模拟集成电路80000课件

第六章理论学习课程导学自我测试本章知识结构图本章教学要求正确理解集成运放的组成结构及各组成部分的作用；熟练掌握各类电流源的工作原理及计算方法；熟练掌握四种不同输入输出方式差分式放大电路的工作原理以及性能特点；熟练掌握各类差分式放大电路静态工作点、差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻以及共模抑制比的计算；掌握集成运放主要技术指标的含义。2．偏置电路偏置电路主要由电流源电路组成，常用的有镜像电流源、比例电流源和微电流源等，前两者提供的偏置电流较大，后者则可产生较小的偏置电流，适用于输入级偏置电路。3．差分式放大电路差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路，这源于电路的对称性。差分放大电路主要有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出四种典型电路。差分式放大电路的性能指标主要有：差模电压增益、共模电压增益、共模抑制比、差模输入电阻、共模输入电阻、输出电阻等。上述指标通常是在正确画出半电路的直流通路、差模等效电路和共模等效电路的基础上求取的，在画这些等效电路时应注意：（1）负载电阻在单端输出和双端输出时的等效处理有所不同，射极共用电阻在差模输入和共模输入时的等效处理有所不同。（2）单端输入由于可等效为双端差模输入和共模输入的叠加，其效果与双端输入基本相同。第六章模拟集成电路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实际集成运放的主要参数和应用电路的影响真空器件半导体器件集成电路大规模集成电路集成电路的分类1.按功能分类：数字集成电路、模拟集成电路2.按构成有源器件的类型分类：双极型、单极型3.按外形分类：双列直插式、圆壳式、扁平式4.按类型分类：集成运算放大器、集成功率放大器、集成比较器、集成稳压器等等集成电路运算放大器运算放大器外形图输入级中间级输出级偏置电路集成电路运算放大器的内部组成单元实质：

集成运放是具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。对集成电路的多项性能起决定性作用提供足够大的电压放大倍数，要求：①具有较高的电压放大倍数；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③向输出级提供大电流。①提供足够大的输出功率；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③具有较小的输出电阻，提高带负载能力;④电压增益为1。①为输入级、中间级、输出级提供合适的偏置电流，以确定各级静态工作点;②作为有源负载，提高放大电路的电压增益。6.1模拟集成电路中的直流偏置技术电流源电路：输出电流恒定，具有很高输出电阻的电路。二、特点1、由BJT、FET构成电流源电路，由于其工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；2、电流源电路一般都加有电流负反馈；3、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。一、电流源电路的用途1、给集成电路各级电路提供直流偏置电流，以获得稳定的Q点；2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围；3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出；4、电流源还可单独制成稳流电源使用。6.1.1BJT电流源电路特点：结构简单；具有一定的温度补偿作用；不适合于直流电源在大范围变化的集成运放；若输入级要求微安级偏置电流，在集成电路中无法实现。一、镜像电流源带缓冲级的镜像电流源二、微电流源特点：利用△VBE（较小）控制输出电流；提高了恒流源对电源变化的稳定性；提高了恒流源对温度变化的稳定性。接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。当R取几k时，

IREF为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2的稳定性也比IREF

的稳定性好。6.1.2FET电流源一、MOSFET镜像电流源电导常数栅极氧化层单位面积电容反型层中的电子迁徙率本征导电因子W：沟道宽度L：沟道长度用T3代替电阻R三、JFET电流源JFET电流源的动态输出电阻等于输出特性的斜率的倒数。一、一般结构差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。6.2.1差分放大电路的组成恒流源①提供直流偏置②具有高阻值动态内阻（rce、

rds）③抑制共模信号二、共模信号和差模信号差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。差模电压：共模电压：直流信号

对称的两个共射电路通过射极公共电阻耦合而成，由于Re阻值大，故称长尾式差分放大电路。1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRs1=Rs2=Rs6.2.2长尾式差分放大电路2/6/2023一、输入和输出方式两个输入端：双端输出(two-sidedoutput)单端输出(one-sidedinput)双端输入(two-sidedinput)单端输入(single-sidedinput)两个输出端：双入双出单入双出双入单出单入单出四种接法：2/6/2023

二、静态分析(Q1、Q2)（空载）入手点：

IB三、动态分析（Av、Ri、Ro）1、共模参数（Avc、Ric、Ro）2、差模参数（Avd、Rid、Ro）抑制共模(零漂、干扰)放大差模（1）双端输出时，通过对称性实现；（2）单端输出时，通过射极大电阻Re降低共模信号放大倍数来实现。双出vo=2vo1(vo2)(单出)iRe=0联体处为“差模地”零点漂移：放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。抑制零点漂移的原理：温度的变化，电源电压的波动都会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当于在差分电路两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。输入共模信号：两个输入端各加一个大小相等，极性相同的信号电压，即干扰信号或无用信号

多级直接耦合放大电路的输入级常采用差分式放大电路来抑制零点漂移

，放大差模信号。输入差模信号：两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，即一管电流增加，另一管电流减小，所以两个输出端有信号电压输出，为有用信号为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。可用恒流源来代替Re。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。6.2.3射极耦合（恒流源式）差分式放大电路一、静态分析输入信号为零，即2/6/2023二、动态分析输入差模信号：两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，即一管电流增加，另一管电流减小，所以两个输出端有信号电压输出，为有用信号输入共模信号：两个输入端各加一个大小相等，极性相的信号电压，即干扰信号或有用信号任意信号可分解为共模信号和差模信号例：vi1=10mv,vi2=6mv①差模电压增益1、双端输入、双端输出加负载电阻RL

（一）差模参数（Avd、Rid、Ro）②差模输入电阻③输出电阻二、动态分析特点：①电路多用一个三极管，电压增益未增加；②通过共模负反馈对共模信号（主要为电源电压中的干扰以及温度的变化）进行抑制；③对差模信号（有用信号）进行放大。2、双端输入、单端输出①差模电压增益②差模输入电阻③输出电阻用途:

①将差分信号转换成单端信号，便于与后级放大电路实现共地，常用于中间级；②可通过从不同的集电极输出得到与输入电压反相或同相的输出电压。单入=双入vi1=－vi2=vi/23、单端输入、双端输出ro对Ie分流极小，可忽略！②差模输入电阻③输出电阻①差模电压增益4、单端输入、单端输出①差模电压增益②差模输入电阻③输出电阻1、共模电压增益（vi1=vi2=vic）①双端输出

（二）共模参数（Avc、Ric、Ro）②单端输出

共模电压增益越小，抑制共模信号的能力越强，放大电路的性能越好。2、共模输入电阻3、输出电阻（2）单端输出时共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标，该值描述差分放大电路对零漂的抑制能力，愈大愈好。（1）双端输出时KCMR为无穷大

（三）共模抑制比KCMR在设计放大电路时，应使共模抑制比KCMR大于共模信号和差模信号之比。例题

图示电路中，设T1、T2的β=200，VBE=0.7V，rbb′=200Ω，I0=1mA，Rc1=Rc2=Rc=10kΩ，VCC=+10V，-VEE=-10V，试求（1）电路的静态工作点，（2）双端输入、双端输出时的差模电压增益Avd、差模输入电阻Rid、输出电阻Ro；（3）当电流源的ro=83kΩ时，单端输出时Avd1、Avc和KCMR1的值；（4）当电流源I0不变时，差模输入电压vid=0，共模输入电压vic=+5V或-5V时的VCE值各为多少？恒流源差分放大电路

恒流源电流IE=(VZ

-VBE3)/Re

例题

已知VCC=VEE=12V，三极管的β=50，Rc=100kΩ，Re=33kΩ，R=10kΩ，Rw=200Ω，稳压管的Uz=6V，R1=3kΩ，试估算静态工作点Q、Avd。6.2.4源极耦合差分式放大电路一、CMOS差分式放大电路二、JFET差分式放大电路6.3差分式放大电路的传输特性放大电路输出差模信号随输入差模信号变化的曲线（1）vi1-vi2=vid=0（静态）时，Vo1=Vo2=VCC-（Io/2）Rc；（2）vid在0~±VT范围内，传输特性近似为线性，放大电路工作在放大区此时差模电压增益与电流成正比；（3）vid在±VT~±4VT范围内，传输特性呈非线性；（4）vid＞4VT或vid＜-4VT，一管趋于饱和，一管趋于截止，呈现较好的限幅特性。CMOSMC14573集成电路运算放大器BJTLM741集成运算放大器741型集成运算放大器的简化电路6.4集成运算放大电路的主要参数和对电路的影响输入级中间级输出级偏置电路实质：

集成运放是具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大电路。①提供足够大的电压放大倍数；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③向输出级提供大电流。①一般为电压跟随器或互补电压跟随器；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③具有较小的输出电阻，提高带负载能力。向各放大级提供合适的偏置电流，确定各静态工作点抑制零漂温漂，对集成电路的多项性能起决定性作用

(a)国家标准符号(b)原符号

‘v+’（‘vP’）——同相输入端‘v-’（‘vN’）——反相输入端

‘vo’——输出端

另外：正、负电源端，补偿端和调零端等一.集成运放的符号

1.输入失调电压VIO

室温25℃时，使输出电压为零，输入端所需的补偿失调电压。表征运放制造过程中电路的对称程度和电位配合情况。

2.输入偏置电流IIB集成运放两个输入端静态电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。通常为10nA～1μA。3.输入失调电流IIO

在零输入时，差分输入级的差分对管静态基极电流之差，用于表征输入级差分对管的不对称的程度，一般约为1nA～0.1μA。4.输入失调电压温漂△VIO/△T5.输入失调电流温漂△IIO/△T

二.集成运放的主要技术指标(一)输入直流误差特性(二)差模特性1.开环差模电压增益AVO集成运放工作在线性区时，在无外加反馈条件下的直流差模电压增益。2.开环带宽BW（fH

）又称为-3dB带宽，即开环差模电压增益下降3dB的频率fH。3.单位增益带宽BWG（fT

）

开环差模电压增益下降为1时的频率fT。4.差模输入电阻rid和输出电阻ro5.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,其中一差分对管将出现反向击穿现象。(三)共模特性1.共模抑制比KCMR和共模输入电阻2.最大共模输入电压Vicmax运放能承受的最大共模输入电压，超过此值时，共模抑制能力下降。(四)大信号动态特性1.转换速率SR

闭环状态下，输入大信号时，放大电路输出信号对时间的最大变化速率。

2.全功率带宽BWP

运放输出最大峰值电压时允许的最高频率。(五)电源特性1.电源电压抑制比KSVR用以衡量电源电压波动对输出电压的影响。2.静态功耗PV

PV=VCCICO+VEEIEO第六章自我测试一．判断题1．运放的输入失调电压VIO是两输入端电位之差。()2．运放的输入失调电流IIO是两端电流之差。()3．镜像电流源只能用于较大工作电流的场合。4．有源负载可以增大放大电路的输出电流。()5．差分式放大电路对共模信号和差模信号都具有放大作用。（）、二．选择题1．集成运放电路采用直接耦合方式是因为

。A．可获得很大的放大倍数B．可使温漂小C．集成工艺难于制造大容量电容2．集成运放制造工艺使得同类半导体管的

。A．指标参数准确B．参数不受温度影响C．参数一致性好3．集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以

。A．减小温漂