第6章-模拟集成电路

1、6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路 的影响的影响6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.6 变跨导式模拟乘法器变跨导式模拟乘法器第第6 6章模拟集成电路章模拟集成电路模拟集成电路及其模拟集成电路及其特点特点2、按功能分类、按功能分类：数字集成和模拟集成电路。数字集成和模拟集成电路。3 3、常用模拟集成电路：、常用模拟集成电路： 运算放大器、功率运算放大器、功率 放大器、放大器、宽

2、频带放大器、模数和数模转换器宽频带放大器、模数和数模转换器 、其他模拟电路等。、其他模拟电路等。4 4、模拟集成电路的、模拟集成电路的特点：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）电路结构与元件参数具有对称性（温度均一、特性对称）2）用有源器件代替无源器件（如用）用有源器件代替无源器件（如用电流源电流源电路电路代替代替Re、Rc）3）采用复合结构的电路（用复合管等组合电路）采用复合结构的电路（用复合管等组合电路）4）输入级采用）输入级采用差分放大电路差分放大电路,级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式.1、集成电路：集成电路：把整个电路中的元件都制作在一块硅基片上，把整个

3、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。构成特定功能的电子电路。它体积小，性能好。它体积小，性能好。6.1.1 BJT电流源电路电流源电路6.1.2 FET电流源电流源1. 镜像电流源镜像电流源2. 微电流源微电流源3. 高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源4. 组合电流源组合电流源1. MOSFET镜像电流源镜像电流源2. MOSFET多路电流源多路电流源3. JFET电流源电流源6.1 模拟集成电路中的模拟集成电路中的直流偏置直流偏置技术技术如何设置静如何设置静态工作点态工作点电流源电路及其特点电流源电路及其特点电流源电路的特点电流源电路的特点： 输出电流恒定输出电流恒定,

4、,具有很高的输出电阻具有很高的输出电阻。电流源电路的用途：电流源电路的用途：1、给、给直接耦合放大器的直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，使各级电路提供直流偏置电流，使Q点稳定。点稳定。2、作各种放大器的、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。有源负载，以提高增益、增大动态范围。3 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。、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 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。、电流源还可单独制成稳流电源使用。 6.1.1 BJT电流源电路电流源电路1. 镜像电流源镜像电流源BE1BE2=VVE1E2= IIC1C2= I

5、IT T1 1、T T2 2的参数全同的参数全同 即即12，ICEO1ICEO2 当当BJT的的较大时，基极电流较大时，基极电流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符号代表符号6.1.1 BJT电流源电路电流源电路e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV 由于由于很小很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。2. 微电流源微电流源6.1.1 BJT电流源电路电流源电路T1、R1 和和T4支路产生基准电流支路产生基准电流IREF1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5构成镜像电流源构成镜像电流源T1和和

6、T3，T4和和T6构成了微电流源构成了微电流源3. 组合电流源组合电流源1. MOSFET镜像电流源镜像电流源RVVVIIIGSSSDDREFD2O ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源电流源当当VDD、VSSR确定后确定后,Io为为恒定的。恒定的。(b) 输出特性输出特性(a) 电路电路6.1.2 FET电流源电流源 2.JFET电流源电流源6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路6.2 差分式放大电路差分式放大电

7、路 零点漂移问题零点漂移问题指输入信号电压为零时，指输入信号电压为零时， 输出电压发生缓慢地、输出电压发生缓慢地、 无规则地变化的现象。无规则地变化的现象。uotO晶体管参数随温度变化、电源电压波动、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。电路元件参数的变化。. 直接耦合带来的两个问题：直接耦合带来的两个问题： 前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响. 问题的提出：问题的提出：直流（变化很慢）信号放大直流（变化很慢）信号放大和和直接耦合方式直接耦合方式，采用温度补偿采用温度补偿采用采用 差分放大器是由两个特性基本相同的三极管差分放大器是由两个特性基本相同的三极管(

8、(或或MOSMOS管管) )组成，两边电路及其参数也组成，两边电路及其参数也对称对称（两输入端、两输出端）（两输入端、两输出端）。 对对差模信号差模信号有较强的放大有较强的放大作用；对作用；对共模信号共模信号有较强的抑制。有较强的抑制。 两种输入、输出方式：两种输入、输出方式：双双/双双; 双双/单单; 单单/双双; 单单/单。单。这是何种电路这是何种电路？有？有IB吗？吗？i2i1id=vvv 双端差模输入电压：双端差模输入电压：)(21=i2i1icvvv 共模电压：共模电压：idod=vvv A差模电压增益差模电压增益icoc=vvv A共模电压增益共模电压增益icciddooo =vv

9、vvvvvAA 总输出电压总输出电压其中其中ov 差模信号产生的输出差模信号产生的输出ov 共模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比：共模抑制比：反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK3、 有关概念有关概念vi1=vi2=vid/2每端差模输入电压：每端差模输入电压：综合之综合之,输入输出输入输出都要考虑差模与都要考虑差模与共模两个分量！共模两个分量！根据根据2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有有 共模信号共模信号即两个输入端信即两个输入端信号中号中相同的部分相同的部分 两输入端中的两输入端中的

10、共模信号共模信号大小相等，极性相同大小相等，极性相同；两输入两输入端中的端中的差模信号大小相等，极差模信号大小相等，极性相反。性相反。 差模信号差模信号即两个输入端信即两个输入端信号中号中不同的部分不同的部分3. 有关概念有关概念差模信号和共模信号差模信号和共模信号 是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相反相等，极性相反的信号。的信号。 是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相同相等，极性相同的信号。的信号。Oui1tui2Ot图 5-1-3 共模信号直流信号交直流信号共模信号共模信号Ot直流信号交直流信号Oui2tui1差模信号差模信号1. 电路组成

11、及工作原理电路组成及工作原理6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路两边电路参数完全两边电路参数完全对称：对称： T T1 1=T=T2 2, R, Rc1c1=R=Rc2c2， 1 1= = 2 2两个输入端两个输入端,两个输出端两个输出端,两个直流电源，两个直流电源，共用一个有源负载（共用一个有源负载（或或Re）6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理OCC2C121=IIII CE2CE1= VVEcCVRIV )(2CC)V7 . 0(c2CCC RIVIIICB2B1 静态分析静态分析22ECVV ？当当输输入

12、信号为零时，即入信号为零时，即vi1 = vi2 =0vo=vo1vo2VC1VC2=0若若vi1vi2 0，vo=?vc1和和vc2怎么变化怎么变化？vo=0； vc1、vc2变化趋向和大小都相同。变化趋向和大小都相同。., i2i1极极性性相相反反大大小小相相等等和和即即vv021 ccvvvvvo2o1o， 信号被放大。信号被放大。1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理动态分析动态分析iB1和和iB2，iC1和和iC2，vc1和和vc2变化变化极性极性相反相反，大小相同。，大小相同。仅输入差模信号：仅输入差模信号： 温度变化和电源电压波温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产动，都

13、将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相生变化。且变化趋势是相同的，同的， 其效果相当于在两个其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。输入端加入了共模信号。2. 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 iC1 iC2 温度温度 iC1 iE1 iC2 iE2 这一过程类似于分压式射这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。极偏置电路的温度稳定过程。 vE （vB1、vB2不变）不变） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 2. 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理结论：差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用结论：差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用 所以，即使电路处于单端所以，即使电路处于单

14、端输出方式时，仍有较强的抑制输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。零漂能力。 （1）差模情况）差模情况 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时接入负载时i1o122vv becrR beLcd)21|(=rRRA v以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出3. 主要指标计算主要指标计算为什么是为什么是半个半个RL？恒流源为何恒流源为何不用画出？不用画出？（1）差模情况）差模情况 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入负载时接入负载时beLcd2)|(=rRRA vve=0，VE=0.7V 双入、单出双入、单

15、出注意注意RL！（1）差模情况）差模情况 故放大倍数等效于双端输故放大倍数等效于双端输入入Av计算与双端输入相同。计算与双端输入相同。 ro可看作可看作 ，vi1被均被均分到两输入端。分到两输入端。 单端输入单端输入vi1 = vid, vB1 vBE1 iB1 vE vE2 vBE2 = vid /2 vBE2 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出ve=iero=2ie1ro；故相当于在两边射极故相当于在两边射极接了接了2ro的

16、电阻的电阻。icoc1c1vvv A单端输出单端输出,只要只要ro大，大，抑制零漂能力也强。抑制零漂能力也强。icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA（2）共模情况）共模情况 单端输出单端输出（3）共模抑制比）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 双端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMRK单端输出单端输出beovcvdrrAAK 11CMR. CMR强强越越大大，抑抑制制零零漂漂能能力力愈愈K单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频

17、可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。试画出差放电路试画出差放电路的差模输入情况的差模输入情况下的频率特性下的频率特性ve 和和 ro 的几种情况下的处理的几种情况下的处理1.双端差模输入：双端差模输入：vi1=vi2 ve = 0，ro = 0。2.单端输入：单端输入：vi1=vid，vi2=0 ve 0，ro = 。3.共模输入：共模输入：vi1=vi2， ve 0，ro 2 ro 。VDAVCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输

18、出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出4. 几种方式指标比较几种方式指标比较双入双入单入单入关于输入电阻，输出电阻关于输入电阻，输出电阻 besid2rRR共模输入电阻共模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，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是是基本放大电路的两倍。基本放大电路的两倍。Ri viii 又vidvi1vi22vi 则coRR 单端输出时：单端输出时： co2 RR双端输出时双端输出时：差模输入电阻差模输入电阻 Ric viciic =vi/2ib， 又又iicib1ib22ib1 Ric = (rbe+2 ro)/2输出电阻输出电阻 idRicR

19、oR4. 几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR6.4.1 CMOS MC14573集成电路集成电路 运算放大器运算放大器(不讲）不讲）6.4.2 BJT LM741集成运算放大器集成运算放大器6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成电路运算放大器框图集成电路运算放大器框图 集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电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。阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。运算放大器方框图运算放大器方框图

20、1.输入级输入级 使用高性能的差分放大电路，它必须对共模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。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（偏置（电流源电流源）电路）电路 提供稳定的几乎不随温度而变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。化的偏置电流，以稳定工作点。 3.输出级输出级 由由PNP和和NPN两种极性的三极管或复合管组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。阅功率放大器。 2.电压放大级电压放大级 要

21、提供高的电压增益，以保证运放的运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。高增益放大器。原理电路原理电路 6.4.2 BJT LM741集成运算放大器集成运算放大器图图6.4.3 LM741简化电路简化电路 P283输入级输入级直流直流偏置偏置中间级中间级输出级输出级uu+ uo 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端 uo通用符号：通用符号：国内符号：国内符号：同相输入端同相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相同该端输入信号变化的极性与输出端相同反相输入端

22、反相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端相反该端输入信号变化的极性与输出端相反1.1.集成运算放大器符号集成运算放大器符号运运算算放放大大器器外外形形图图6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题6.5 实际集成运算放大器的主要参数实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）1. 输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运

23、）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为。一般约为（110）mV。超低失调运放为（。超低失调运放为（120） V。高精度运放。高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 mV。2. 输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。6.5.1 实际集成运放的主要参

24、数实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）输入直流误差特性（输入失调特性）3. 输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电流输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 一般约为一般约为1 nA0.1 A。 4. 温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO / T（P-286）（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO / T6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性1. 开环差模电压增益开环差模电压增

25、益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益Avo开环带宽开环带宽BW (fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG (fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 6.5.1 实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性2. 差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro0.05。3. 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6.5.1 实际集成运放