模电部分第6章(潘)模拟集成电路

第六章集成电路运算放大器它体积小，性能好。2、按功能分类：数字集成和模拟集成电路。3、常用模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟琐相环、模数和数模转换器、及其他模拟电路等。4、模拟集成电路的特点：1）电路结构与元件参数具有对称性（温度均一、特性对称）2）无源器件用有源器件代替（电阻、电容用PN结实现）3）采用复合结构的电路（用复合管等组合电路）4）级间采用直接耦合方式5）用晶体管的发射结构成二极管，作为温度补偿元件等。1、集成电路：把整个电路中的元件都制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。6.1集成电路运算放大器中的电流源●电流源电路的特点：输出电流恒定。具有很高的输出电阻。●电流源电路的用途：1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，使Q点稳定。2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。4、电流源还可单独制成稳流电源使用。4、用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，温度影响小。3、电流源电路一般都加有电流负反馈。2、常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源等1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性受控电流源；由它们都可构成电流源电路。三极管T1、T2匹配，镜像电流源其中：基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的。I2CIR,22RCII时，当RVVIBECCR且IC2和IR是镜像关系。21BEBEBEVVV21BCRIII21则：BCII22)21(2CI1、镜像电流源βI2IC2C2精密镜像电流源精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其镜像精度提高了倍。精密电流源电路中增加了T3管，IIIIBREFCC312312IIBREFIB3比镜像电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF之间的镜像精度提高了倍。313333121IIIBEB2、微电流源微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。微电流源22212eEBEBEBERRIVVVVeIC2远小于IREF,。RVICCREF当R取几k时，IREF为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2的稳定性也比IREF的稳定性好。222eBEECRVIIΔVBE很小多路电流源通过一个基准电流源IREF稳定多个三极管的工作点电流IC1、IC2，即可构成多路电流源。例6.1.1已知各BJT的参数β、VBE数值相同，求多路电流源电路中的各电流源IC1、IC2、IC3与基准电流IREF的关系式。解：/BREFCIIIREFCIIeREFeERIRI11eERI22eERI33eERI,111eeREFECRRIII,222eeREFECRRIII333eeREFECRRIII当IREF确定后，改变各Re的阻值，就能获得不同比例的输出电流。当β较大时，由于各管的β、VBE相同，IB0=IE0/β=ΣIB/β3.电流源用作有源负载IREF利用电流源的静态电阻小，动态电阻很大的特点。1）静态电阻小：易配置静态工作点。2）动态电阻很大：可提高放大器的大倍数。6.2差分放大电路②零点漂移问题零点漂移：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产生的原因：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。2.直接耦合带来的两个问题：①前后级静态工作点相互影响,需统一考虑放大电路的直接耦合及零点漂移问题的解决1.问题的提出：直流信号、直接耦合、直流放大器解决方法：采用温度补偿采用差分放大电路6.2差分放大电路vi1vi2线性放大电路voiCVCidVDovAvAv差模电压增益)(2121iiicvvv差分放大电路应仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大.差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。vid=vid1-vid2;vid1=－vid2=½vid共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。vic=vic1=vic2放大两个输入信号之差任意输入信号，幅度、极性都是任意的，它可以分解为一对差模信号和一对共模信号的组合。111icidivvv222icidivvv21iiidvvv共模电压增益6.2.1基本差分放大电路差分放大器由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。时，021iivv静态分析动态分析当输入信号为零时，即0=2/21CCCCCE0C21CCoBECCvvvVRIVVIIii这时，由于电路完全对称。当在电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，时，即2/21idiivvv一管电流增加，另一管电流减小，所以021CCovvv即在两个输出端有信号电压输出。2.抑制零点漂移的原理零点漂移——当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。在差分电路中，温度的变化等会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。uo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。在直接耦合多级放大电路中，前级Q点变化时，被后级逐级放大，造成输出电压漂移。3、计算beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212双端输入、单端输出:beCVDVDrRAA2211加负载电阻RL:beLVDrRA2//LCLRRR式中：差分放大电路有两个输出端—集电极C1和集电极C2。若信号从C1和C2输出，则称为双端输出，反之，若信号仅从集电极C1或C2对地输出，则称为单端输出。双端输入、双端输出:（1）差模电压增益单端输入时的差模电压增益：单端输入：vi1＝vid,vi2＝0因为恒流源交流电阻r0很大，可以看成开路。作用于T1和T2上be结的信号基本上是一致的，相当于双端输入的情况。电压增益计算与双端输入时相同。beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212单端输入、单端输出:beCVDVDrRAA2211单端输入、双端输出:差模输入电阻输出电阻：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。besid2rRR输出电阻：单端输出时，双端输出时，coRRco2RRuod1RsB1EC1RCib1ui1rbe1ib1输入电阻：（1）双端输出时：021vvvicococvcA（2）单端输出时：oCobeCicocvcrrRrRvvA22111共模电压增益越小，放大电路的性能越好。r0越大，则Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。（2）共模电压增益Avc（3）共模抑制比KCMR：cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK（2）单端输出时共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标，反映抑制共模信号的能力。AAKvcvdCMR（1）双端输出时KCMR为无穷大beovcvdCMRrrAAK11或：oCvcrRA21beCVDrRA21由：和例2：80V.VBE20mA..RRVVIIEECCRCQ247524234mA.IIICQCQCQ122421VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53.31.22.0121121krce50一、估算Q点：二、动态分析：kbeIrEQ3.11.2268030026130012,1等效的发射极耦合电阻REE—比例式电流源的输出电阻krRRceoEE405050811444例2：480250813155338021...//.RrRAWbeLvd1.双出（双入或单入）：差模特性：rbe=1.3k,把直流电源、Vic都短路；RL两臂各分一半；两臂的差模信号电流大小相等、方向相反，同时流过T4时抵消，使T4无差模电流、也无差模电压，T4、R1可视作短路（或开路），这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。k...RrRWbeid656025081312212k.RRco662画差模信号通路：例2：画共模信号通路：把直流电源、Vid都短路；RL两端共模信号电位相等，故其中无共模电流流过，故可视作开路；由于两臂的共模信号电流同时流过T4、R1，因此，把它等效到每管发射极时，需用2REE表示。RW的影响可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源的输出电阻（等效的REE）为4050k。1.双出（双入或单入）：共模信号通路AAKVVAvcvdCMRicocvc,0MRrREEbeic656405028121例2：2.单出-（双入或单入）：（1）差模特性：差模信号通路53002508131113380212121...//.RrRAWbeLvdkRrRWbeid3.3025.0813.121k.RRco33例2：2.单出-（双入或单入）：（2）共模特性000304050211332.//.RRvvAEELicocvc105100030530..AAKvcvdCMRdBog10020105集成电路运算放大器集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。运算放大器方框图1.输入级使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。4.偏置电路提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.电压放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。例6.3.1和第6.3.2节的内容偏难，不作为基本要求另举例说明集成运放内部结构T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器极性判断＋－u－u+uo－＋＋反相输入端u－同相输入端u+输出端uo美国符号：国内符号：集成运算放大器符号同相输入端:该端输入信号变化的极性与输出端相同反相输入端:该端输入信号变化的极性与输出端相反运算放大器外形图本章结束1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。理想运算放大器的条件2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小1～2个量级即可。4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。理想运算放大器的特性(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的