模擬集成電路80000課件

第六章理論學(xué)習(xí)課程導(dǎo)學(xué)自我測試本章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖本章教學(xué)要求正確理解集成運(yùn)放的組成結(jié)構(gòu)及各組成部分的作用；熟練掌握各類電流源的工作原理及計(jì)算方法；熟練掌握四種不同輸入輸出方式差分式放大電路的工作原理以及性能特點(diǎn)；熟練掌握各類差分式放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)、差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻以及共模抑制比的計(jì)算；掌握集成運(yùn)放主要技術(shù)指標(biāo)的含義。2．偏置電路偏置電路主要由電流源電路組成，常用的有鏡像電流源、比例電流源和微電流源等，前兩者提供的偏置電流較大，后者則可產(chǎn)生較小的偏置電流，適用于輸入級(jí)偏置電路。3．差分式放大電路差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路，這源于電路的對(duì)稱性。差分放大電路主要有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出四種典型電路。差分式放大電路的性能指標(biāo)主要有：差模電壓增益、共模電壓增益、共模抑制比、差模輸入電阻、共模輸入電阻、輸出電阻等。上述指標(biāo)通常是在正確畫出半電路的直流通路、差模等效電路和共模等效電路的基礎(chǔ)上求取的，在畫這些等效電路時(shí)應(yīng)注意：（1）負(fù)載電阻在單端輸出和雙端輸出時(shí)的等效處理有所不同，射極共用電阻在差模輸入和共模輸入時(shí)的等效處理有所不同。（2）單端輸入由于可等效為雙端差模輸入和共模輸入的疊加，其效果與雙端輸入基本相同。第六章模擬集成電路6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.2差分式放大電路6.3差分式放大電路的傳輸特性6.4實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)和應(yīng)用電路的影響真空器件半導(dǎo)體器件集成電路大規(guī)模集成電路集成電路的分類1.按功能分類：數(shù)字集成電路、模擬集成電路2.按構(gòu)成有源器件的類型分類：雙極型、單極型3.按外形分類：雙列直插式、圓殼式、扁平式4.按類型分類：集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成比較器、集成穩(wěn)壓器等等集成電路運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器外形圖輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元實(shí)質(zhì)：

集成運(yùn)放是具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。對(duì)集成電路的多項(xiàng)性能起決定性作用提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，要求：①具有較高的電壓放大倍數(shù)；②具有較大的輸入電阻，減小對(duì)前級(jí)的影響；③向輸出級(jí)提供大電流。①提供足夠大的輸出功率；②具有較大的輸入電阻，減小對(duì)前級(jí)的影響；③具有較小的輸出電阻，提高帶負(fù)載能力;④電壓增益為1。①為輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)提供合適的偏置電流，以確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn);②作為有源負(fù)載，提高放大電路的電壓增益。6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)電流源電路：輸出電流恒定，具有很高輸出電阻的電路。二、特點(diǎn)1、由BJT、FET構(gòu)成電流源電路，由于其工作在放大狀態(tài)時(shí)，其輸出電流都是具有恒流特性的受控電流源；2、電流源電路一般都加有電流負(fù)反饋；3、電流源電路一般都利用PN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對(duì)電流的影響。一、電流源電路的用途1、給集成電路各級(jí)電路提供直流偏置電流，以獲得穩(wěn)定的Q點(diǎn)；2、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、增大動(dòng)態(tài)范圍；3、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長的電壓輸出；4、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。6.1.1BJT電流源電路特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；具有一定的溫度補(bǔ)償作用；不適合于直流電源在大范圍變化的集成運(yùn)放；若輸入級(jí)要求微安級(jí)偏置電流，在集成電路中無法實(shí)現(xiàn)。一、鏡像電流源帶緩沖級(jí)的鏡像電流源二、微電流源特點(diǎn)：利用△VBE（較小）控制輸出電流；提高了恒流源對(duì)電源變化的穩(wěn)定性；提高了恒流源對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性。接入Re2電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集成放大器的前置級(jí)中。當(dāng)R取幾k時(shí)，

IREF為mA量級(jí)，而IC2可降至A量級(jí)的微電流源。且IC2的穩(wěn)定性也比IREF

的穩(wěn)定性好。6.1.2FET電流源一、MOSFET鏡像電流源電導(dǎo)常數(shù)柵極氧化層單位面積電容反型層中的電子遷徙率本征導(dǎo)電因子W：溝道寬度L：溝道長度用T3代替電阻R三、JFET電流源JFET電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻等于輸出特性的斜率的倒數(shù)。一、一般結(jié)構(gòu)差分放大電路是由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。6.2.1差分放大電路的組成恒流源①提供直流偏置②具有高阻值動(dòng)態(tài)內(nèi)阻（rce、

rds）③抑制共模信號(hào)二、共模信號(hào)和差模信號(hào)差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。共模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。差模電壓：共模電壓：直流信號(hào)

對(duì)稱的兩個(gè)共射電路通過射極公共電阻耦合而成，由于Re阻值大，故稱長尾式差分放大電路。1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRs1=Rs2=Rs6.2.2長尾式差分放大電路2/6/2023一、輸入和輸出方式兩個(gè)輸入端：雙端輸出(two-sidedoutput)單端輸出(one-sidedinput)雙端輸入(two-sidedinput)單端輸入(single-sidedinput)兩個(gè)輸出端：雙入雙出單入雙出雙入單出單入單出四種接法：2/6/2023

二、靜態(tài)分析(Q1、Q2)（空載）入手點(diǎn)：

IB三、動(dòng)態(tài)分析（Av、Ri、Ro）1、共模參數(shù)（Avc、Ric、Ro）2、差模參數(shù)（Avd、Rid、Ro）抑制共模(零漂、干擾)放大差模（1）雙端輸出時(shí)，通過對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)；（2）單端輸出時(shí)，通過射極大電阻Re降低共模信號(hào)放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。雙出vo=2vo1(vo2)(單出)iRe=0聯(lián)體處為“差模地”零點(diǎn)漂移：放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。抑制零點(diǎn)漂移的原理：溫度的變化，電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)于在差分電路兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱，理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。輸入共模信號(hào)：兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相同的信號(hào)電壓，即干擾信號(hào)或無用信號(hào)

多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)常采用差分式放大電路來抑制零點(diǎn)漂移

，放大差模信號(hào)。輸入差模信號(hào)：兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，即一管電流增加，另一管電流減小，所以兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出，為有用信號(hào)為了提高共模抑制比應(yīng)加大Re。但Re加大后，為保證工作點(diǎn)不變，必須提高負(fù)電源，這是不經(jīng)濟(jì)的?？捎煤懔髟磥泶鍾e。恒流源動(dòng)態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。同時(shí)恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提高負(fù)電源之值。6.2.3射極耦合（恒流源式）差分式放大電路一、靜態(tài)分析輸入信號(hào)為零，即2/6/2023二、動(dòng)態(tài)分析輸入差模信號(hào)：兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，即一管電流增加，另一管電流減小，所以兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出，為有用信號(hào)輸入共模信號(hào)：兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相的信號(hào)電壓，即干擾信號(hào)或有用信號(hào)任意信號(hào)可分解為共模信號(hào)和差模信號(hào)例：vi1=10mv,vi2=6mv①差模電壓增益1、雙端輸入、雙端輸出加負(fù)載電阻RL

（一）差模參數(shù)（Avd、Rid、Ro）②差模輸入電阻③輸出電阻二、動(dòng)態(tài)分析特點(diǎn)：①電路多用一個(gè)三極管，電壓增益未增加；②通過共模負(fù)反饋對(duì)共模信號(hào)（主要為電源電壓中的干擾以及溫度的變化）進(jìn)行抑制；③對(duì)差模信號(hào)（有用信號(hào)）進(jìn)行放大。2、雙端輸入、單端輸出①差模電壓增益②差模輸入電阻③輸出電阻用途:

①將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，便于與后級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)共地，常用于中間級(jí)；②可通過從不同的集電極輸出得到與輸入電壓反相或同相的輸出電壓。單入=雙入vi1=－vi2=vi/23、單端輸入、雙端輸出ro對(duì)Ie分流極小，可忽略?、诓钅］斎腚娮琚圯敵鲭娮琚俨钅ｋ妷涸鲆?、單端輸入、單端輸出①差模電壓增益②差模輸入電阻③輸出電阻1、共模電壓增益（vi1=vi2=vic）①雙端輸出

（二）共模參數(shù)（Avc、Ric、Ro）②單端輸出

共模電壓增益越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大電路的性能越好。2、共模輸入電阻3、輸出電阻（2）單端輸出時(shí)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，該值描述差分放大電路對(duì)零漂的抑制能力，愈大愈好。（1）雙端輸出時(shí)KCMR為無窮大

（三）共模抑制比KCMR在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)使共模抑制比KCMR大于共模信號(hào)和差模信號(hào)之比。例題

圖示電路中，設(shè)T1、T2的β=200，VBE=0.7V，rbb′=200Ω，I0=1mA，Rc1=Rc2=Rc=10kΩ，VCC=+10V，-VEE=-10V，試求（1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，（2）雙端輸入、雙端輸出時(shí)的差模電壓增益Avd、差模輸入電阻Rid、輸出電阻Ro；（3）當(dāng)電流源的ro=83kΩ時(shí)，單端輸出時(shí)Avd1、Avc和KCMR1的值；（4）當(dāng)電流源I0不變時(shí)，差模輸入電壓vid=0，共模輸入電壓vic=+5V或-5V時(shí)的VCE值各為多少？恒流源差分放大電路

恒流源電流IE=(VZ

-VBE3)/Re

例題

已知VCC=VEE=12V，三極管的β=50，Rc=100kΩ，Re=33kΩ，R=10kΩ，Rw=200Ω，穩(wěn)壓管的Uz=6V，R1=3kΩ，試估算靜態(tài)工作點(diǎn)Q、Avd。6.2.4源極耦合差分式放大電路一、CMOS差分式放大電路二、JFET差分式放大電路6.3差分式放大電路的傳輸特性放大電路輸出差模信號(hào)隨輸入差模信號(hào)變化的曲線（1）vi1-vi2=vid=0（靜態(tài)）時(shí)，Vo1=Vo2=VCC-（Io/2）Rc；（2）vid在0~±VT范圍內(nèi)，傳輸特性近似為線性，放大電路工作在放大區(qū)此時(shí)差模電壓增益與電流成正比；（3）vid在±VT~±4VT范圍內(nèi)，傳輸特性呈非線性；（4）vid＞4VT或vid＜-4VT，一管趨于飽和，一管趨于截止，呈現(xiàn)較好的限幅特性。CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器BJTLM741集成運(yùn)算放大器741型集成運(yùn)算放大器的簡化電路6.4集成運(yùn)算放大電路的主要參數(shù)和對(duì)電路的影響輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路實(shí)質(zhì)：

集成運(yùn)放是具有高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。①提供足夠大的電壓放大倍數(shù)；②具有較大的輸入電阻，減小對(duì)前級(jí)的影響；③向輸出級(jí)提供大電流。①一般為電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器；②具有較大的輸入電阻，減小對(duì)前級(jí)的影響；③具有較小的輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。向各放大級(jí)提供合適的偏置電流，確定各靜態(tài)工作點(diǎn)抑制零漂溫漂，對(duì)集成電路的多項(xiàng)性能起決定性作用

(a)國家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)(b)原符號(hào)

‘v+’（‘vP’）——同相輸入端‘v-’（‘vN’）——反相輸入端

‘vo’——輸出端

另外：正、負(fù)電源端，補(bǔ)償端和調(diào)零端等一.集成運(yùn)放的符號(hào)

1.輸入失調(diào)電壓VIO

室溫25℃時(shí)，使輸出電壓為零，輸入端所需的補(bǔ)償失調(diào)電壓。表征運(yùn)放制造過程中電路的對(duì)稱程度和電位配合情況。

2.輸入偏置電流IIB集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。通常為10nA～1μA。3.輸入失調(diào)電流IIO

在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管靜態(tài)基極電流之差，用于表征輸入級(jí)差分對(duì)管的不對(duì)稱的程度，一般約為1nA～0.1μA。4.輸入失調(diào)電壓溫漂△VIO/△T5.輸入失調(diào)電流溫漂△IIO/△T

二.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)(一)輸入直流誤差特性(二)差模特性1.開環(huán)差模電壓增益AVO集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，在無外加反饋條件下的直流差模電壓增益。2.開環(huán)帶寬BW（fH

）又稱為-3dB帶寬，即開環(huán)差模電壓增益下降3dB的頻率fH。3.單位增益帶寬BWG（fT

）

開環(huán)差模電壓增益下降為1時(shí)的頻率fT。4.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro5.最大差模輸入電壓Vidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),其中一差分對(duì)管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。(三)共模特性1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻2.最大共模輸入電壓Vicmax運(yùn)放能承受的最大共模輸入電壓，超過此值時(shí)，共模抑制能力下降。(四)大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性1.轉(zhuǎn)換速率SR

閉環(huán)狀態(tài)下，輸入大信號(hào)時(shí)，放大電路輸出信號(hào)對(duì)時(shí)間的最大變化速率。

2.全功率帶寬BWP

運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率。(五)電源特性1.電源電壓抑制比KSVR用以衡量電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。2.靜態(tài)功耗PV

PV=VCCICO+VEEIEO第六章自我測試一．判斷題1．運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓VIO是兩輸入端電位之差。()2．運(yùn)放的輸入失調(diào)電流IIO是兩端電流之差。()3．鏡像電流源只能用于較大工作電流的場合。4．有源負(fù)載可以增大放大電路的輸出電流。()5．差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)都具有放大作用。（）、二．選擇題1．集成運(yùn)放電路采用直接耦合方式是因?yàn)?/p>

。A．可獲得很大的放大倍數(shù)B．可使溫漂小C．集成工藝難于制造大容量電容2．集成運(yùn)放制造工藝使得同類半導(dǎo)體管的

。A．指標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確B．參數(shù)不受溫度影響C．參數(shù)一致性好3．集成運(yùn)放的輸入級(jí)采用差分放大電路是因?yàn)榭梢?/p>

。A．減小溫漂