电路分析基础

第七章模拟集成电路12018年4月23日§7-1模拟集成电路的电流源§7-2差分式放大电路§7-3集成电路运算放大器§7-4集成电路运算放大器的主要参数§7-5放大电路中的噪声与干扰2集成电路在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。模拟集成电路一般是由一块厚约0.2-0.25mm的P型硅片制成，称为基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。3模拟集成电路的特点(1)电路结构与元件参数具有对称性各元件在同一硅片上，通过相同的工艺过程制造，温度均一性好。(2)用有源器件代替无源器件在集成电路中，高阻值的电阻多用BJT或FET等有源器件组成的恒流源电路来代替。(3)采用复合结构的电路由于复合结构电路的性能较佳，因而在集成电路中多采用复合管、共射-共基、共集-共基等组合电路.(4)级间采用直接耦合方式(5)采用BJT的发射结构成二极管二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。4§7-1模拟集成电路的电流源在模拟集成电路中，电流源是一种广泛地使用单元电路，它为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。56IC0IBVCER1R2ICR3VEEICRo(a)(b)单管电流源电路(a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路；(c)等效电流源表示法镜像电流源7设T1、T2的参数完全相同，即1=2，ICEOl=ICEO2，由于有相同的基-射极间电压(VBE1=VBE2)，IE1=IE2，IC1=IC2。当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略，T2的集电极电流IC2近似等于基准电流IREF，即RVRVVIICCBECCREFC2镜像电流源当不够大时，IC2与IREF就存在一定的差别，为了弥补这一不足，接入T3。利用T3的电流放大作用，减小了IB对IREF的分流作用，从而提高IC2与IREF互成镜像的精度。为了避免T3的电流过小而使3下降，在T3的射极加Re3使IE3增大。镜像电流源电路适用于工作电流较大(mA)的场合，若需减少IC2的值(A)，要求R的值很大,这在集成电路中难以实现。89UCCRrIrT1IC4T4T2IC2T3IC3T5多路镜像电流源微电流源在T2的射极电路接入电阻Re2，当基准电流IREF一定时，IC2为：102222221eBEECeEBEBEBERVIIRIVVV利用两管基-射极电压差VBE可以控制输出电流IC2。由于VBE的数值小,故用阻值不大的Re2即可获得微小的工作电流，称为微电流源。当电源电压VCC发生变化时，IREF以及VBE也将发生变化。由于Re2为数千欧，使VBE2VBE1，以致T2的VBE2值很小而工作在输入特性的弯曲部分，则IC2的变化远小于IREF的变化。电流源用作有源负载由于电流源具有直流电阻小，而交流电阻很大的特点，在模拟集成电路中，常把它作为负载使用，称为有源负载。T1是放大管，T2、T3组成镜像电流原作为T1的集电极有源负载。电流IC2(=IC1)等于基准电流IC3(IREF)。电流源的交流电阻很大，在共射电路中，可使每级的电压增益达103甚至更高。电流源亦常用作射极负载。11复习思考题定性分析右边电路,说明T1、T2在电路中的作用12解(1)T2、Rb21和Rb22为恒流源电路。22212222222222221222bbeCCbeBeEBBEbbCCbBRRRVRRVRVVIRRVRV(2)T1、Rb11和Rb12为射极输出电路。§7-2差分式放大电路差分式放大电路是放大两个输入信号之差。由于在电路和性能方面有许多优点，因而成为集成运放的主要组成单元。13差分式放大电路有两个输入端，分别接有信号电压vi1与vi2，输出端的信号电压为vo。在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为式中AVD是差分式放大电路的差模电压增益。放大电路两个输入端所共有的任何信号对输出电压都不会有影响。21iiVDovvAv差模信号和共模信号输出电压不仅取决于两个输入信号的差模信号vid，而且还与两个输入信号的共模vic有关，它们分别表示为14212121iiiciiidvvvvvv差模信号是两个输入信号之差，而共模信号则是二者的算术平均值。当用共模和差模信号表示两个输入电压时，有2221idiciidicivvvvvv在差模信号和共模信号同时存在的情况下，可利用叠加原理来求出总的输出电压，即icocVCidodVDicVCidVDvvAvvAvAvAv0差模电压增益共模电压增益基本差分式放大电路一个基本差分式放大电路由两个特性相同的BJTT1、T2组成对称电路，电路参数也对称，即Rc1=Rc2=Rc等。有两个电源+VCC和-VEE。两管的发射极连接在一起并接恒流源I0，恒流源的交流电阻r0很大，在理想情况下为无穷大。如果电路有两个输入端和两个输出端，称双端输入、双端输出电路。15静态分析当没有输入信号电压时1607.027.002121021212121CCocCCCCECECcccccBEBEiivvvVRIVVVIIiiRRRVVVvv即当输入为0时，输出也为0。动态分析当在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压时，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以输出信号电压17221idiivvv02122112121cccccCCccCCccoidiiiRiiRiVRiVvvvvvvv18例如100,=V1A若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设第一级是关键。1=100,=V3V2AA漂了100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV零点漂移抑制零点漂移的原理零点漂移(简称零漂)：当放大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生。在直接耦合多级放大电路中，当第一级电路的Q点稍有偏移时，其输出电压将发生微小的变化，并会被逐级放大，使电路输出端产生较大的漂移电压。当漂移电压的大小可以和信号电压相比时，就无法分辨是信号电压还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了。在差分式电路中，温度变化和电源电压的波动都会引起两管集电极电流和集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性和恒流源偏置，可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。19双端输入、双端输出的差模电压增益若输入为差模方式，vi1=-vi2=vid/2,一管的电流增加，另一管的电流减小，在电路完全对称的条件下,IC1的增加量等于IC2的减小量，所以流过恒流源的电流I0不变，ve=0，故交流通路等效为下图。当从两管集电极作双端输出时，其差模电压增益与单管放大电路的电压增益相同，即20becioiiooidoVDrRvvvvvvvvA11212122双端输入、双端输出的差模电压增益当集电极c1、c2两点间接入负载电阻RL时21这是因为输入差模信号时，c1和c2点的电位向相反的方向变化，一边增量为正，另一边增量为负，并且大小相等，负载电阻RL的中点是交流地电位，所以在差动输入的半边等效电路中，负载电阻是RL/2。2||'''LcLbeLVDRRRrRA双端输入、单端输出的差模电压增益如输出电压取自其中一管的集电极(vo1或vo2)，则称为单端输出。由于只取出一管的集电极电压变化量，所以这时的电压增益只有双端输出时的一半,即22becVDVDbecVDVDrRAArRAA22122121单端输入的差模电压增益当放大电路的输入电路有一端接地，即vi1=vid，vi2=0，这种输入方式称为单端输入。r0为恒流源的交流电阻，其阻值很大，容易满足r0re的条件，可认为r0支路相当于开路,输入信号电压vid近似地均分在两管的输入回路上.23两电路中作用于be结上的信号分量基本上一致，即单端输入时，电路的工作状态与双端输入时近似一致。如r0足够大，由双端输出时，其差模电压增益与双端输入近似一致，其他指标也与双端输人电路相同。双端输出的共模电压增益当两个输入端接入共模输入电压，即vi1=vi2=vic，因两管的电流同时增加或减小，因此有ve=iero=2ie1ro，对每个管子而言，相当于射极接了2ro的电阻.当从两管集电极输出时，由于电路的对称性，其输出电压为voc=voc1-voc20，其双端输出的共模电压增益为24021icococicocVCvvvvvA共模电压增益越小，说明放大电路的性能越好。单端输出的共模电压增益单端输出的共模电压增益表示两个集电极任一端对地的共模输出电压与共模输入信号之比，即25ocVCbeoobecicocicocVCrRArrrrRvvvvA21,21211211一般情况下ro越大，即恒流源Io越接近理想情况，AVC1越小，说明它抑制共模信号的能力越强。双端输出共模抑制比KCMR为了说明差分式放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大电路差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比的绝对值，即26dBAAKAAKVCVDCMRVCVDCMRlg20在差分式放大电路中，若电路完全对称，则双端输出共模电压增益AVC0，其共模抑制比KCMR将是一个很大的数值。若从单端输出，则根据式共模抑制比的表达式为beoVCVDCMRrrAAK111单端输出电压单端输出时，总的输出电压由27idCMRicidVDicVCidVDovKvvAvAvAv1111由上式可知，在设计放大电路时，必须至少使共模抑制比KCMR1大于共模信号与差模信号之比，共模抑制比愈高抑制共模信号的能力愈强。频率响应双端输入、双端输出的差分式放大电路，因两边电路对称，可用单边共射极电路来分析。由于存在密勒效应，其高频响应与共射极放大电路相同。因差分式放大电路采用直接耦合方式，因此它具有极好的低频响应。差分式放大电路有两种输入方式和两种输出方式，组合后便有四种典型电路，现将它们的电路图、技术指标和用途归纳为表6.2.1。28几种接法的性能指标比较29几种接法的性能指标比较30FET差分式放大电路高输入阻抗模拟集成电路中，常采用输入电阻高、偏置电流小的FET差分式放大电路。T1、T2是差分对管，T3,T4及R1、R2、R3组成恒流源电路，用于抑制共模信号，该电路是单入-单出差分式放大电路，差模电压增益为31dmidoVDRgvvA2122式中gm为互导，Rd=Rd1=Rd2例7.2.1NMOSFET差分式放大电路如图，试简述它的电路结构和工作原理。32解(1)电路结构耗尽型NMOSFET对管T1、T2组成双入-双出差分式放大电路。增强型对管T3、T4构成差分放大电路的有源负载，TREF、T5、T6组成偏置电路，决定电路的基准电流IREF,T6、T7对管组成镜像电流源，供给T1、T2的源极恒流源I0。电路中NMOSFET的衬底接至负电源-VSS或低电位处，保证衬底与N沟道形成的PN结处于反向偏置状态。解答(2)工作原理在偏置电路中，TREF、T5、T6各管的栅极均与漏极相连，电路的基准电流IREF=ID6=ID5=I0。静态时，输入电压vi1=vi2，由于电路完全对称，T1与T2，T3与T4，T6与T7完全匹配，VDS3=VDS4，所以IDl=ID2=I0/2，输出电压vo=vOD1-vOD2=0。当输入电压vi1=-vi2=vid/2时，T1电流IDl增加，T2