模拟集成电路.ppt

6.1模拟集成电路中的电流源,6.2差分式放大电路,6.4集成电路运算放大器,6.5集成电路运算放大器的主要参数,6模拟集成电路,6.6变跨导式模拟乘法器,6.7放大电路中的噪声与干扰,集成运放的特点,（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。,集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。,集成运放电路的组成,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,6.1集成电路中的恒流源,镜像电流源,多路电流源,电流源作有源负载,微电流源,电流源的要求：有足够大的动态内阻；对温度的敏感度极低；能对抗电源电压或其他外因的变化。归纳起来就是电流源电路应具有不受外界因素影响的恒流特性。,电流源电路不仅可用作各种放大电路的恒流偏置(为放大电路提供稳定的偏置电流)，而且可用它取代电阻作为放大器的负载，是集成运放中应用最广泛的单元电路之一。,直流等效电阻小，交流等效电阻很大，且具有良好的恒流特性。（电流源的恒流特性决定于电流源输出电阻的大小，输出电阻越大，恒流效果越好）,电流源种类很多，但有一个共同的特点：,1.镜像电流源,恒流特性,IC2看作IREF的镜像。,两只特性完全相同的管子,由图可知，,越大，集电极电流与基准电流的偏差越小。例，=100时，两者的偏差为2%,1.镜像电流源,交流电阻（可由小信号等效电路计算）,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,1.镜像电流源,精度更高的镜像电流源,由于增加了T3，减小IB对IREF的分流，提高了IC2与IREF互成镜像的精度。,镜像电流源具有一定的温度补偿作用，原理如下：,当温度升高时,2.微电流源,所以IC2也很小,3.多路电流源,4.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就作负载时提高了。,放大管,5.FET电流源,与BJT镜像电流源类似，T1的漏、栅两极相连，只要VDDVT，它必然运行在饱和区,MOSFET多路电流源,基本镜像电流源,常用镜像电流源,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,6.2.1概述,6.2.2基本差分式放大电路,6.2.3FET差分式放大电路,6.2.4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,6.2.1概述,1.直接耦合放大电路,既可放大直流信号，也可放大交流信号,鉴于集成工艺难以制作电感和较大的电容，,集成运算放大器都要采用直接耦合方式,2.直接耦合放大电路存在的问题,a.零点漂移：,主要原因：,温漂指标：,温度变化引起，也称温漂（电源电压波动也是原因之一）,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。,b.前后级Q点相互影响,输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。,例如,若第一级漂了100uV，,则输出漂移10mV。,若第二级也漂了100uV，,则输出漂移1V。,假设,第一级是关键,漂了100uV,漂移10mV+100uV,漂移1V+10mV,漂移1V+10mV,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,4.差分式放大电路中的一般概念,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,差模信号输出,共模信号输出,共模抑制比,反映差放抑制共模信号的能力,根据1、2两式又有,总输出电压,6.2.2基本差分式放大电路,1.电路组成及工作原理,静态,对称性结构、恒流源式长尾,双端输出电压,单端输出电压,uo1=uo2=UC1=UC2,动态,1.电路组成及工作原理,差模输入信号：ui1=-ui2=ud大小相等，极性相反,设uC1=UC1+uC1,uC2=UC2+uC2因ui1=-ui2，uC1=-uC2uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2uC1,(很大),差模电压放大倍数：,长尾的电流、电压增量零，即长尾对差模信号短路。,共模输入信号：,理想情况：ui1=ui2,在电路对称（或匹配）时，双端输出共模信号完全被抑制掉了；电路匹配性较差或从单端输出也能抑制共模信号。（恒流源动态内阻R0）,大小相等，极性相同,uC1=uC2,uo=0,ui1=ui2=uc,共模电压放大倍数：,（很小),由于恒流源动态内阻很大,故其具有很强的共模抑制能力。,电路的匹配精度越高，长尾电阻越大，差放抑制共模信号的能力越强。,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号.差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。,uo=UC1-UC2=0,uo=(UC1+uC1)-(UC2+uC2)=0,当ui1=ui2=0时：,当温度变化时：,长尾的作用：,TC,（2）R0对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于R0的负反馈作用，使IE基本不变）,ui1=-ui2，设ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2ie1=-ie2IE不变,（3）R0对差模信号相当于短路,3.主要指标计算,（1）差模电压增益,接入负载时,（双入、双出交流通路）,双入、双出,双入、单出,接入负载时,（双入、单出交流通路）,3.主要指标计算,（1）差模电压增益,单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同入,（2）共模电压增益,双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,单端输出,抑制零漂能力增强,共模输入时的交流通路,如果任意输入ui1、ui2同时作用,uC+ud/2,uC-ud/2,结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,带有源负载的射极耦合差分放大电路,1)RW取值应大些？还是小些？2)RW对动态参数的影响？3)若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。,差分放大电路的改进,加调零电位器RW,4.几种方式指标比较,4.几种方式指标比较,6.2.3FET差分式放大电路,1.电路组成,CMOS差分式放大电路,与共源电路相同,6.2.3FET差分式放大电路,2.差模增益,3.差模输入电阻,JFET差分式放大电路,6.2.4差分式放大电路的传输特性,图中纵坐标为,6.4集成电路运算放大器,6.4.1简单的集成电路运算放大器,6.4.2通用型集成电路运算放大器,6.4.1简单的集成电路运算放大器,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。,6.4.2通用型741集成电路运算放大器,简化电路,6.5集成电路运算放大器的主要参数,1.输入失调电压VIO,2.输入偏置电流IIB,3.输入失调电流IIO,4.温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO/T,（2）输入失调电流温漂IIO/T,5.最大差模输入电压Vidmax,6.最大共模输入电压Vicmax,7.最大输出电流Iomax,6.5集成电路运算放大器的主要参数,8.开环差模电压增益AVO,9.开环带宽BW(fH),10.单位增益带宽BWG(fT),11.转换速率SR,6.6模拟乘法器及其应用,模拟乘法器基本概念,模拟乘法器的应用,集成模拟乘法器,模拟乘法器是实现模拟量相乘的非线性电子器件,利用它可以方便地实现乘、除法、乘方和开方运算电路,广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。,6.6.1模拟乘法器的基本概念,图1模拟乘法器的符号及其等效电路,模拟乘法器有2个输入端，一个输出端，输入的两个模拟信号是互不相关的物理量，输出电压是他们的乘积。Uo=kuxuy,k为乘积系数（乘积增益或标尺因子），其值多为+0.1V-1或-0.1V-1,理想乘法器应具备如下条件：,1）ri1和ri2为无穷大,2）ro为0；,3）k不随信号幅值而变化，且不随频率而变化。,4）ux=0或uy=0时，uo为0,电路没有失调电压、电流和噪声,2分类,四象限乘法器：即两个输入端的电压极性均不受限制，均可正可负。,（1）按照输入电压极性限定标准分类,按照输入电压极性限定标准划分（如图所示），可分为:,单象限乘法器：两个输入端电压同正或同负，即只能在一个象限之中。,二象限乘法器：其中一个输入信号极性固定，另一个输入信号可正可负。,（2）按照构成乘法电路的内部结构形式分类,对数-指数乘法器,双平衡性乘法器,图示电路为上平衡性乘法器原理电路。图中，V1V6六只三极管组成三对对管，其中V3、V4及V5、V6集电极对应连接，V1、V2由电流源I提供偏置，即iC1+iC2I，根据三极管射极电流与发射结电压的关系可得,由对数-指数运算电路构成的乘法器。该类型的乘法器由于单象限的限制和精度上的问题，使用受到了限制。,式（1）和式（2）中th()为双曲正切函数。,（1）,（2）,双曲函数基本定义:,双曲正弦,双曲余弦,双曲正切,（6）,同样的推导可得：,（3）,（4）,（5）,输出电压uo为,由式（7-31）和（7-32）可得，,所以,当输入信号电压ux和uy远远小于2UT，则有：,该类型乘法器可四象限工作，但其不足之处在于两点：,信号电压要足够小；乘法系数里包含UT的平方，因此受温度影响较大。,两象限模拟乘法器,差分放大电路的差模传输特性是指在差模信号作用下，输出电压与输入电压的函数关系,跨导,由上式可得,3.电路只能工作在两象限,1.Uy的值越小，运算误差越大,2.Uo与UT有关，即k与温度有关,两象限模拟乘法器,（可控恒流源差分电路的乘法特性）,双平衡四象限变跨导型模拟乘法器,两象限模拟乘法器,乘积和乘方运算,除法运算电路,开平方运算电路,开立方运算电路,6.6.2模拟乘法器的应用,1乘积、乘方运算电路,(2)乘方、立方运算,将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运算电路，电路如图2所示。立方运算电路如图3所示。,模拟乘法运算电路如图1所示。,(1)相乘运算,图1相乘运算,图2平方运算电路,图3立方运算电路,2除法运算电路,除法运算电路如图4所示，它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的。根据运放虚断的特性，有：,图4除法运算电路,如果令K=R2/R1，则,在运算电路中，电路必须引入的是负反馈，才能保证正常工作。,即必须保证,电路引入才是负反馈,由于uo与ui反相，故要求u01与uo同相,因此，当模拟乘法器的K0时，,当模拟乘法器的K0时，,因为,应当有uY0,应当有uY0,所以有,显然，VO是-VI平方根。因此只有当VI为负值时才能开平方，也就是说VI为负值电路才能实现负反馈的闭环。图中的二极管即为保证这一点而接入的。,图5开平方电路,图5为开平方运算电路，根据电路有,3开平方运算电路,图6开立方电路,当VI为正值时，VO为负值，当VI为负值时，VO为正值。模拟乘法器还有许多其他应用。,图6是开立方运算电路，根据图中关系有:,4开立方运算电路,例题1已知图示电路中的集成运放均为理想运放，模拟乘法器的乘积系数k大于零。试求解电路的运算关系。,解：,图示电路为开方运算电路。,由虚短、虚断得,A2构成反相比例运算，得,所以有,即有,电路（b）实现一元三次方程。,解：,电路（a）实现求和、除法运算，,它们的运算关系式分别为,（a）,（b）,uN,求出图示电路的运算关系。,例题3,解：,A2构成反相器,解,正电压开平方电路,A1构成积分电路,A2构成开方电路,由iR1=iC得,由iR4=iR3得,为了使图示电路实现除法运算，（1）标出集成运放的同相输入端和反相输入端；,（2）求出uO和uI1、uI2的运算关系式。,例题6,解：,（1）为了保证电路引入负反馈，,(2）根据模拟乘法器输出电压和输入电压的关系和节点电流关系，,A的上端为“”，下端为“”,可得,所以,例题7设计一个求两数均方根电路，设输入信号电压、输出信号电压最大值均为10V，乘法器标度系数k=0.1或k=0.1。,根据题目要求，运算电路应该是由两个数的平方运算、求和运算和开平方运算组成即：,解：,反相加法运算,开平方运算,根据题目要求，运算电路应该是由两个数的平方运算、求和运算和开平方运算组成，,设计电路如图所示。从电路可知，,乘