模拟电子技术基础第六新.ppt

1,6 模拟集成电路,Fundamental of Electronic Technology,CTGU,2,要求,*了解运算放大器中的电流源 *掌握差分放大电路的分析和计算 *了解集成电路运算放大器的组成,3,集成电路: 将整个电路的各个元件以及他们之间的连接做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,集成运放的特点,4,集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。不能制造电感，如需电感，也只能外接。 （5）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三极管发射结构成。,5,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术, 镜像电流源, 多路电流源, 电流源作有源负载, 微电流源,在模拟集成电路中广泛使用各种电流源，为各种放大电路提供稳定的偏置电流，或作有源负载。,6,1、三极管基本电流源,(a) (b) 图06.01 三极管电流源,分压式偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，IO大小与RC无关，具有恒流特性，呈现一种电流源性质。,电流源的内阻越大恒流特性越好。 理想电流源的内阻无穷大。,7,2. 镜像电流源,该电路具有恒流特性：,在图示镜像电流源电路中，T1和T2参数相同，且很大。,无论Rc的值如何， IC2的电流值将保持不变。,8,2. 镜像电流源,交流电阻,由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量,一般Ro在几百千欧以上,9,2. 镜像电流源,在镜像电流源电路中，当不是很大时， IC2与IREF就存在一定的差别。为弥补这一不足，在电路中接入三极管T3。,镜像电流源适用于较大的工作电流的场合（毫安数量级）,问题：精度有限，误差与2IB （或）大小数值有关。,10,精密镜象电流源,精密镜象电流源电路如图06.03所示。,由于有T3存在，IB3将比镜象电流源的2IB小3倍（ IB3 2IB/ 3） 。因此IC2和IREF更加接近。精度提高了 倍,图06.03 精密电流源1,11,3. 微电流源,在镜像电流源的T2管射极加一小电阻值的Re2就构成了微电流源。,由于T1、T2两管的VBE差值很小，因此只要一个较小阻值的Re2就可获得很小的电流IC2输出。,12,4. 多路电流源（比例电流源）,用一个基准电流来获得多个电流。,由图可得：,当较大时，有,各管的、VBE相同，则有：,故,当IREF确定后，改变各电流源射极电阻，就可获得不同比例的输出电流。,13,5. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益为,比用电阻Rc作负载时提高了。,放大管,14,6.2 差分式放大电路, 直接耦合放大电路, 零点漂移, 电路组成及工作原理, 抑制零点漂移原理,6.2.0 概述,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.2 FET差分式放大电路,6.2.3 差分式放大电路的传输特性, 差分式放大电路中的一般概念, 主要指标计算, 几种方式指标比较,15,6.2.0 概述,1. 直接耦合放大电路,可以放大直流信号,2.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：,主要原因：,温漂指标：,温度变化引起，也称温漂。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,电源电压波动也是原因之一,16,例如,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,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,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,17,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,4. 差分式放大电路中的一般概念,根据1、2两式又有,差分式放大电路输入输出结构示意图,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,差模信号输出,共模信号输出,2019/7/17,图06.09共模信号和差模信号示意图,差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模 信号。,差模信号 共模信号,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相反 的信号。,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相同 的信号。,2019/7/17,6.2 差分放大电路,1、 问题的提出：缓慢变化的信号（例如：温度变化）如何放大？交流放大器行吗？为什么？,解决的办法：直接耦合直流放大器。,新问题出现：“零点飘移”Q点的缓慢移动。,解决的办法：差分放大器。 特点：对称结构，相同的参数，Q点的变化相同，互相抵消。,基本差分放大器。 问题：两边的漂移并不小，依赖对称互相抵消。大范围抵消难达到。,容抗问题！,20,带公共电阻Re的差分放大器。,思想：由分压式偏置电路。引入公共Re稳定工作点，减小飘移量，Q点变化范围小，容易互相抵消。,带恒流源的差分放大器。,分析：Re对差动信号的放大有什么影响？,无影响！,问题：要稳定Q点，Re必须大，Re大则要求-Vee高，管子要求也高，有时不现实。怎么办？,恒流源电流数值： IE =(VZ - VBE3 )/ Re 为定值，Ic1 = Ic2 = IE /2电流被固定。,21,图06.10双电源差分放大电路,3、差分放大电路的静态计算,(动画6-1),（1）直流等效电路,（2）Q点计算,22,图06.11双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入差放电路如图06.11所示。负载电阻接在两集电极之间。vi 接在两输入端之间，也可看成 vi /2各接在两输入端与地之间。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,23,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将 差分信号转换为单端输出 的信号。,双端输入单端输出因只利 用了一个集电极输出的变化量， 所以它的差模电压放大倍数是 双端输出的二分之一。,图06.12双端输入单端输出,24,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图06.13。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,这种方式用于将单 端信号转换成双端差分 信号, 可用于输出负载 不接地的情况。,图06.13 单端输入转换为 双端输入,vi1 = vi2 = vi /2,25,单端输入单端输出,通过从 T1 或 T2 的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1 输出，为反相；从C2 输出为同相。,26,(2)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。,(3)输出电阻,输出电阻在 单端输出时， 双端输出时，,27,5、共模状态动态计算,若输入信号极性，幅度都相同, 则是纯共模信号。,温漂信号属典型的共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。,若极性相同，幅度不等，则信号既包含共模、又包含差模分量，如图06.14所示。,28,计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图 06.15 所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。 Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出 时可以认为等于零。,(1) 共模放大倍数Avc,图06.15 共模微变等效电路,29,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 单端输出时为,，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,(动画6-2),30,4. 几种方式指标比较,31,4. 几种方式指标比较,32,与共源电路相同,6.2.2 FET差分式放大电路,1. 电路组成,2. 差模增益,3. 差模输入电阻,图6.2.10,33,？,思 考 题,差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：,反相,vC1与vi1,end,同相,vC2与vi1,同相,vC1与vi2,反相,vC2与vi2,反相,vO与vi1,同相,vO与vi2,3. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？,34,6.3 运 算 放 大 器,运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。,35,6.3.1方框图,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。,图 06.16 运算放大器方框图,36,6.3.2运算放大器的符号,(1)集成放大器的符号 按照国家标准符号如图06.17所示。,(a) (b) 图06.17 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号,输入+表示同相输入端,输入-表示反相输入端,37,6.4.2 通用型集成电路运算放大器,38,1.输入级使用高性能的差分放大电路，对共模信号有很强的抑制力，采用双端输入双端输出的形式。,4.偏置电流源可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.互补输出级由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.中间放大级提供高的电压增益，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。,39,6.3.4 运算放大器的主要参数,运放的技术指标很多，根据运放本身的特点可分成： （1）参数均比较适中的是通用型运放； （2）对某些指标有特殊要求的特种运放。,40,1.输入失调电压Vio ：(input offset voltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电流 Iio ：(input offset current)在 零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之 差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IB ：(input bias current)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分 放大对管输入电流的大小。,4.输入失调电压温漂 dVio /dT,5.输入失调电流温漂dIio /dT,41,8.开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。,9.差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。,10.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB),42,12.单位增益带宽 f c (BWG)(unit gain band width) Avd 下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽 f c 。,11.3dB带宽 f H ： (-3dB band width) 运算 放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB 所定义的带宽 f H 。,13.转换速率S R (压摆率)(slew rate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为。,14.等效输入噪声电压Vn(noise voltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。,43,运算放大器外形图,44,运算放大器外形图,45,6.3.5 理想运算放大器,（1）.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。,1、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23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12个量级即可。,（4）.带宽足够宽。,（5）.共模抑制比足够大。,46,理想运放具有“虚短”和“虚断”特性，这对分析线性