模拟电子第11讲第六章集成电路新

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6.7 放大器中的噪声和干扰放大器中的噪声和干扰集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路简称集成电路简称 IC ( (Integrated Circuit) )集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模

2、拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模或模模或模/数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式4.1.1集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点一一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。对称性好，适用于构成差分放大电路。二二. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几

3、集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。三三. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替代替电阻电阻( (特别是大电阻特别是大电阻) )。四四. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。电路通常采用直接耦合电路方式。五五. 集成电路中的集成电路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差别较大值差别较大,常采用复合管的形式。常采用复合管的形式。一、输入级一、输入级差分电路，大大减少温漂。

4、差分电路，大大减少温漂。二、中间级二、中间级采用采用有源负载的共发射极电路，增益大。有源负载的共发射极电路，增益大。三、输出级三、输出级 互补对称互补对称 电路，带负载能力强电路，带负载能力强四、偏置电路四、偏置电路 电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+ uo uid集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图图 4.1.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成集成运放的电压

5、传输特性集成运放的电压传输特性图 4.1.2集成运放的符号和电压传输特性uO= f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端分别为同相输入端集成运放的两个输入端分别为同相输入端u uP P和反向输入端和反向输入端u uN N。电压传输特性电压传输特性输出电压与其两个输入端的电压输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即之间存在线性放大关系，即)(odONPuuAu集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOM

6、UOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM6.1 模拟集成电路中的模拟集成电路中的直流偏置技术直流偏置技术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6.1.1 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= IIT T1 1、T T2 2的参数全同的参数全同 即即12，I

7、CEO1ICEO2 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 RVRVVCCBECC代表符号代表符号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动态电阻动态电阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上ce r 6.1.1 BJT电流源电路电流源电路2. 微电流源微电流源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻

8、 ）oR 改进型电流源电路改进型电流源电路问题：基本电流源电路在问题：基本电流源电路在 很小时，很小时， IR和和 IC2相差很大。相差很大。为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。电流源电路进行改进。一、加射极输出器一、加射极输出器 的电流源的电流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB 由于增加了由于增加了T3，使，使IC2更更加接近加接近IREF（如何证明）（如何证明）缺点：缺点： 1. 受电源波动影响大；受电源波动影响大； 2.电流最低

9、至电流最低至mA级。级。I IC2C2=I=IC1C1=I=IREFREF-I-IB3B3=I=IREFREF-I-IE3E3/(+1)/(+1)REFREFCCREFBIIIIIII) 1(11) 1(212222REF如10 IC2=0.982 IREF 增加电阻Re2目的是使IE3增大。图图4.2.4加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2多路电流源多路电流源电路图电路图公式推导公式推导IC= IE IREF- IB/(+1)当当较大时较大时IC=IREF由于各管的由于各管的， UBE相同，相同，IEREIREFRE=IE1RE1=IE

10、2RE2=IE3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以所以T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3ICTIBRIREFVCCT0ReIE图图4.2.6基于图基于图4.24的多路电流源的多路电流源6.1.2 FET电流源电流源1. MOSFET镜像电流源镜像电流源当器件具有不同的宽长比时当器件具有不同的宽长比时RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （ =0=0）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1. MOSFET镜像电流源镜像

11、电流源2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，且工作在放大区，当且工作在放大区，当 =0时时，输出，输出电流为电流为 常用的镜像电流源常用的镜像电流源 6.1.2 FET电流源电流源2. MOSFET多路电流源多路电流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 6.1.2 FET电流源电流源3. JFET电流源电流源end(a) 电路电路 (b) 输出特性输出特性 4.1 结型结型场效应管场效应管4(5).1.

12、2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIiVP1. 输出特性输出特性 6.2 差分式放大电路差分式放大电路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6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构1. 用三端器件组成的差分式放大电路用三端器件组成的差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路

13、的一般结构2. 有关概念有关概念i2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号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 =vvvvvvvAA 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=vvAAK6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构2. 有关概念有关概念根据根据2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vv

14、v )(21=i2i1icvvv 有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。号大小相等，相位相反。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静态静态OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)

15、V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号， i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，大小相等， 0O2O1o vvv信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理2. 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 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。 iC1 iC2 温度温度

16、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。所以，即使电路处于单端输出所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂方式时，仍有较强的抑制零漂能力。能力。 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差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用3. 主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时接入负载时i1o122vv becrR beLcd

17、)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（1）差模情况）差模情况 双入、单出双入、单出 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入负载时接入负载时beLcd2)|(=rRRA v3. 主要指标计算主要指标计算（1）差模情况）差模情况 单端输入单端输入eorr 等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双指标计算与双端输入相同。端输入相同。3. 主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出 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。

18、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 单端输出单端输出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA3. 主要指标计算主要指标计算（2）共模情况）共模情况（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 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicid

19、d1o1vvvvvKA （4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态静态 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE56.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路差分式放大电路6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4.1 CMOS MC14573集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4.2 BJTLM741集成运算放大器集成运算放大器6.4.1 CMOS MC145

20、73 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1. 电路结构和工作原理电路结构和工作原理2. 电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDOREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根据各管子的宽长比根据各管子的宽长比 ，可求出其他支路电流。，可求出其他支路电流。(2)(2)小信号分析小信号分析2idgs1vv 2idgs2vv 设设 gm1 = gm2 = gm )|)( )|(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则则)|()|)(2(

21、)2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2. 电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算)|)(4o2o2d1drrii )|(ds4ds2mido21rrgAv vv输入级电压增益输入级电压增益 (2)(2)小信号分析小信号分析2. 电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算总电压增益总电压增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7 | rds8) 第二级电压增益第二级电压增益 将参数代入计算得将参数代入计算得 Av = 40804.8（ 92.2 dB ）6.4.2 BJTLM741集成运算放大器集成运算放大器原理电路

22、原理电路 简化电路简化电路end6.4.2 BJTLM741集成运算放大器集成运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响参数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6.5.1 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）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

23、偿电压叫做失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两个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

24、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（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

25、 (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 实际集成运放的主要参数实

26、际集成运放的主要参数共模特性共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放一般通用型运放KCMR为（为（80120）dB，高精度运放，高精度运放可达可达140dB，ric100M。 2. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。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大信号动态特性大信号动态特性1. 转换速率转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即输出电压对时间的最大