模拟电路第五版第六章课件

6

模拟集成电路6.1

模拟集成电路中的直流偏置技术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6.6变跨导式模拟乘法器6.1模拟集成电路中的直流偏置技术

BJT电流源电路

FET电流源1.镜像电流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCET1与T2参数完全相同T1对T2具有温度补偿作用IC2↑→IC1↑→R压降↑→VBE↓→IC2↓1.镜像电流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCEIO与IREF相等，构成镜像关系，改变R值，可以获得不同的IO，不受T2负载变动的影响较小时，IB对IREF的分流作用影响镜像对称度。若需减小输出电流，必要求R的值很大动态输出电阻2.微电流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT电流源电路利用发射结电压对集电极电流的影响作用。T2的射极电阻使其发射结电压减小，从而减小其集电极电流IC2

+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB-VEE2.微电流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB例题：VCC=30V，现要求IC2

＝10μA。若采用镜像电流源：2.微电流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB选Re2

＝11.97kΩ，利用公式：若采用微电流源：代入数据，多路电流源(multipleoutputs)又称比例电流源6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T1RRe1IREFIC1IC1IBReT0IC2Re2T2T3Re3IC33.高输出阻抗电流源6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2RIREFIC1IC22IB-VEET3IC3威尔逊电流源电路利用电流负反馈原理来进一步提高镜像输出电流的温度稳定性和增大动态输出电阻A1、A3为T1、T3得相对结面积当温度或负载变化使IO(IC2)增大时，IE2随之增大，IC3及其镜像电流IC1亦随之增大，促使VC1(VB2)减小、IB2减小，IO减小，稳定了IO4.组合电流源6.1.1BJT电流源电路+VCCT1T2R1IREFI2I3R3T3-VEET4T5I5I6R2T6电流源电流阱5.电流源作有源负载6.1.1BJT电流源电路IREFT2T3T1RvOvi+VCC可使电路在不提高电源电压的条件下，获得较高的电压增益与较大的动态范围有源负载是模拟集成电路的重要特征。采用有源负载的运放，有时中间只需两级放大，就可以满足高增益的要求。这样，放大器级数减少，有利于提高多级放大器的稳定性镜像电流源作为T1的集电极负载1.MOSFET镜像电流源6.1.2FET电流源电路+-+-+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSVDS2VDS1d1d2gRNMOSID2=IO1.MOSFET镜像电流源6.1.2FET电流源电路+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSID2=IOT3T1~T3特性相同，工作在放大区，=02.MOSFET多路电流源6.1.2FET电流源电路+-+VDDT1T2ID0=IREF-VSSVGS1ID2T0T3ID3T4ID4+-+-+-VGS2VGS3VGS4+-VGS1NMOSNMOS3.JFET镜像电流源6.1.2FET电流源电路gID＝IO+-vDSds-VSSiDvDSIOvGS=0oV(BR)DS可用范围ro=1/斜率6.2差分式放大电路

直流信号放大中存在的问题

基本电路

6.2.0

概述

6.2.1

差分式放大电路一般结构

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差分式放大电路中的一般概念主要技术指标的计算带有源负载的射极耦合差分式放大电路

工作原理§

6.2.0概述(1)级间耦合不能采用阻容耦合方式(2)出现零点漂移直流放大器直流信号放大中存在的问题tvo零漂现象：输入vi=0时，输出有缓慢变化的电压产生。产生零漂的原因：零漂的衡量方法：由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，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。将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述若输出有1V的漂移电压。

则等效输入有100uV的漂移电压。假设第一级是关键减小零漂的措施：用非线性元件进行温度补偿。采用差动放大电路。等效100uV漂移1V+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述§

6.2.1差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路a.差分放大电路一般有两个输入端：双端输入—从两输入端同时加信号单端输入—仅从一个输入端对地加信号b.差分放大电路可以有两个输出端：双端输出—从vO1

和vO2输出单端输出—从vO1或vO2对地输出vi1R1T1R2vi2V+V-vO1vO2IOroT2O1O2I1I2+-+-e差模输入电流共模输入电流共模输入电流差模(difference–mode)信号：大小相等相位相反的两个信号：vid共模(common-mode)信号：大小相等相位相同的两个信号：vic任意两个信号总可以分解成差模与共模两个分量：差模电压增益共模电压增益2.差模信号和共模信号的概念§

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1.基本电路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1动画演示射极耦合（Emitter-coupled)方式§

6.2.2射极耦合差分式放大电路2.工作原理静态分析：++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1动画演示动态分析：动画演示流过恒流源的电流不变，故BJT的射极电位不变；负载中点电位不变，以上各点对差模信号视为短路。（1）差模电压放大倍数－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－§

6.2.2射极耦合差分式电路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1动画演示3.主要技术指标计算有负载时：无负载时：RL/2rbeRCrbeRCRL/2§

6.2.2射极耦合差分式电路－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－（２）共模电压放大倍数i2－v++_－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRccV+vi1oicv2icv2I0Eo2v++vo1LR－－vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC§

6.2.2射极耦合差分式电路动画演示rbeRC2rorbeRC2ro§

6.2.2射极耦合差分式电路vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC衡量差分式放大电路抑制共模信号的能力。差分式放大电路双端输出时：KCMR为无穷大；单端输出时：（３）共模抑制比§

6.2.2射极耦合差分式放大电路高频响应同共射极放大电路，由于采用了直接耦合，故低频响应很好。不同输入输出方式下的差分放大电路的性能比较，见p.270表。（４）频率响应§

6.2.1基本差分式放大电路§

6.2.1基本差分式放大电路(1)恒流源相当于阻值很大的交流电阻，直流电阻并不大(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大的电阻，所以共模抑制比是无穷大恒流源的作用§

6.2.2射极耦合差分式放大电路

单端输入等效双端输入:

因为ro＞＞从T2发射结电阻，故ro可视为开路，于是有vi1=－vi2=vid/2

计算同双端输入双端输出：单端输入、双端输出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRcc动画演示§

6.2.2射极耦合差分式放大电路单端输入、双端输出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRccvid/2vid/2vid/2几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－例1：＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'=300，VBEQ=0.6V求：静态时IB1、IC1、VCE1；双端输出时Avd、Avc、KCMR、差模输入输出电阻ans：浮地入、浮地出的工作状态。静态时，两只BJT的集电极电位相等，RL对静态无影响；Re中电流为2IE，差模信号下，Re相当于短路；差模交流负载为RL的一半vovi+12VRcRbRcRbRe–12Vvovi+12VRcRbRcRbRe–12V＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'

=300，VBEQ=0.6V例2：R1=R6=1k，R2=2k，RL=4k，R4=48k，R5=32k，

=100，rbb'=300，VBEQ=0.7V恒流源负载Ro3=1M分析电路的直流工作状态；双、单差模增益；单端共模抑制比；差模输入输出电阻分压求VB3恒流源电流IC3差分管集电极电流IC1差分管VCE=VC-VE双、单差模增益求算同前vi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2单出共模增益：负载对共模相当于开路单端输出共模抑制比加大Ro3，可以提高共模抑制比。为此用恒流源T3来代替Revi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2§

6.2.2射极耦合差分式放大电路4.带有源负载的射极耦合差分式eRRe6Re5T6-VEE(-6V)T5IREFIC5=IOIE6IE5vid/2VCC(6V)iOT1T2iC1vO2iC3iC2iC4-vid/2T3T42N39062N3904511004.7kIC6vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2§

6.2.2射极耦合差分式放大电路4.带有源负载的射极耦合差分式vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2rce4ic4=gmvid/2rce2vo2e4e2c2ic2=-gmvid/2ic4ic2+-§

6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路+-T7T8-VSS(-5V)VGS7iD2T1iD3T3iS3+-+-+-VGS8vGS1-VGS3NMOS+-T6VGS6+-T5-VGS5+-T2vGS2+-T4-VGS4iS5=IREFiS4NMOSPMOSvO1vO2iD1+VDD(+5V)iD6+-VDS5+-VDS6+-VDS7vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-iO双入双出§

6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路id2=-gmvid/2T1id3=id1T3+-T2vGS2T4vo2s3vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-s4d4d2id1=gmvid/2id4=id1=-gmvid/2ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-双入单出§

6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-双入单出P.209P.208§

6.2.3源极耦合差分式放大电路2.JFET差分式放大电路vi1+VDD+15VRd1Rg1Rd2T1T2Rg2-VSS-12VvO2vi2T3IOVs+-vGS1+-vGS2vO1Rd1Rd2Rg1Rg2特点：输入电阻高、输入偏置电流小§

6.3差分式放大电路的传输特性传输特性描述电路的输出量随输入量变化的函数关系。由此了解差放电路在大信号输入和小信号输入时的输出量的变化。定性分析：2VT-2VT4VT6VT-4VT-6VTvidiC/I00.10.30.50.70.9线性过渡限幅定量分析请参阅有关参考书动画演示6.4集成电路运算放大器

6.4.1

CMOSMC14573运算放大器

6.4.2

BJTLM741集成运算放大器§

6.4集成电路运算放大器uuu电压放大级输出级偏置电路vo+差分输入级vid－§

6.4.1CMOSMC14573运算放大器-VSS(-5V)NMOS+VDD(+5V)vO+-vO2iOT1T3T6T5T2T4T8T7-+vidIREFID6PMOSPMOSPMOSID8Ccs1s2g1g2d1d2RREF输入级偏置电流源源极耦合差分放大输入级共源放大输出级§

6.4.2BJTLM741集成运算放大器ABAB分析：1.偏置电路：

T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：

其他偏置电流都与基准电流有关。

T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。

T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。§

6.4.2BJTLM741集成运算放大器2.输入级：

T1、T2和T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。

T3

和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。§

6.4.2BJTLM741集成运算放大器3.中间级：

T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。

T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22管和R10保护T20管在负向电流过大时不致烧坏。4.输出级：5.相位分析：用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。§

6.4.2BJTLM741集成运算放大器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

6.5.1

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§

6.5.1实际集成运放的主要参数1.输入失调电压VIO

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。输入直流误差特性、差模特性、共模特性、大信号特性、电源特性VOIBNIBPIBNIBP

2.输入偏置电流IIB

输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。§

6.5.1实际集成运放的主要参数3.输入失调电流

IIO

：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

§

6.5.1实际集成运放的主要参数4.温度漂移输入失调电压温漂

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。输入失调电流温漂在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。§

6.5.1实际集成运放的主要参数

5.开环差模电压增益

AVO和带宽BW

：

无反馈时的差模电压增益。一般Avo在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍频程106dB§

6.5.1实际集成运放的主要参数§

6.5.1实际集成运放的主要参数开环带宽BW(

fH)

：

运放的开环差模电压放大倍数在高频段下降3dB所对应的带宽fH

。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍频程106dB§

6.5.1实际集成运放的主要参数单位增益带宽BWG(f

T)：AVO=1时的频率。

6.差模输入电阻rid和输出电阻ro

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

ro

=几-几十。7.最大差模输入电压Vidmax

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差分管将出现反向击穿现象。§

6.5.1实际集成运放的主要参数9.最大共模输入电压Vicmax

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。通用型运放在(80~120)dB8.共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)§

6.5.1实际集成运放的主要参数10.转换速率SR

闭环状态时：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。通常要求运放的转换速率大于信号变化斜率的绝对值。11.全功率带宽BWP电源电压抑制比KSVR、静态功耗PV§

6.5.1集成运算放大器的主要参数AVO、rid、BW、SR、KCMR视为无穷大；VIO、ro、IIO、IIB及温漂视为零；理想运放

infinite-gainopamp.6.5.2