模拟电子技术 第6章 模拟集成电路

第六章模拟集成电路6.1模拟集成电路的直流偏置技术6.2差分式放大电路6.3差分式放大电路的传输特性6.4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的影响6.6变跨式模拟乘法器6.7放大电路中的噪声与干扰集成电路:IntegratedCircuits按功能分,有数字集成电路和模拟集成电路

模拟集成电路种类繁多,有运算放大器、宽带放大器、

功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、A/D、D/A转换器、稳压电源等等本章主要讨论模拟集成电路把整个电路的元件制作在一块硅片上具有特定功能的电子电路6.1模拟集成电路中的直流偏置技术在集成电路中制造三端器件比制造电阻容易,所以常用BJT或MOS的可变电阻区制造恒流源1、镜像电流源6.1.1BJT电流源电路(2)代表符号(3)输出特性:可用范围击穿由图知:输出特性的电流在一定范围内是恒定的其斜率的倒数为动态输出电阻，即:1、MOSFET镜像电流源6.1.2FET电流源基本MOSFET镜像电流源镜像电流源电路的扩展2、MOSFET多路电流源可用范围6.2差分式放大电路差分式放大电路在性能上有许多优点6.2.1差分式放大电路的一般结构输入端I1、I2分别接输入信号电压vi1和vi21.用三端器件组成的差分式放大电路:两个特性相同的三端器件(BJT或FET）T1、T2公共接点e处连接一电流源IO是模拟集成电路一个重要单元2、差模信号和共模信号的概念两输入电压vi1、vi2之差对于线性放大电路来说，可借助叠加原理来求出总的输出电压，即：（1）静态分析2、工作原理e点电位：ve

=-0.7V在差分式放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化两输出端输出的共模电压相同，即：其效果相当于在两个输入端加入了共模信号共模输入信号被抑制∴差分放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。差分式放大电路对共模信号有很强的抑制能力，可以改善整个电路的性能。∴差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级（1）差模电压增益3、主要技术指标的计算A：双端输入-双端输出的差模电压增益+vi1-从两管C极双端输出,未接RL时,差模电压增益与单管共射电路的电压增益相同:双端输入-双端输出的差模电压增益:双端输入-单端输出的差模电压增益:C:单端输入的差模电压增益单端输入（不对称输入）:单端输入时的交流通路ro为实际电流源的动态输出电阻认为ro支路相当于开路∴输入信号电压vid近似地均分在两管的输入回路上与上图射极耦合差放电路比较,两电路中作用于be结上的信号分量基本上是一致的∴单端输入时的电路的工作状态与双端输入近似一致其阻值很大有:ro>>rero足够大,双端输出时的差模电压增益:单端输出时的差模电压增益:其他指标也与双端输入电路相同（2）共模电压增益A:双端输出的共模电压增益两管的电流同时增加或同时减小即对每一BJT而言,相当于发射结接了2ro电阻可以得其交流通道和共模输入半边小信号等效电路:单端输出的共模电压增益表示两个集电极任一端对地的共模输出电压与共模信号电压之比，可得:B:单端输出的共模电压增益C:输入、输出电阻：1、差模输入电阻和输出电阻2、共模输入电阻和输出电阻双端输入、双端输出的差分放大电路，因两边电路对称，因而可用单边共射极电路来分析(4)频率响应∴差分式放大电路有两种输入方式和两种输出方式，组合后便有四种典型电路:见课本P270表6.2.1由于存在密勒效应，其高频响应与共射极放大电路相同。但因差分式放大电路采用直接耦合方式，因此它具有极好的低频响应。(1)电路组成４、带有源负载的射极耦合差分式放大电路①②此时:++--差模信号的半边电路T4,T2的小信号等效电路:(3)电压增益:用8只增强型MOS管和正、负电源组成6.2.3源极耦合差分式放大电路在高输入阻抗模拟集成电路中,常采用输入电阻高、输入偏置电流很小的源极耦合差分式放大电路。1、CMOS差分式放大电路（1）工作原理画出上图的交流通道:画出差模输入T2,T4节点小信号等效电路:2、JFET差分式放大电路6.3差分式放大电路的传输特性QVT2VT4VT-4VT-2VT-VTQVT2VT4VT-4VT-2VT-VT）6.4集成电路运算放大器集成电路运算放大器是一种高性能的多级直接耦合放大器由差分输入级、电压放大级和带负载能力强的输出级组成6.4.1CMOSMC14573集成电路运算放大器1、电路结构和工作原理2、电路技术指标的分析计算（1）直流分析①②（2）小信号分析6.4.2BJTLM741集成运算放大器1、偏置电路2、输入级3、中间电压放大级4、输入级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差模特性:

是指差模输入作用下的特性1、开环差模电压增益Avo和带宽BW开环差模电压增益Avo:集成运放工作在线性区，在标称电源电压接规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。电源特性6.5.2集成运放应用中的实际问题实际集成运放:6.6变跨导式模拟乘法器模拟集成乘法器是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件,模拟信号的变换与处理,已成为模拟集成电路的重要分支之一。实现模拟量的相乘方法很多，其中变跨导相乘的方法是以差分式电路为基础，它的电路性能好，又便于集成化。6.6.1变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导二象限乘法器:同相(或反相)乘法器符号:双平衡四象限乘法器:6.6.2模拟乘法器的应用1、运算电路乘方运算电路:四象限乘法器可实现任意次幂运算:除法运算电路开平方电路2、压控放大器（VCR）3、调制和解调6.7.1放大电路中的噪声1、噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声:电子无规则热运动而产生的随时间变化的电压阻值为R的电阻未接入电路时,在频带宽度B内所产生热噪声电压均方根值:改写为功率或电压形式:由（1）式可的功率密度:由（3）式可得热声电压密度:（2）三极管的噪声①热噪声②散粒噪声③闪砾噪声2、放大电路的噪声指标——噪声系数3、减小噪声的措施引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动,产生散粒噪声利用噪声系数NF来衡量噪声的大小,它的定义是:6.7.2放大电路中的干扰1、杂散电磁场干扰和抑制措施（1）合理布局（2）屏蔽2、由直流电源电压波动引起的干扰和抑制3、由交流电源串入的干扰和抑制4、由接地点安排不正确而引起的干扰和正确接地（1）多级放大电路的接地（2）电子设备共同端的正确连接6.7.3低噪声放大电路举例1、电路结构2、低噪声分析该电路为带电流源的共源-共基串接差分式放大电路并将输入电流iI变换为输出电压vo6.8SPICE仿真例题解:(1)设置静态工作点分析,得(2)设置小信号输入的动态分析,得(3)设置交流扫描分析,得放大电路幅频和相频响应的波特图,带宽约为105kHZ解：为简便起见，N沟道增强型MOSFET选用MbreakN模型，P沟道增强型MOSFET选用MbreakP模型，本征导电因子就是模型参数Kp，按题目要求设置模型参数如下：第7章反馈放大电路例：7.1.1试判断7.1.2所示各电器中是否存在反馈解:a所示电路中,输出与输入回路间不存在反馈网络,因而该电路中不存在反馈,为开环状态。b所示电路中，运放A构成基本放大电路，电阻和构成反馈网络，因而该电路中存在反馈。C为共集电极放大电路，由它的交流通路（即将电容视为对交流短路，电源+VCC视为交流的“地”）可知，发射极电阻和负载电阻即在输入回路中，又在输出回路中，它们构成了反馈通路，因而该电路中也存在着反馈。d为两级放大电路，其中每一级都有一条反馈通路，第一级为电压跟随器，它的输出端与反相输入端之间由导线连接，形成反馈通路，第二级为反相比例运算电路，它的输出端与反相输入端之间由电阻R5构成反馈通路。此外，从第二级的输出到第一级的输入也有一条反馈通路，由R2构成。通常，称每级各自存在的反馈为局部（或本级）反馈，称跨级的反馈为级间反馈。例:7.1.2试判断7.1.3所示电路中,哪些元件引入了级间直流反馈?

哪些元件引入了级间交流反馈?解:图a,b分别是图7.1.3所示电路的直流通路和交流通路.显然,电阻和组成的反馈通路引入的是级间直流反馈,而电阻既能引入级间直流反馈,又能引入级间交流反馈.例:7.1.3试判断7.1.5所示各电路中级间直流反馈的极性

例:7.1.3试判断7.1.5所示各电路中级间直流反馈的极性

例:7.1.4试判断7.1.2d和图7.1.5b所示各电路中级间直流反馈是串联反馈还是并联反馈?

例:7.1.5试判断图7.1.8所示各电路中的交流反馈是电压反馈还是电流反馈?

例:7.2.1试判断7.2.5所示各电路中级间直流反馈的类型.

7.3负反馈放大电路增益的一般表达式

例:7.3.1已知某电压串联负反馈放大电路在中频区的反馈系数

解:方法一:由式可求得该电路的闭环电压增益为反馈电压为净输入电压为由式推出如下关系式:整理得:由此例可知,在深度反馈条件下,反馈信号与输入信号的大小相差甚微,净输入信号则远小于输入信号.7.4.1提高增益的稳定性

例:7.4.1设某放大电路A=1000,由于环境温度的变化,使增益下降为900,引入负反馈后,反馈系数F=0.099，求闭环增益的相对变化量。

解：无反馈时，增益的相对变化量为

反馈深度为

7.4.3抑制反馈环内噪声

7.4.4对输入电阻和输出电阻的影响

(1)串联负反馈对输入电阻的影响

(2)并联负反馈对输入电阻的影响

2、对输出电阻的影响

(1)电压负反馈对输出电阻的影响

(2)电流负反馈对输出电阻的影响

7.5深度负反馈条件下的近似计算

例7.5.1设图7.5.1所示电路满足(1+AF)>>1的条件,试写出该电路的闭环电压增益表达式解:电路是一个多级放大电路,按负反馈组态判别方法可知，Rb2和Rf组成反馈网络。在放大电路的输出回路，反馈网络接至信号输出端，用输出短路法判断是电压反馈；在放大电路的输入回路，反馈信号加到非信号输入端（T2基级），是串联反馈；用瞬时极性法可判断该电路为负反馈。由于是串联反馈，又是深度电压负反馈，利用

例7.5.2设写出图7.5.2所示电路的闭环电压增益表达式例7.5.3某射极偏置电路的交流通路如图7.5.3所示,试近似计算它的电压增益例7.5.4某电路的交流通路如图7.5.4所示,试近似计算它的电流增益,并定性地分析它的输入电阻.所以电流增益为

例7.5.5图7.5.5所示的某反馈放大电路的交流通路.电路的输出端通过电阻与电路的输入端相连,形成大环反馈。（1）试判断

电路中大环反馈的组态；（2）判断T2和T3之间所引反馈的极性；（3）求大环反馈的闭环增益的近似表达式；（4）定性分析该电路的输入电阻和输出电阻。

解（1）判断大环反馈的组态：首先用瞬时极性法判断该反馈的极性。设电流

的流向如图中箭头所示，则由此引起的电路中各支路

电流的流向亦如图中箭头所示，而各节点电位的极性如图中（+）（-）号所示，由此可知，由

引入的大环反馈为负反馈，因为它

它净输入电流

比没有该反馈时减小了。由

在该电路输出端、输入端的连接方式知，该反馈为电压并联负反馈。

例7.6.1用集成运放设计一个负反馈放大电路,它的输入信号来自一个内阻

解：(1)

选择反馈类型。因为所用信号源是内阻的电压源，为减小放大电路对信号源的负载效应，待设计的反馈放大电路必须有很高的输入电阻，因