模电模拟集成电路康华光

1、模电模拟集成电路康华光1第1页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四6.1模拟集成电路中的直流偏置技术直流偏置提供恒定工作点电流(恒流源)一 . BJT电流源电路1. 镜像电流源(1)电路组成T1,T2参数相同,包括12VBE1VBE2 IB1IB2 , IC1IC2Io(2)镜像电流源的作用作用1:静态时可作为恒流源当 较大时, IB可以忽略: IoIC2IREF VCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1当VCC,VEE ,R 恒定时,输出电流Io 恒定外电路2第2页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四作用2:动态时可作为动态电阻静态恒流 T

2、1 T2输出特性稳定:T2的c e两端表现出的动态电阻数值:rce2rovCE/Ic较大,一般ro在几百千欧以上。IBiCvCEvCEiCVCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1外电路3第3页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四2. 微电流源由于VBE很小,所以IoIC2也很小。作用2动态时可作为动态电阻VCC-VEET1T2RRe2IoIC2IE2 作用1静态时可作为恒流源IREFIB1+IB2IC2=IoIC1+VBE1- +VBE2-ro很大外电路4第4页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四vo=rce2(io-ib2)(io+ib2)

3、Re2 经整理得:ro 的推导过程：求ro 的图如右下图所示。设从T1基极看进去的电阻为R:rbe2ib2ib2Re2 rce2R rce1ib1ib1io+vo-rce2较大R05第5页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3. 多路电流源当VCC ,R0 , R1 , R2 恒定时, 各输出电流 恒定。6第6页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四二 . FET电流源电路1. MOSFET镜像电流源作用1:静态时可作为恒流源Io=ID2IREF= 当VDD ,VSS ,VGS , R 恒定时, 输出电流Io 恒定。作用2:动态时可作为大电阻rdsT1T2+V

4、DD-VSST3MOSFET镜像电流源的改进T1T2+VDD-VSSRIREF =ID1ID2=Io+VGS-ID2=Io+VGS-Io= ID2=Kn2 (VGS VT2 )27第7页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四T1T2+VDD-VSST3T3T4IREFID2+VGS-ID3ID42. MOSFET多路镜像电流源当VDD ,VSS ,VGS 恒定时, 各输出电流 恒定。8第8页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3. JFET电流源-VSSID=Io作用1:静态时可作为恒流源VGS =0Io= ID=IDSS (1-VGS/Vp )2 =IDSS

5、 恒流作用2:动态时可作为大电阻rdsVGSiDvDSvdsidds 两端表现出的动态电阻数值:rdsrovds/id较大9第9页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四6.2 差分式放大电路集成电路的工艺特点：(1)元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。(2)集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。(3)不易制造大电阻, 需要大电阻时, 往往使用有源负载。(4)只能制作几十pF以下的小电容。如需大电容，只有外接。(5)不能制造电感, 如需电感, 也只能外接。因此,集成放大器等模拟集成电路都采用直接耦合方式。10第10页，共59

6、页，2022年，5月20日，6点50分，星期四直耦放大电路的特殊问题零点漂移1.零漂现象2.产生零漂的原因由温度等变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态值发生微小变化时,这种变化量会被后面的电路逐级放大,最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。输入vi=0时, 输出有缓慢变化的电压产生。11第11页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3.零点漂移的危害 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。4. 减小零漂的措施 减少第一级零漂是关键。只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的

7、有用信号才能被很好地区分出来。减小零漂的措施：采用差动放大电路。 差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。12第12页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四已知:VZ=4V,VBE=0.6V, 1= 2=50, 温度升高前:IC1=2.3mA,Vo=7.75V 若由于温度的升高 IC1增加 1%,试计算输出电压Vo变化了多少?IC1=2.31.01mA=2.323mA, VC1=VZ+VBE2=4+0.6=4.6V例1vZ+VCCvoRC2500 T2vi=0RC13kR1T1R2+RDZIC2= 2 IC2 = 50 0.147mA = 7.35mA Vo= 8.3257

8、.75V = 0.575V 提高了7.42% 可见，当输入信号为零时，由于温度的变化，输出电压发生了变化即有零点漂移现象。13第13页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四一 . 基本差动放大电路 1. 电路组成两管特性及元件的参数值相等, 静态工作点相同。有两个输入端、两个输出端。2.抑制零点漂移原理静态时,vi1= vi2 = 0,vo=VC1VC2=0当温度升高时IC VC1,VC1 (两管变化量相等)vo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0对称差动放大电路对两管的漂移有抑制作用。利用对称性抑制零漂+VCCRCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+ vo + vi1

9、 vi2 + +vo1-+vo2-IC1IC214第14页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(2)差动放大电路的输入方式双端输入:需放大的信号vi可从两输入端之间输入;单端输入: vi可从一个输入端对地输入,另一输入端接地;比较输入:vi1vi2 ,分别从两输入端输入信号。(3)差模输入信号与共模输入信号 任意两个输入信号vi1、vi2均可分解为:vi1=vic+vid/2 vi2=vic-vid /23.差动放大电路几个基本概念(1) 差动放大电路的输出方式双端输出从两管集电极输出电压;单端输出从T1(或T2) 集电极对地输出电压;+VCC+ vo + vi1 vi2 +

10、 RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-15第15页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四vi1=vic+vid/2vi2=vic-vid/2其中:vic=(vi1+vi2)/2共模输入信号vid=(vi1-vi2)差模输入信号可见, 相对vi1、vi2而言:vic 是一对大小相等、相位相同的信号。 零漂信号即以此形式输入。因为当温度变化时:将使两管集电极电流产生变化,且两管变化趋势是相同的,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。 vid 是一对大小相等、相位相反的信号。有用信号以此形式输入。+VCC+ vo + vi1 vi2 + RCRB2T1RB1

11、RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-16第16页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(4)差模电压增益与共模电压增益差模电压增益: Avd=vod/vid共模电压增益: Avc=voc/vic总输出电压: vo=vod+voc= Avdvid+ Avc vic 不管何种输入输出形式,若：vod差模输入信号产生的输出voc共模输入信号产生的输出则：共模抑制比:反映抑制零漂能力,越大越好越小越好+VCC+ vo + vi1 vi2 + RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-17第17页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四4.基本差动放大

12、电路的分析与计算(1)静态分析目的:求 IB, IC, VCE直流通路如图：+VCCRCRB2RB1RCRB2RB1+vCE1-+vCE2-IB1IB2IC1IC2IC1IC2 1 IB1VCE1VCE2 VCC IC1 RC(2)差模动态分析四种:双入双出;双入单出;单入双出;单入单出。目的:求 Avd ,Rid, Ro , KCMRIB1IB218第18页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四iiii+vi -RB1RB1RL+ vo 差模动态分析(双入双出)+VCC+ vi1 vi2 + RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2vi 从两输入端之间输入信号;vo从两管集电

13、极输出电压;+ vo RCRB2rbeibibRCRB2ibrbeibRL+ vi 相当于:vi1=-vi2=vi/2差模信号小信号电路：19第19页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四RL+ vo +vi -rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1图中:即:vi =2iiRB1 +2ibrbe+ vo1-+ vo2 -vo1 =vo=vo1-vo2vo2 = 20第20页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四RL+ vo +vi -rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1+ vo1-+ vo2 -差模输

14、入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe)输出电阻:Ro=2RC差模电压增益:Avd=vo/vi21第21页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四双入双出：差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe)输出电阻:Ro=2RC双入单出请自己分析！差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe)输出电阻:Ro=RC差模动态分析总结22第22页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四单入双出请自己分析！差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe)

15、输出电阻:Ro=2RC单入单出请自己分析！差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 /rbe)输出电阻:Ro=RC与双入双出相同与双入单出相同23第23页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(3)共模动态分析2种:双出;单出目的:求Avc ,KCMR零漂信号相当于在两个输入端加入了共模信号。当有零漂时:vi1=vi2=vic+VCC+ vi1 vi2 + RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2这时共模电压增益？共模小信号电路如图：+ voc1-RCRB2+ voc2-RCRB2+vic -iiRB1+vic -iiRB1+ voc + vi

16、c - - vic +rbeibibrbeibib24第24页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四+vic -rbeiiib+ voc1-ibRB2RCRB1+vic -rbeiiib+ voc2-ibRB2RCRB1+ voc 图中： voc1=voc2双端输出时:voc=voc1-voc2=0共模电压增益: Avc=voc/vic=0 (理想化)单端输出时:vic=iiRB1+ibrbe这种电路不可单端输出voc=voc1=voc2 =-ibRC /RL25第25页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四二 . 典型差动放大电路 1. 电路组成RE作用: 稳

17、定Q点,限制每个管子的漂移,使电路既能双端输出,又能单端输出。RE越大, 抑制零漂效果越好。VEE作用: 补偿静态时RE上的压降,获得合适的Q点。RP作用: 保证两个电路的对称。 RP很小 。 +VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo226第26页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四+VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo2T IB1=IB2VB1=VB2(=-IB RB) VBE1=VBE2 IE1=IE2 VE1=VE2IB1=IB2 这一过程类似于分压式偏置电路的温度稳定过程。即使电路处于单端输出方式,

18、仍有较强的抑制零漂能力。 2.抑制零点漂移原理静态时(vi1=vi2 =0)：IB1IB2IC1IC2当温度变化时：IC1=IC2IC1=IC2 27第27页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3.典型差动放大电路的静态分析直流通路如图：0-(-VEE)=IBRB+VBE +IERP/2 +2IERE ICIE IBVCEVCC+VEEIC RCIERP/22IE RE +VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo2IB1IB2IC1IC24.差模动态分析四种:双入双出;双入单出;单入双出;单入单出。目的:求 Avd ,Rid, Ro , KCM

19、R28第28页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四RBRBiiii+vi -RL+ vo +VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo2(1) 双入双出(差模动态分析)vo从两管集电极输出电压;vi 从两输入端之间输入信号;+ vi vi=vi1-vi2相当于对地而言:vi1=-vi2=vi/2差模信号小信号电路：+ vo RCRCREi0vi1vi2双入时RE相当于短路rbeibibibrbeibRLRP/2RP/229第29页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2) vo

20、=vo1-vo2差模电压增益:Avd=vo/vi输出电阻:Ro=2RC差模输入电阻:Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2)RL+ vo +vi -rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+ vo1-+ vo2 -RP/2RP/230第30页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(2)双入单出(差模动态分析)输出电阻:Ro=RC差模输入电阻: Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2)vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2) vo=vo1 =- ibRC /RL差模电压增益:Avd=vo/vi 或: vo=vo2 =+ ib(RC /RL

21、)+vi -rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+ vo1-+ vo2 -RP/2RP/231第31页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四+VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo2(3)单入单出(差模动态分析)vo从T1(或T2) 集电极对地输出电压;vi 从一个输入端对地输入,另一输入端接地;相当于:v=-v=vi/2差模信号小信号电路：+ vi i0单入时RE相当于断路vvRCRCREii+vi -iiRBRB+ vo1-+ vo2 -vvrbeibibrbeibibRP/2RP/232第32页，共59页，2022年，5月

22、20日，6点50分，星期四与双入单出相同+vi -rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+ vo1-+ vo2 -RP/2RP/2输出电阻:Ro=RC差模输入电阻: Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2)vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2) vo=vo1 =- ibRC /RL差模电压增益:Avd=vo/vi 或: vo=vo2 =+ ib(RC /RL)33第33页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(4)单入双出(差模动态分析)与双入双出相同RL+ vo +vi -rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+ vo1-

23、+ vo2 -RP/2RP/2vi =2ib(RB +rbe)+(1+)ib(RP/2) vo=vo1-vo2差模电压增益:Avd=vo/vi输出电阻:Ro=2RC差模输入电阻:Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2)34第34页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四5.共模动态分析两种:双出;单出 零漂信号相当于在两个输入端加入了共模信号。 当有零漂时:+VCCRCRPT1RBRC RERBT2-VEEvi1 vi2vo1vo2+ vic - - vic +vi1=vi2=vic这时共模电压增益？共模小信号电路如图：voc1RCvoc2RC+ voc REi=2(1+)

24、ib RP/2RP/2+vic -RB+vic -RBrbeibibrbeibib35第35页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四单端输出时:voc=voc1=voc2 =- ib(RC /RL)RE, Avc, 这种电路可单端输出双端输出时:voc=voc1-voc2=0共模电压增益: Avc=voc/vic=0共模电压增益:共模抑制比:请自己求i=2(1+)ib +vic -rbeibvoc1ibRCRB+vic -rbeibvoc2ibRCRB+ voc RERP/2RP/2vic=ib(rbe+RB)+(1+)ibRP/2 + 2(1+)ib RE36第36页，共59

25、页，2022年，5月20日，6点50分，星期四总结1.差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：单端输出时：2.共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：单端输出时：Avc=037第37页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3.差模输入电阻 差模输入电阻Rid与输入输出方式无关，不论是单端输入还是双端输入：Rid=2RB +rbe+(1+)(RP/2)4.输出电阻 与输出方式有关：单端输出时: Ro=RC 双端输出时: Ro=2RC5.共模抑制比 双端输出时:单端输出时:或：KCMR很大38第38页，共59页

26、，2022年，5月20日，6点50分，星期四(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态例239第39页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(2)电压增益40第40页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(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41第41页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(4)42第42页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四+VCCRCT1RCT2-VEE+vi1-vo1vo2+vi2-IoIo作用: 稳定Q点,限制每个管子的漂移,静态电阻很小,所需补偿压降小,动态电阻很

27、大,抑制零漂效果好。VEE作用: 补偿静态时Io上的压降,获得合适的Q点。2.抑制零点漂移原理三. 带恒流源的差动放大电路1. 电路组成IB1IB2IC1IC243第43页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3.静态分析直流通路如图：IC=Io/2VCEVCCIC RCVE VCCIC RC + VBE+VCCRCT1RCT2-VEEvo1vo2IoIB1IB2IC1IC24. 动态分析目的:求Avd , Rid, Ro , Avc , KCMR 分析方法:与典型差放相同。设恒流源的动态电阻为ro (很大) , 用ro替换 RE 即可,则：44第44页，共59页，2022年，

28、5月20日，6点50分，星期四(1)双入双出、单入双出、差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2rbe输出电阻:Ro=2RC(2)双入单出、单入单出、差模电压增益:Avd=vo/vi差模输入电阻:Rid=2rbe输出电阻:Ro=RC(3)共模增益双端输出时：单端输出时：Avc=045第45页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四例3 vi1 =30mV, vi2 =70mV , RL= 5.6k, =100, VBE=0.7V, Io动态电阻ro=100k。求:(1)单端输出电压vo ;(2)双端输出电压vo 。+VCC (+10V )RC5.6kT1RC5.6

29、kT2-VEE(-10V )+vi1-vo1vo2+vi2-Io2mA Re100Re100解：vi1=30mV=(50-20)mV vi2=70mV=(50+20)mV vid= vi1-vi2=-40mV=-0.04V vic=(vi1+vi2)/2=50mV=0.05VIE=Io/2 =1mA46第46页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(1)单端输出时:差模电压增益:共模增益:单端输出电压:vo=vod+voc=Avdvid+ Avc vic =10.8(-0.04)+(-0.014)0.05 0.43V(2)双端输出时:差模电压增益:共模增益:Avc=0双端输出电

30、压:vo=vod+voc=Avdvid+ Avc vic =-14.4 (-0.04) 0.58V47第47页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四四. 实际带恒流源的差动放大电路1. 电路组成各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。2.静态分析IC=IC3/2VCEVCC-IC RC-VEVCC-IC RC -(-VBE - IBRb)48第48页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四3. 动态分析其余情况的分析方法与前述差放相同 , 用R等效替换 RE 或 ro 即可,在此不再赘述。 设恒流源的动态电阻为R等效:49第49页，共59页，2022年，5月20日

31、，6点50分，星期四T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。五. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路(有源负载差动放大电路)1. 原理电路各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。静态分析VCE1=VCC-VEB3-(-VBE1)VCCIC1IC3=IEE/250第50页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四IE6 IREFIC5 IE5各部分作用与抑制零点漂移原理同前述电路。(1)静态分析2. 实际电路VCE1VCCVEB3VE1IC1=IC5/2VCCVEB3(-VBE1)VCC51第51页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四(2) 动态分析T1T2T

32、3T4交流通路(双端输入)rbeibibrce1rbeibrce2+ vo1-+ vo2 -rberbeibibibibrce3rce4小信号电路(双端输入)单入时断路单入时断路52第52页，共59页，2022年，5月20日，6点50分，星期四单端输出的电压增益双端输出的电压增益。双端或单端输入时:vi =2ibrbe单端输出时:vo=2 ib(rce2/rce4/RL)或vo=-2 ib(rce1/rce3/RL)双端输出时:vo=-2 ibrce1/rce3/(RL/2)-2 ibrce2/rce4/(RL/2)rce1rce2rce3rce4 单端输出时: vo2 ibRL双端输出时: vo-2 ibRL差模电压增益: |Avd|=|vo/vi |= RL/rbe差模输入电阻:Rid=2rbe输出电阻(单端输出时):Ro =rce1/rce3 (或rce2/rce4)输出电阻(双端输出时):Ro =rce1/rce3+rce2/rce4rbeibibrce1rbeibrce2+ vo1-+ vo2 -rberbeibibibibrce3r