第6章潘模拟集成电路ppt课件

1、第六章第六章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器它体积小，性能好。它体积小，性能好。2、按功能分类：数字集成和模拟集成电路。、按功能分类：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、宽频带放大器、运算放大器、宽频带放大器、 功率功率 放大器、模拟乘法器、模拟琐相环、模数和数模转放大器、模拟乘法器、模拟琐相环、模数和数模转换器换器 、及其他模拟电路等。、及其他模拟电路等。4 4、模拟集成电路的特点：、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）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、电容用无

2、源器件用有源器件代替电阻、电容用PN结实现）结实现）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级间采用直接耦合方式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。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，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。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、给

3、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。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。、作各种放大器的有源负载，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。 4 4、用、用PNPN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，温度影响小。结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，温度影响小。3 3、电流源电路一般都加有电流负反馈。、电流源电路一般都加有电流负反馈。2 2、常用的电流源电路有：镜像电流源、精

4、密电流源、微电流源等、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 1、BJTBJT、FETFET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性受工作在放大状态时，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。控电流源；由它们都可构成电流源电路。三极管三极管T1、T2匹配，匹配， 镜像电流源其中：基准电流其中：基准电流 是稳定的，故输出电流是稳定的，故输出电流 也是稳定的。也是稳定的。I2CIR,22RCII 时，当RVVIBECCR且 IC2和IR是镜像关系。 21BEBEBEVVV21BCRIII21 则则：BCII22 )21 (2CI1 1、镜像电流源、镜

5、像电流源I I2 2I IC C2 2C C2 2 精密镜像电流源精密镜像电流源精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其镜像精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其镜像精度提高了精度提高了 倍。倍。 精密电流源 电路中增加了电路中增加了T3 管，管，IIIIBREFCC312 312 IIBREF IB3 比镜像电流源的2IB小3倍。因此IC2和IREF之间的镜像精度提高了 倍。31 3333121 IIIBEB2 2、微电流源、微电流源 微电流源电路微电流源电路, ,接入接入Re2Re2电阻得到一个比基准电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流小许多倍的微电流源，适用

6、微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。集成放大器的前置级中。 微电流源微电流源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。222eBEECRVIIVBE很小很小 多路电流源多路电流源 通过一个基准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稳定多个三极管的工作点电流流IC1、IC2，即可构成多路电流源。，即可构成多路电流源。例例6.1.1 已知各已知各BJT的参数的参数、VBE数值相同，求多路电流源数值相同，求多路电流

7、源电路中的各电流源电路中的各电流源IC1 、 IC2 、 IC3 与基准电流与基准电流 IREF的关系的关系式。式。解：解：/BREFCIIIREFCIIeREFeERIRI11eERI22eERI33eERI,111eeREFECRRIII,222eeREFECRRIII333eeREFECRRIII当当IREF确定后，改变各确定后，改变各Re的阻值，就能获得不同比例的输出电的阻值，就能获得不同比例的输出电流。流。当较大时，由于各管的由于各管的、VBE相同，相同，IB0=IE0/=IB/ 3. 3. 电流源用作有源负载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

8、静态电阻小：静态电阻小： 易配置静态工作点。易配置静态工作点。2动态电阻很大：动态电阻很大： 可提高放大器的大倍数。可提高放大器的大倍数。uotO 前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响, ,需统一考虑需统一考虑1. 问题的提出：问题的提出：直流信号、直流信号、 直接耦合、直接耦合、直流放大器直流放大器解决方法：解决方法： 采用温度补偿采用温度补偿采用差分放大电路采用差分放大电路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大能力，对共模信号不

9、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。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 = vid共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。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6.2.16.2.1基本差分放大电路基本差分放大电路差分放

10、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。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，021iivv静态分析静态分析动态分析动态分析当输入信号为零时，即当输入信号为零时，即0=2/21CCCCCE0C21 CCoBECCvvvVRIVVIIii这时，这时，由于电路完全对称。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，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，时时，即即2/21idiivvv 一管电流增加，另一

11、管电流减小，所以一管电流增加，另一管电流减小，所以021CCovvv即在两个输出端有信号电压输出。即在两个输出端有信号电压输出。2. 抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理零点漂移零点漂移 当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。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当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等（两管变化量相等） 在直接耦合多

12、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、计算beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 双端输入、单端输出双端输入、单端输出:beCVDVDrRAA2211加负载电阻加负载电阻RL:beLVDrRA2/LCLRRR 式中： 差分放大电路有两个输出端差分放大电路有两个输出端集电极集电极C1C1和集电极和集电极C2C2。 若信号从若信号从C1 C1 和和C2C2输出，则称为双端输出，则称为双端输出，反之，若信号仅从集电极输出，反之，若信号仅从集电极 C1C1或或C2 C2 对地输出，则称为单端输出。对地输出，则称为单端输出。双端输入、双端输出

13、双端输入、双端输出:（1差模电压增益差模电压增益单端输入时的差模电压增益：单端输入时的差模电压增益：单端输入：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。电压增益计算与双端输入时相同。beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 单端输入、单端输出单端输入、单端输出:beCVDVDrRAA2211单端输入、双端输出单端输入、双端输出:差模输入电阻输出电阻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

14、大电路的两倍。besid2rRR输出电阻：输出电阻： 单端输出时，单端输出时， 双端输出时，双端输出时， coRR co2RR uod1RsB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1输入电阻：输入电阻：（1双端输出时：双端输出时：021vvvicococvcA（2单端输出时：单端输出时：oCobeCicocvcrrRrRvvA22111 共模电压增益越小，放大电路的性能越好。 r0 r0 越大，则越大，则Avc1Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。越小，抑制共模信号的能力越强。（2 2共模电压增益共模电压增益 AvcAvc（3 3共模抑制比共模抑制比 KCMR KCMR ：cdCMRvvAA

15、KdBlg20cdCMRvvAAK（2单端输出时共模抑制比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双端输出时双端输出时KCMR为无穷为无穷大大beovcvdCMRrrAAK11或：或：oCvcrRA21beCVDrRA21 由：由：和和例例2：80V.VBE20mA.RRVVIIEECCRCQ247524234mA.IIICQCQCQ122421VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121krce50 一、估算一、估算Q点：点：二、动态分析：二、动态分析：kbeIrEQ3 . 11

16、 . 2268030026130012, 1 等效的发射极耦合电阻等效的发射极耦合电阻REE比例式电流源的输出电阻比例式电流源的输出电阻krRRceoEE405050811444例例2：480250813155338021./.RrRAWbeLvd 1.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两臂的差模信号电流大小相等、方向相反，同小相等、方向相反，同时流过时流过T4 时抵消，使时抵消，使T4 无差模电流、也无差模无差模电流、也无差模电压，电压，T4、 R1 可视作可视作短路或开路），短路或开路），这里作短路处理；对

17、于这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。：两臂各分一半。k.RrRWbeid656025081312212k.RRco662画差模信号通路：画差模信号通路：例例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，因而，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：已算得共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源电流源的输出电阻等效的的输出电阻等效的REE为为4050k。1.双出双入或单入）：双出双入或单入）：共模信号通路共模信号通路AAKVVAvcvdCMRicocv

18、c, 0MRrREEbeic656405028121例例2： 2. 单出-（双入或单入）： （1差模特性： 差模信号通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvdkRrRWbeid3 . 3025. 0813 . 121k.RRco33例例2： 2. 单出-（双入或单入）： （2共模特性000304050211332./.RRvvAEELicocvc105100030530.AAKvcvdCMRdBog10020105集成电路运算放大器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。运算放大器方框图运算放大器方框图

19、 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。例例6.3.1和第和第6.3.2节的内容偏难，不作为基本要求节的内容偏难，不作为基本要求另举例说明集成运放内部结构另举例说明集成运放内部结构T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T

20、4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构举例）集成运放内部结构举例）第第1级：差动放大器级：差动放大器第第2级：差动放大器级：差动放大器第第3级：单管放大器级：单管放大器第第4级：互补对级：互补对称射极跟随器称射极跟随器极性判断极性判断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美国符号：美国符号：国内符号：国内符号：集成运算放大器符号集成运算放大器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反相输入端: 该端输入信号变化的极性与输出端

21、相反该端输入信号变化的极性与输出端相反运运算算放放大大器器外外形形图图本章结束本章结束 1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。 理想运算放大器的条件2.差模输入电阻差模输入电阻Rid=，实际上，实际上Rid比输入端外电路比输入端外电路的的 电阻大电阻大23个量级即可。个量级即可。3.输出电阻输出电阻Ro= 0，实际上，实际上Ro比输入端外电路的电阻比输入端外电路的电阻 小小12个量级即可。个量级即可。 4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。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。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