是关键。 1= 100,=V3V2AA3. 减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿F 采用差分式放大电路漂了 100 uV漂移 10 mV+100 uV漂移 1 V+ 10 mV漂移 1 V+ 10 mV第11页/共75页12 由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。f|Au |0.707| Auo |OfH| Auo | 抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。 第12页/共75页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输出两管静态工作点相同1.电路结构特点2. 用三端器件组成的差分式放大电路T1 、T2：对管（同型号、同参数），结构对称。第13页/共75页uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时ICVC （两管变化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T22.抑制零点漂移的原理第14页/共75页+Uuoui1RCRPT1RSRCui2RERS+TUEE+稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。第15页/共75页T1 、T2：对管（同型号、同参数），结构对称。+VCCVEE第16页/共75页3.三类输入信号三类输入信号+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号 需要抑制第17页/共75页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号 是有用信号第18页/共75页差模信号差模信号共模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIOT2+-+-i1icid=uuui2icid=uuuidi1i21=()2uuu ici1i21=()2uuu (3) 任意输入例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV ui1 = 8 mV + 2 mV例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。 放大器只放大两个输入信号的差值信 号差分放大电路。第19页/共75页20idi1i2=uuu 差模信号差模信号ici1i21=()2uuu 共模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIOT2+-+-2idi1ic=uuu 2idi2ic=uuu i1icid=uuui2icid=uuuidi1i21=()2uuu ici1i21=()2uuu 定义一:定义二:(3) 任意输入第20页/共75页21例例: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 218idicmVmVuuui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 定义一:定义二:418idicmVmVuu第21页/共75页22射极耦合差分式放大电路+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-+-+-uid+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-+-+-uid-+VCCT1T2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-uid单单端端输输入入双双端端输输出出双双端端输输入入双双端端输输出出双双端端输输入入单单端端输输出出+VCCT1T2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-uid单单端端输输入入双双端端输输出出第22页/共75页23ui1= ui2= 0时静态静态(vi1=0,vi2=0)OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 +VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO射极耦合差分式放大电路第23页/共75页2EI+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TUEE+ EBBEBBEE1BEBBEE122RIURIRIURIU 静态时，ui1 = ui2 = 0 EBBEEEB12RRUUI BCII ECCEECCEE1CCEECCCE22RRIUURIRIUUU 结论：典型差动放大电路的静态工作点由负电源提供。静态估算1EI第24页/共75页25oo1o2ud(idi1i2uuuAuuu）双RL+VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIOoo1ud(idi1i2uuAuuu）单oo1uc(icicuuAuu）单oo1o2uc(icicuuuAuu）双icciddo=uuuuuAA 第25页/共75页26对对Ad而言，双端输入与单而言，双端输入与单端输入效果是一样的。端输入效果是一样的。双端输入：ui1 =0+ 0.5udui2= 0-0.5ud单端输入：ui1 =0.5ud +0.5ud ，ui2 = 0.5ud -0.5ud 分析结果表明：分析结果表明：动态指标仅与输出方式有关动态指标仅与输出方式有关icciddo=uuuuuAA +VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO第26页/共75页(4-27)共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定义的定义例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)cdAAcdAAlog20第27页/共75页28加加差模差模信号：信号：ui1 = - ui2 122oo1o2ud(idi1i2o1Ludi1beuuuAuuuuRAur ）双 2/LcLRRR uo1ui1RCT1RB1RL/2+RL0(uc 双双）共共模模：Aco2Rr +VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIO1）双端输出第28页/共75页29beL1u1i1o2i1i1o)ud(2212rRAuuuuuA 单单LcLRRR/ 2）单端输出2 12o1uc()icbeoLoLuAuRrrRr 单uo1ui1RCT1RB1RL+2ro+VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIORLuo1+第29页/共75页30VDA五五. 几种方式指标比较几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出第30页/共75页31五五. 几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出ui1 =0+ 0.5ud , ui2= 0-0.5udui1 =0.5ud +0.5udui2 = 0.5ud -0.5ud 1ocdcd(Ludddbe=uuAu + AuRAr （）uuu双双1122o1cdcd(Ludddbe=uuuAu + AuRAuur （）单单1ocdcd(Ludddbe=uuAu + AuRAr （）uuu双双222o1cdcd(dLdobe=uuLuAu + AuRuR=urr （）单单第31页/共75页32idRicRoR五五. 几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR第32页/共75页331. 恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。2. 恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用第33页/共75页34 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。 温度变化和电源电压波动IC1， IC2变化趋势相同相当于在两个输入端加入了共模信号。效果 iC1 iC2 温度温度 iC1 iE1 iC2 iE2 vE （vB1、vB2不变）不变） uBE1和和 uBE2 iB1和和 iB1 +VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用第34页/共75页例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVU。时，当，均为硅管，、V008050TTTOi321321 uu?mV5(3)(2)(1)Oi2d2e2CE2CE3EC23C uuuu时，当的值及、uAAARUUIII;(1)静态长尾式差动放大电路（VQ=-0V）第35页/共75页 k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)电压增益mA370c2BE3e3E3C2. RURII V9V 701037012V12E2c2C2CE2 ).(.VRIUmA74. 022C2E2E III k2 . 5k 74. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR k78. 3mV26)1(200E22be2Ir VE2Q=-0.7VVQ=-0V第36页/共75页 k3 .245)1(e33be3i2RrR (3)2502c2i2ud2be1b1(/ /)()RRArR33(/ /)3.9(1)c3L2bee3RRArR u195d22AAA uuumV520)mV5(21)(21i2i1ic. uuu差分电路的共模增益220 312c2i2c2be1b1e1e2(/ /).() ()RRArRRR u5050 32 53 9972OO22d2idc2ic2()(. ). (. )mVuuuuuuAAuAuA 共模输入电压不计共模输出电压时mV975O uuiduic(较小,why?)第37页/共75页(4)时时 k12LR331 951c3L2bee3(/ /).()uRRArR 97 5ud22.AAAuu 归纳：1)差动放大电路的分析计算的内容；2)在分析时，重点注意基本概念，如共模、差模，单出、双出等;3)理解计算结果；第38页/共75页4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5RE第39页/共75页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） 0ce4o2ce2o2c2c4 rvrviiidido2o2bebece2ce4()022vvvvrrrr bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 PNP管作有源负载cbmbebebbeiigvrir第40页/共75页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（不够大）oce2ce4/Rrr输出电阻第41页/共75页4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻 Ric rbe2(1)ro5/2（教材错，请更正）第42页/共75页源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路第43页/共75页源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路双端输出差模电压增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而:)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：交流回路交流回路第44页/共75页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） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(ro2 / ro4 )与双端输出相同end第45页/共75页6.3 差分式放大电路的传输特性根据根据TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）第46页/共75页vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线end第47页/共75页6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器CMOS MC14573 集成运算放大器741第48页/共75页集成电路运算放大器1. 电路结构和工作原理第49页/共75页2. 电路技术指标的分析计算(1)直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。第50页/共75页(2)小信号分析2idgs1vv 2idgs2vv 设 gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则)/()/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2. 电路技术指标的分析计算)/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv输入级电压增益 第51页/共75页(2)小信号分析2. 电路技术指标的分析计算总电压增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二级电压增益 将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）第52页/共75页集成运算放大器741原理电路 第53页/共75页集成运算放大器741简化电路end甲乙类互补对称功放第54页/共75页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实际集成运放的主要参数集成运放应用中的实际问题第55页/共75页实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）1. 输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。2. 输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。第56页/共75页实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）3. 输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约为1 nA0.1A。 4. 温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO / T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO / T第57页/共75页实际集成运放的主要参数差模特性1. 开环差模电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益AvO开环带宽开环带宽BW (fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG (fT)741型运放AvO的频率响应 第58页/共75页实际集成运放的主要参数差模特性2. 差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3. 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax第59页/共75页实际集成运放的主要参数共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。 2. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。第60页/共75页实际集成运放的主要参数大信号动态特性1. 转换速率转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom第61页/共75页实际集成运放的主要参数大信号动态特性2. 全功率带宽全功率带宽BWP （不要求不要求）指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。omRmaxP2 VSfBW 第62页/共75页电源特性1. 电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR （不要求不要求）衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗静态功耗PV （不要求不要求）实际集成运放的主要参数参看p291表典型集成运算放大器参数第63页/共75页1. 1. 集成运放的选用集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。 集成运放应用中的实际问题第64页/共75页2. 失调电压失调电压VIO、失调电流、失调电流IIO和偏置电流和偏置电流IIB带来的误差带来的误差 集成运放应用中的实际问题输入为零时的等效电路2IOIBP)2( RIIV f11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 第65页/共75页解得误差电压 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时f12/ RRR IBI当电路为积分运算时，即 换成电容C，则fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)( 1)()()(2IOIO12IOIOO时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。IOIO IV和和引起的误差仍存在第66页/共75页end3. 调零补偿调零补偿集成运放应用中的实际问题（a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路第67页/共75页6.6 变跨导式模拟乘法器 变跨导式模拟乘法器的工作原理 uYiEEgmuO1A的作用：（1）双端输入uO1转换为单端输出uO，（2）同时又有抑制共模信号的作用。68 其中其中K为比例因子为比例因子，量纲:V-1YXOuKuu uuuoXY第68页/共75页69由图可得：由图可得：1cOXbemcXRuurg R u 而而11EeTmigrV 由图可知由图可知2EEE1ii 故故2EEmTigV T3、T4是压控镜像电流源，是压控镜像电流源，YBE uu ，有有当当时时EEYuiR 则则12OmccXXYXYTRug R uu uKu uRV 输出电压输出电压22111OOXYRRuuKu uRR 第69页/共75页（1）电路精度较）电路精度较差，特别是差，特别是uY幅值幅值较小时误差很大。较小时误差很大。（2）uY必须为正必须为正值。虽然值。虽然uX可正、可正、可负，但电路只能可负，但电路只能作为二象限乘法器。作为二象限乘法器。第70页/共75页71 1. 1. 乘法运算乘法运算立方运算电路立方运算电路 2. 2. 平方和立方运算平方和立方运算平方运算电路uuuoXYuo=KuXuYuuoiuo=K(ui)2uuiouo=K2(ui)3 模拟乘法器的应用 第71页/共75页723. 3. 除法运算电路除法运算电路根据虚断21ii 2o11i1RuRu i2o1ouKuu 如果令如果令K= R2 / R1则则:i2i1ouuu 注意：为保证电路为负反馈，必须有：i112o1uRRu 0i2 uuuu+2+Ro11i1iAii2uo1RR2i2i112ouuKRRu 第72页/共75页734. 4. 开平方运算电路开平方运算电路)(1i12OuRRKuui为负值！为负值！2oo1Kuu 负反馈条件？i12o1uRRu uu+RRAo1iuii11o+2R2第73页/共75页74差动放大器小结：主要功能：抑制零漂主要功能：抑制零漂四种类型：四种类型：双端输入、双端输出（双双）双端输入、单端输出（双单）单端输入、双端输出（单双）单端输入、单端输出（单单）差放的增益与输入方式无差放的增益与输入方式无关，与输出方式有关。关，与输出方式有关。1id0dud(uAuuA 双）双）三种输入方式：三种输入方式：差模、共模、任意差模、共模、任意三种电路：三种电路：基本、典型、恒流源基本、典型、恒流源beL1u)ud(221rRAA 单单oL)uc(2rRA 单单0(uc 双）双）A第74页/共75页75感谢您的观看。第75页/共75页