第06章模拟集成电路(康华光)

第六章模拟集成电路重点：1.理解镜像电流源的组成及其分析方法；2.掌握差分式放大电路的分析方法；3.了解集成电路运算放大器的组成。1§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1＝2∵VBE1＝VBE2∴IB1＝IB2,IC1＝IC2＝Io(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:Io＝IC2≈IREF＝VCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1当VCC,VEE,R恒定时,输出电流Io恒定外电路2作用2:动态时可作为动态电阻∵静态恒流∴T1T2输出特性稳定:T2的ce两端表现出的动态电阻数值:rce2＝ro＝vCE/Ic——较大,一般ro在几百千欧以上。IBiCvCEvCEiCVCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1外电路32.微电流源由于△VBE很小,所以Io＝IC2也很小。作用2——动态时可作为动态电阻VCC-VEET1T2RRe2Io＝IC2≈IE2

作用1——静态时可作为恒流源IREFIB1+IB2IC2=IoIC1+VBE1-+VBE2-ro很大外电路4vo=rce2(io-ib2)＋(io+ib2)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':rbe2ib2ib2Re2rce2Rrce1ib1ib1io+vo-rce2较大R'≈053.多路电流源——当VCC,R0,R1,R2……

恒定时,各输出电流

恒定。6二.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=ID2≈IREF=——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+VDD-VSST3MOSFET镜像电流源的改进T1T2+VDD-VSSRIREF=ID1ID2=Io+VGS-ID2=Io+VGS-Io=ID2=Kn2(VGS

–VT2)27T1T2+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。83.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——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:rds＝ro＝vds/id——较大9§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。113.零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–++VCCvoRC2500T2vi=0RC13kR1T1R2––++RDZIC2=2•

IC2=500.147mA=7.35mAVo=8.325－7.75V=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=VC1－VC2=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––vi2++vo1-+vo2-IC1IC214(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:vi1≠vi2,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/2vi2=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+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-15vi1=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+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-16(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-+vo2-174.基本差动放大电路的分析与计算(1)静态分析目的:求IB,IC,VCE直流通路如图：+VCCRCRB2RB1RCRB2RB1+vCE1-+vCE2-IB1IB2IC1IC2IC1＝IC2＝1

IB1VCE1＝VCE2＝VCC－IC1RC(2)差模动态分析四种:①双入双出;②双入单出;③单入双出;④单入单出。目的:求Avd,Rid,Ro,KCMRIB1＝IB218iiii+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从两管集电极输出电压;+vo–RCRB2rbeibibRCRB2ibrbeibRL+vi–相当于:vi1=-vi2=vi/2差模信号小信号电路：19RL+vo–+vi

-rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1图中:即:vi

=2ii·RB1

+2ib·rbe+

vo1-+

vo2-vo1=vo=vo1-vo2vo2=

20RL+vo–+vi

-rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1+

vo1-+

vo2-差模输入电阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)输出电阻:Ro=2RC差模电压增益:Avd=vo/vi21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)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(3)共模动态分析2种:①双出;②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–+vic--

vic+rbeibibrbeibib24+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=ii·RB1+ib·rbe这种电路不可单端输出voc=voc1=voc2=-ib·RC//RL25二.典型差动放大电路

1.电路组成RE作用:稳定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。+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo226+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2T

IB1=IB2VB1=VB2(=-IBRB)

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,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=IC2273.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

+2IEREIC≈IE≈IBVCE＝VCC+VEE－IC

RC－IERP/2－2IE

RE

+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2IB1IB2IC1IC24.差模动态分析四种:①双入双出;②双入单出;③单入双出;④单入单出。目的:求Avd,Rid,Ro,KCMR28RBRBiiii+vi

-RL+vo–+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2(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/229vi

=2[ib(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=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]RL+vo–+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/230(2)双入单出(差模动态分析)输出电阻:Ro=RC差模输入电阻:Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1=-ib·RC//RL差模电压增益:Avd=vo/vi

或:vo=vo2=+ib·(RC//RL)+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/231+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2(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v'v''RCRCREii+vi

-iiRBRB+

vo1-+

vo2-v'v''rbeibibrbeibibRP/2RP/232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=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1=-ib·RC//RL差模电压增益:Avd=vo/vi

或:vo=vo2=+ib·(RC//RL)33(4)单入双出(差模动态分析)与双入双出相同RL+vo–+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/2vi

=2[ib(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=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]345.共模动态分析两种:①双出;②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:+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2+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+)ibRP/2RP/2+vic

-RB+vic

-RBrbeibibrbeibib35①单端输出时:voc=voc1=voc2=-ib·(RC//RL)RE,Avc,这种电路可单端输出②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+)ib·RP/2+2(1+)ibRE36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=0373.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=2[RB

+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(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(2)电压增益40(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(4)42+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IB1IB2IC1IC2433.静态分析直流通路如图：IC=Io/2VCE＝VCC－IC

RC－VE＝VCC－IC

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(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

)RC5.6kT1RC5.6kT2-VEE(-10V

)+vi1-vo1vo2+vi2-Io2mARe100Re100解：vi1=30mV=(50-20)mVvi2=70mV=(50+20)mVvid=vi1-vi2=-40mV=-0.04Vvic=(vi1+vi2)/2=50mV=0.05VIE=Io/2=1mA46(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双端输出电压:vo=vod+voc=Avdvid+Avc

vic=-14.4(-0.04)≈0.58V47四.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=IC3/2VCE＝VCC-IC

RC-VE＝VCC-IC

RC-(-VBE

-

IBRb)483.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:49T3、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)≈VCCIC1≈IC3=IEE/250IE6IREFIC5＝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VCE1＝VCC－VEB3－VE1IC1=IC5/2＝VCC－VEB3－(-VBE1)≈VCC51(2)动态分析T1T2T3T4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——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=2ib·(rce2//rce4//RL)或vo=-2ib·(rce1//rce3//RL)双端输出时:vo=-2ib·[rce1//rce3//(RL/2)]-2ib·[rce2//r