电子科大课堂讲义模拟电路第5章课件

1、 第五章 模拟集成单元电路 5-1 概述 1、集成电路中的元器件特性（1）元器件相对误差小，绝对误差大；（2）电阻、电容数值有限；（3）无法集成电感；（4）制做器件比制做元件容易，且占用芯片面积最小；（5）NPN型管比PNP型管制做容易，且PNP管受限。 模拟集成电路中的几种单元电路5-2 恒流源一、电路功能（1）作各级的偏置电路（2）作有源负载2、集成电路特点（1）采用直接耦合方式（2）输入级电路采用差动放大电路以抑制零点漂移；（3）各级偏置电路采用电流源（恒流源）；（4）用有源负载代替电阻负载。二、恒流源模型和恒流源电路原理恒流源伏安特性曲线恒流源线性模型 实现恒流源的电路原理（1）固定基

2、流恒流源 此时ro0.5rce（2）固定发射结电压恒流源 此时rorce（3）加射极电阻的恒流源rorce 三、 模拟IC中的恒流源（实用恒流源电路）1、基本镜象恒流源（属于UBE固定的恒流源）电路形式IC2：恒流源提供的偏置电流IR： 参考电流推导IC2与IR关系：当 当不大时，IC2的镜象精度较差，可采用2、带共集管的镜象恒流源 IC2与IR关系：内阻 ro= rce2 为提高电流源ro 及减小基区宽度调制效应对电流精度的影响，改进电路为 3、微电流恒流源（IC2IR）电路形式推导IC2与IR关系式 4、比例电流源 电路形式 作业：5-1，5-25、作有源负载的恒流源电路形式等效电路交流通

3、路 练习1（单选）如图两电流间关系是（ ） （1）Io1Io2 （2）Io1Io2 （3）Io1Io2Io1Io2练习2（多选）电路（ ） （1）称为基本镜象恒流源 （2）称为比例恒流源 （3）Io=0.5mA （4）Io=1mA （5）Io=2mA比例恒流源；Io=0.5mA 练习3 电路中T1T3均为Si管，求IC1。（1） 解：T2、T3、Rr构成基本 镜象电流源，作有源负载。 IC2=IR 又IC1=IC2 IC1=IR由KVL：UBE3+IRRr=15+15练习4：设计一个微电流输出的电流源，若 VCC=15V，R=19k，要求输出电流IC2=10A，R2应选多大，若IC2=0.1m

4、A，R2又为多大？解：采用微电流源。 IC2=10-2mA,R2=11.2kIC2=10-1mA,R2=520 直接耦合放大电路最主要的问题是零点漂移，而且以第一级的零漂影响最大，为此IC在输入级采用差动放大电路以抑制零漂。5-3 差动放大电路抑制原理：（1）利用电路结构及元件参数的对称性；（2）利用发射极电阻的负反馈作用 来抑制零漂。一、差动放大电路特点和性能指标1、电路组成（长尾式差动放大电路）要求T1、T2参数对称，元件对称，电路对称。 差放电路有两个对地输入端（b1、b2）； 两个对地输出端（c1、c2）。 故有两种输入方式 单端输入：从一个输入端与地之间输入 双端输入：从两个输入端浮

5、地输入 两种输出方式 单端输出：从一个输出端与地之间输出 双端输入：从两个输出端浮地输出共有四种组合方式 双入双出：（a）图 双入单出：（b）图 单入双出：（c）图 单入单出：（d）图 2、差模信号与共模信号 定义差模信号： 一对大小相等、极性相反的输入信号。用uid表示差模输入电压，并设两管输入信号电压 分别为 us1、us2，它们为一对差模信号，即 uS1=uid1=uid ， uS2=uid2=-uid 。当 us1=-us2 即 定义共模信号： 一对大小相等、极性相同的输入信号。用uic表示共模输入电压，当us1=us2=uic时，为一对共模信号。对任意两输入信号us1、us2（uS1

6、uS2），可认为它们是某差模信号分量和某共模信号分量的组合：从而解出差模输入电压分量：共模输入电压分量： 图（a）共模输入（并联输入） （b）差模输入（双端浮动输入）方式。（2）差模输入电阻（1）差模电压增益 分为Aud（双出），Aud（单出）3、差动放大电路性能指标（3）共模电压增益（4）共模输入电阻（5）共模抑制比 二、差动放大电路的分析方法和工作特点1、静态Q点求解(us1=us2=0) 由IEUCE （或UC）由于电路对称,元器件对称，故两管对应的电流电压对称,只需对半边电路列方程求解。（1）画出直流通路，标出各管电流、电压；（2）对一半电路(直流通路)列电路方程求解。uS1=uS2=

7、0（不作用）工程估算法：若令UB1=0 ，则UE1=-UBE ，可直接求出上式。对输出回路： UCE1=UCE2=UCC+UEE-IE(RC+2Rcm) 或 UC1=UC2=UCC-ICRC由输入回路当 2、动态特性分析（1）对差模信号的放大特性 差模输入电压Uid 加在两管输入端（双端输入）,两管各分得一大小相等、极性相反的差模信号。公共电阻Rcm、RL对差模信号的等效：Uid引起两管电流、电压的变化是大小相等，极性相反（a）Rcm对差模信号短路； （b）交流地电位在RL处。 得差模等效电路（VEE、VCC对信号短路）差模电压放大倍数Aud（双出）=Au（半） 由半边小信号等效电路 = Au

8、d（双出）Au（半）=Rod（双出）=2RC差模半边等效电路对单端输出Au（半）=Aud（单出）= =Au（半） 若从C2单端输出，仅Aud（单出）改变符号，其余均不变。结论：差动电路对差模信号的放大能力强。c1 （2）对共模信号的抑制特性公共电阻Rcm、RL对共模信号的等效：共模信号引起两管电流、电压增量的大小、极性相同，（a）Rcm对共模信号相当于2Rcm； （b）RL两端等电位（电压为零）。 故双端输出的共模信号为零，利用对称性抑制了共模信号。AC（单出）的求解先画共模交流等效电路（VCC 、VEE仍为短路处理）： 再画共模半边等效电路AC（单出）=可见由于2Rcm的存在，使Au（单出）

9、很小，即抑制了单端输出的共模增益。归纳：差动放大电路依靠对称性抑制了双端输出的共模信号，依靠发射极电阻Rcm抑制了单端输出的共模信号。 3、差放电路能放大有用信号而抑制零点漂移的原因 由于差放电路能区别对待差模信号（放大） 共模信号（抑制），故放大有用信号要以差模方式输入（对地浮动输入）或者单端输入；而零点漂移可等效为共模信号输入。 共模抑制比（KCMR）是专门表征差放电路这一性能的指标，其值越大，差放电路性能越好。 差放电路正是利用比单管电路多一倍的元器件为代价，换来了抑制零点漂移的能力。1、抑制原理 电路区别对待差模、共模信号（有用信号、零漂）， 利用对称性和射极电阻抑制零漂。小结Au（半

10、）=或Au（半）=（1）画出差模等效电路（VCC、VEE、Rcm短路）；（2）画出对应差模半边电路的小信号等效电路；（3）根据输出（双出、单出）写出Au（半）定义式并求解； 2、差模增益Aud的求解（4）根据Aud（双出）、Aud（单出）定义式与u（半）的关系求出Aud。对Aud（单出）符号的确定方法：同一管输入、输出时，Aud（单出）为负；不同管输入、输出时， Aud（单出）为正。（1）画出共模等效电路 （VCC、VEE短路，各管射极电阻为2Rcm）；（2）画出对应的共模半边小信号等效电路；（3）求解此时的Au（半）；（4）Auc（单出）=Au（半）且符号与输出端无关。2、共模增益Auc（单

11、出）的求解（KCMR）（3）Ui1=5mV，Ui2=1mV时从c1输出的电压Uo1；（4）接射极调零电位器（Rw=200欧）滑动端在中间位置时的Ad（单）。Ui1、Ui2为一对差模输入信号，求下列问题： (1)求Ad（双出）； (2)从c1输出时的Ad（单出）；例题： 已知RSRS解：(1) Ui1=Uid ，Ui2=-Uid Uid=Ui1-Ui2 Aud(双出)=Au(半)RSRS若从C2单端输出，则Ad(单出)变号。 (2) Ad(单出) RSRSUo1AC(单出)= RSRS(3)此时为任意输入，将Ui1、Ui2分解， Uid=Ui1-Ui2=5-1=4mV； Uic=(Ui1+Ui2

12、)=3mV； Uoc(单出)=Uoc1+Uod1=Ac(单出)Uic+Ad(单出)Uid =(-0.732) 3+(-83.3) 4=-335.4mV =-0.335V共模抑制比（4）此时电路为差模半边小信号等效电路差模半边小信号等效电路=A(半)Ad(单出)=5-4 功率输出级实用放大电路一般结构框图 工作任务 放大电压信号 放大信号功率工作范围 小信号 大信号分析方法 微变等效电路法 图解法或折线模型管子工作状态 甲类 甲乙类 分析内容 Au、Ri、Ro Pom、效率、PCM、 及频率响应 BUCEO、及失真度 比较： 电压放大器 功率放大器1、特点（1）要求输出功率Po尽可能大Pomax

13、（2）具有较高效率一、功率放大器的特点、指标和分类（3）尽量减小非线性失真（4）保证功放管使用安全和采取散热措施 要求：PcmaxPCM ；UCEmaxBUCEO ；IcmaxICM 2、功率放大器的分类按功放管静态Q点位置可分为：甲类 乙类 甲乙类 丙类甲类：Q点选在输入特性曲线直线部分，在Ui整个周期内，管子处于导通。 缺点：效率低（理想的omax50%）。 乙类：Q点选在输入特性截止点，只在Ui正半周 管子导通。效率max78.5%甲乙类：Q点选择比乙类稍高、低于甲类位置，在Ui大半个周期管子导通。丙类：Q点选在输入特性截止点左边，只在Ui正半周部分时间内管子导通。四种工作状态中，甲类功

14、放的效率最低，丙类最高。三极管的静态电流造成了电路静态时的管耗，是影响电路转换效率的主要因素。管子导通时间越短，管子的功耗越小。丙类用于高频大功率放大电路，而低频功率放大电路常用乙类或甲乙类。功率放大电路的主要作用：向负载提供足够大的功率，电源的利用率高，而不要求有很高的电压放大倍数；具有较低的输出电阻以增强带负载能力；有较高的输入电阻以减小对前级电路电压放大倍数的影响；低频功率放大电路的引出采用共C组态的放大电路、乙类偏置状态构成的互补对称电路可实现上述要求。二、双电源互补推挽乙类功率放大器1、 原理性电路 电路形式 要求：T1、T2为参数对称的异型管（特性互补）静态时 Ue=0每管为共C组

15、态工作原理：Ui正半周Ui0.6V时，T1导通，T2截止， Uo=iE1RL0（正半周）；Ui负半周Ui-0.6V时，T2导通，T1截止， Uo=-iE2RL0（负半周）；故输出合成一完整正弦波形。ui正半周T1导通Ui负半周T2导通无论T1 或 T2 导电，放大电路均工作在射极输出器状态，故输出电阻低（带负载能力强），输入电阻高（对前级影响小）。电路缺点：存在交越失真。改进：T1、T2管由零偏（乙类）微导通(甲乙类)2、实用双电源互补推挽功放电路（OCL电路） 即output capacitorless：无输出电容的功放电路 电路特点： (1)有偏置电路(R,D1,D2) (2)两组直流电源

16、供电， (3)静态时UE1=UE2=0 UCE1=UCC=UEC2 提供功放管微导通的偏置电路形式有多种,3、功放电路交流指标估算(图解分析法)（按乙类状态分析，对甲乙类仍适用）输出功率Icm：流过Rl电流振幅Uom：RL上的电压振幅最大不失真输出功率满激励时，UomUCC-UCES；Icm=(UCC-UCES)/RL两电源提供(消耗)的最大功率效率乙类功放输出幅度越大，越高。即理想情况下最大效率满激励时，IcmVCC / RL，=max最大平均管耗（每只）4、功放管的选择(1)当电路指标一定， 选管应： (2) 当管子选定，电路设计 应遵循：三、单电源互补推挽功放电路（OTL功放） 电路特点

17、：（1）单电源供电 （2）射极接大电容 （3）静态UE1=UE2=UCC UCE1=UCE2=UCC 交流指标的估算：只要用UCC代替OCL电路中有关公式中的UCC，就可得到相应的OTL功放指标。例1 OCL、OTL电路如下，设EC=20V，RL=16欧 UCES=2V，分别估算两电路最大输出功率Pomax。OCL电路较OTL电路应用更广，集成电路中的功放电路均采用OCL电路；相同的电路参数OCL电路的Pomax大于OTL的 Pomax。对比 OCL OTLPom PV UBR(CEO) 2VCC VCC ICM VCC/RL VCC/2RL故当Po=41%Pomax时，管耗最大，结温最高。题

18、5-11解：（1）管耗最大发生在时，（3）由Pomax公式，使用4欧负载输出功率大。 故增加功率为0.21Pomax ，即210/0Pomax。（2）已知U CC=1.1UCC， 练习 互补对称功放电路为（ ）电路，T1为（ ）管，T2为（ ）管，T1、T2为（ ）极输出，每管Ucemax=（ ）V，电路 Pomax=（ ）W，两管工作在（ ）类工作状态，选管应满足 PCM（ ）W，BUCEO（ ）V，ICM（ ）A复合管（达林顿管）：是由两只或两只以上管子连接 在一起组成。采用复合管可提高管子值及改变管子类型。复合管的：为两管的乘积=12 类型：由前面管子类型决定； 功率：由后面管子功率决定；四、复合BJT及准互补功放电路内部电极相连处不能有电流流向的冲突；外电流必须为两电极电流之和；复合功放管时，小功放管在前，大功放在后。复合原则：(1)同类型管复合举例(2)不同类型管复合举例例1 四种复合管中,()不合理，标出合理复合管的类型及各极。解： (a)IE1与IB2方向矛盾，该复合不正确。 (b)合理，为PNP型管，各极与前面管子各极对应。(c) IC1与IB2方向矛盾，不正确。(d) 从外电流要求可判定电流不合理,复合不正确。例2 四种复合管中，（）不合理，标出合理复合 管的类型及各极。解：图(c)(d)不合理，(a)为NPN型；(b)为PNP型。复合管的电流放大倍数、