模拟集成电路解析课件

1、模拟集成电路解析模拟集成电路解析6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1 BJT电流源电路6.1.2 FET电流源1. 镜像电流源2. 微电流源3. 高输出阻抗电流源4. 组合电流源1. MOSFET镜像电流源2. MOSFET多路电流源3. JFET电流源6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1 BJT电6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源T1、T2的参数全同 即12，ICEO1ICEO2 当较大时，IB可忽略 IoIC2IREF 动态电阻 一般ro在几百千欧以上6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源T1、T2的参2. 微电流源由于很小，所以IC2也很小。rorce

2、2（1 ） （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）2. 微电流源由于很小，所以IC2也很小。rorce2（14. 组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3，T4和T6构成了微电流源4. 组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREFT6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时（=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源当器件6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，

3、输出电流为 常用的镜像电流源 相当于RD电阻6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源 6.1.2 FET电流源2. MOSFET多路电流源6.1.2 FET电流源2. MOSFET多路电流源6.1.2 FET电流源3. JFET电流源end(a) 电路 (b) 输出特性 6.1.2 FET电流源3. JFET电流源end(a) 6.2 差分式放大电路6.2.1 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6.2.3 源极耦合差分式放大电路6.2 差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结11问题 1增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。 前后级Q点相互影响

4、uiRC1R1T1R2+UCCuoRC2T2RE21. 引入原因：直接耦合电路的特殊问题解决办法6.2.1 差分式放大电路的一般结构13问题 1增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。 前12指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。uotO产生的原因：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。危害： 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。零点漂移问题 2解决办法输入级采用差动放大电路14指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的13例如若第一级漂了100 uV，则输出

5、漂移 1 V。 若第二级也漂了100 uV，则输出漂移 10 mV。假设 第一级是关键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漂了 100 uV漂移 10 mV+100 uV漂移 1 V+ 10 mV漂移 1 V+ 10 mV15例如若第一级漂了100 uV，则输出漂移 1 V。 14 由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。通频带f|Au |0.707| Auo |OfH| Auo |幅频特性 抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。 16 由于不采用电容，所以直接耦合放大电路

6、具有良好的低基本差分放大电路原理图+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输出两管静态工作点相同1.电路结构特点2. 用三端器件组成的差分式放大电路T1 、T2：对管（同型号、同参数），结构对称。基本差分放大电路原理图+UCCuoui1RCRB2T1RB1uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时ICVC （两管变化量相等） 对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T22.抑制零点漂

7、移的原理uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + +UCCuoui1RCRPT1RSRCui2RERS+T2UEE+RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。典型差分放大电路+UCCuoui1RCRPT1RSRCui2RERS+恒流源式差动放大电路T1 、T2：对管（同型号、同参数），结构对称。两组电源供电：+VCC 、 VEE恒流源式差动放大电路T1 、T2：对管（同型号、同参数），结3.三类输入信号 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。(1) 共模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相

8、同 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号 需要抑制3.三类输入信号 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2) 差模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相反uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1 即对差模信号有放大能力。+差模信号 是有用信号+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1差模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1uO2u

9、O VEEIOT2+-+-(3) 任意输入 ui1 、ui2 大小和极性是任意的。例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV ui1 = 8 mV + 2 mV例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。 放大器只放大两个输入信号的差值信 号差分放大电路。差模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1uO222差模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIOT2+-+-定义一:

10、定义二:(3) 任意输入24差模信号共模信号+VCCT1ui1ui2RCRCuO1u23例: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 定义一:定义二:25例: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 24射极耦合差分式放大电路4、输入输出方式+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-+-+-uid+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-+-+-uid-+VCCT1T2RCRCuO1u

11、O2uO VEEIO+-uid单端输入双端输出双端输入双端输出双端输入单端输出+VCCT1T2RCRCuO1uO2uO VEEIO+-uid单端输入双端输出26射极耦合差分式放大电路4、输入输出方式+VCCT1T2u251、静态分析：ui1= ui2= 0时静态(vi1=0,vi2=0)+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO6.2.2 射极耦合差分式放大电路271、静态分析：ui1= ui2= 0时静态(vi1=0,+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2UEE+静态时，ui1 = ui2 = 0结论：典型差动放大电路的静态工作点由负电源提供。静态估

12、算+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+27RL+VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIO2、动态分析：29RL+T1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo V28对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。双端输入：ui1 =0+ 0.5udui2= 0-0.5ud单端输入：ui1 =0.5ud +0.5ud ，ui2 = 0.5ud -0.5ud 分析结果表明：动态指标仅与输出方式有关+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO30对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。双端输入：u(4-29)共模抑制比(CMRR)的定义例:

13、 Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝)(4-31)共模抑制比(CMRR)的定义例: A30加差模信号：ui1 = - ui2 uo1ui1RCT1RB1RL/2+RL+VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIO1）双端输出2、动态分析：32加差模信号：ui1 = - ui2 uo1ui1RCT312）单端输出uo1ui1RCT1RB1RL+2ro+VCCT1T2ui1ui2RCRCuo1uo2uo VEEIORL

14、uo1+332）单端输出uo1ui1RCT1RB1RL+2ro32五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出34五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出33五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出ui1 =0+ 0.5ud , ui2= 0-0.5udui1 =0.5ud +0.5udui2 = 0.5ud -0.5ud 35五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出ui1 34五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出36五. 几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出351. 恒流源相当于阻值很大的电阻。2. 恒流源不影响差模放大倍数。3. 恒流源影响共模放大倍数，使

15、共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用371. 恒流源相当于阻值很大的电阻。2. 恒流源不影响差模36 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 温度变化和电源电压波动IC1， IC2变化趋势相同相当于在两个输入端加入了共模信号。效果+VCCT1T2ui1ui2RCRCuO1uO2uO VEEIO差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用38 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态长尾式差

16、动放大电路（VQ=-0V）例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(2)电压增益VE2Q=-0.7VVQ=-0V(2)电压增益VE2Q=-0.7VVQ=-0V(3)差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时uiduic(较小,why?)(3)差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时uid(4)归纳：1)差动放大电路的分析计算的内容；2)在分析时，重点注意基本概念，如共模、差模，单出、双出等;3)理解计算结果；(4)归纳：4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 IREFIO IE5RE4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 I4. 带有源

17、负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益（负载开路） 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 PNP管作有源负载4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益则 单端4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻 Rid2rbe（不够大）输出电阻4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻 4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻 Ric rbe2(1)ro5/2（教材错，请更正）4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻 （教材6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式

18、放大6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路双端输出差模电压增益而:所以：交流回路6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路单端输出差模电压增益vo2(id4-id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） (ro2/ ro4) gm(ro2 / ro4 )与双端输出相同end6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大6.3 差分式放大电路的传输特性根据iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 v

19、O1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）6.3 差分式放大电路的传输特性根据iC1= iE1，iCvO1，vO2f（vid）的传输特性曲线endvO1，vO2f（vid）的传输特性曲线end6.4 集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器7416.4 集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器1. 电路结构和工作原理6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器12. 电路技术指标的分析计算(1)直流分析已知VT

20、 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。2. 电路技术指标的分析计算(1)直流分析已知VT 和KP5(2)小信号分析设 gm1 = gm2 = gm 则2. 电路技术指标的分析计算输入级电压增益 (2)小信号分析设 gm1 = gm2 = gm 则2. 电(2)小信号分析2. 电路技术指标的分析计算总电压增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二级电压增益 将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）(2)小信号分析2. 电路技术指标的分析计算总电压增益 Av6.4.2 集成运算放大器74

21、1原理电路 6.4.2 集成运算放大器741原理电路 6.4.2 集成运算放大器741简化电路end甲乙类互补对称功放6.4.2 集成运算放大器741简化电路end甲乙类互补对6.5 实际集成运算放大器的主要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6.5.2 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和对应用电路的影响6.6.5.1 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）1. 输入失调电压VIO 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（110）mV。超低失调

22、运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。2. 输入偏置电流IIB 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 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失6.5.1 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）3. 输入失调电流IIO 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端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约为1 nA0.1A。 4. 温度漂移（1）输入失调电压温漂VIO / T（2）输入失调电流温

23、漂IIO / T6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO开环带宽BW (fH)单位增益带宽 BWG (fT)741型运放AvO的频率响应 6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性1. 开环差模电6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3.

24、 最大差模输入电压Vidmax6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性2. 差模输入电6.5.1 实际集成运放的主要参数共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。 2. 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1%跟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共模特性1. 共模抑制比6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性1. 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，输出电压对时间的最大变

25、化速率，即 若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性1. 转换6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性2. 全功率带宽BWP （不要求）指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性2. 全功电源特性1. 电源电压抑制比KSVR （不要求）衡量电源电压波动对输出电压的影

26、响 2. 静态功耗PV （不要求）6.5.1 实际集成运放的主要参数参看p291表6.5.1典型集成运算放大器参数电源特性1. 电源电压抑制比KSVR （不要求）衡量电源电压1. 集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。 6.5.2 集成运放应用中的实际问题1. 集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 6.5.2 集成运放应用中的实际问题输入为零时的等效电路2. 失调电压VIO、失调电流IIO