学习模电复习第五章

武汉大学电气工程学院乐健2013.10电子技术基础－模拟部分第五章

模拟集成电路第2页主要内容5.1模拟集成电路中的直流偏置电路5.2集成电路概述5.3集成运算放大电路5.4集成功率放大器第3页5.1.1单管电流源电路5.1.2双管镜像电流源电路5.1模拟集成电路中的直流偏置电路5.1.3双管微电流源电路5.1.4多路电流源电路5.1.5有源负载第4页5.1.1单管电流源电路若电压源理想、温度恒定，则该电路输出电流Io(集电极电流)也是恒定的。即使电压源和温度有波动，由于发射极电阻的负反馈调节作用，也会使电流变化很小，输出电流Io虽达不到理想的恒定，但也具有很好的稳流特性。第5页第6页5.1.2双管镜像电流源电路T1、T2的参数全同

即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

Io＝IC2≈IREF＝

代表符号1.BJT镜像电流源第7页当器件具有不同的宽长比时（=0）ro=rds2MOSFET基本镜像电流流

2.MOSFET镜像电流源第8页

用T3代替R，T1~T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为

常用的镜像电流源

第9页5.1.3双管微电流源电路由于很小，所以IC2也很小。ro≈rce2（1＋）

（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻）第10页5.1.4多路电流源电路BJT多路电流源

T1和T2、T4和T5为镜像电流源

I2和I3为负电流源，

I5

和I6为正电流源。

第11页MOSFET多路电流源第12页5.1.5有源负载有源负载又称主动式负载，是一种表现出稳流非线性电阻特性的元件或电路。电流源的主要作用是用来稳定放大电路的静态工作点，其次是利用电流源交流电阻大的特点作有源负载还能对放大电路的某些性能进行改善。

第13页主要内容5.1模拟集成电路中的直流偏置电路5.2集成电路概述5.3集成运算放大电路5.4集成功率放大器第14页5.2.1集成电路的特点5.2.2集成电路的动态特性5.2集成电路概述5.2.3集成电路的读图方法第15页5.2.1集成电路的特点（1）电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。电路结构与元件参数容易实现对称性，便于提高电路某方面的性能。比如，用集成电路实现的差分式放大电路比分立元件构成的差分式放大电路，静态工作点的稳定性更好、共模抑制比更大。（2）电阻元件由硅半导体构成，范围在几十欧到几十千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。用有源器件代替无源器件，可提高电压增益。（3）集成电路中的三极管，电流放大系数一般不高，但采用复合管代替单管可大大地提高电流增益。（4）几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。集成电路中的级间耦合只能采用直接耦合方式，直接耦合方式所面临主要问题是前级静态工作点的变化会对后级电路产生很大影响，但低频特性好。（5）二极管一般用三极管的发射结构成。第16页5.2.2集成电路的动态特性多级放大电路框图

1.电压放大倍数

多级放大电路后级输入电阻为前级负载，前级输出电阻为后级信号源内阻，可先求各级增益，相乘后可得总的增益。第17页2.输入电阻

集成电路的输入电阻即为第一级的输入电阻。但需要将后面部分电路的输入电阻作为第一级的负载来求解。3.输出电阻

集成电路的输出电阻即为最后一级的输出电阻。但需要将前面部分电路的输出电阻作为信号源内阻来求解。4.频率响应

集成电路内部采用的是直接耦合方式，其下限频率为零，低频特性好，可直接放大直流信号。第18页5.2.3集成电路的读图方法双入单出差分放大电路复合管构成的共射电路复合管构成的功率放大电路克服交越失真第19页主要内容5.1模拟集成电路中的直流偏置电路5.2集成电路概述5.3集成运算放大电路5.4集成功率放大器第20页5.3.1集成运算放大器的一般组成及符号5.3.2CMOSMC14573集成运放5.3集成运算放大器5.3.3BJTLM741通用型集成运放5.3.4运算放大器的主要参数5.3.5理想运算放大器的特性5.3.6集成运算放大器的分类与应用第21页5.3.1集成运算放大器的一般组成及符号（1）输入级：要使用高性能的差分式放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力。一是确保自身Q点的稳定，二是减小温度不稳对后级放大电路的影响。（2）中间级：多采用带有源负载的共射放大电路，来获取足够的放大能力。（3）输出级：多采用准互补输出电路。主要是减小片耗，提高带负载的能力。即要求RO小，最大不失真输出电压尽可能大，效率尽可能高。（4）偏置电路：提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，为各级放大电路设置合适且稳定的静态工作点。第22页集成电路运算放大器的内部组成单元运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号第23页5.3.2CMOSMC14573集成运放1.电路结构和工作原理CMOS型运放输入电阻大、功耗低，可在低电压下工作

第24页已知VT

和KP5

，可求出IREF

根据各管子的宽长比，可求出其它支路电流。2.电路技术指标的分析计算(1)直流分析第25页设

gm1=gm2=gm

则输入级电压增益

(2)小信号分析第26页总电压增益

Av

=

Av1·Av2

Av2=vo/vgs7

=－gm7(rds7//rds8)

第二级电压增益

将参数代入计算得Av

=

40884.8（92.2dB）第27页原理电路

5.3.3BJTLM741通用型集成运放第28页简化电路BJT型运放一般输入偏置电流及器件功耗较大，它的输出级可提供较大的负载电流

第29页5.3.4运算放大器的主要参数静态技术指标1.输入失调电压VIO

在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）V。高精度运放OP-117VIO=4V。MOSFET达20mV。2.输入失调电流IIO

输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO＝|IBP－IBN|

一般约为1nA～0.1A。

第30页3.输入偏置电流IIB

输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值

IIB＝（IBN＋IBP）/2BJT为10nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。4.温度漂移（1）输入失调电压温漂VIO/

T（2）输入失调电流温漂IIO/

T第31页1.开环差模电压增益Avo和带宽BW

开环差模电压增益AvO开环带宽BW

(fH)单位增益带宽

BWG(fT)741型运放AvO的频率响应

差模特性第32页2.差模输入电阻rid和输出电阻ro

BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.

最大差模输入电压Vidmax第33页共模特性1.共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric

一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放可达140dB，ric≥100MΩ。

2.最大共模输入电压Vicmax

一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达±

13V。第34页大信号动态特性1.转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即

若信号为vi＝Vimsin2ft

，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom第35页2.全功率带宽BWP

指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即

SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。第36页电源特性1.电源电压抑制比KSVR

衡量电源电压波动对输出电压的影响

2.静态功耗PV

第37页图2.1.3运算放大器的电路模型通常：

开环电压增益

Avo105

（很高）

输入电阻

ri106Ω

（很大）

输出电阻

ro100Ω

（很小）

vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

注意输入输出的相位关系5.3.5理想运算放大器的特性第38页当Avo(vP－vN)V＋时

vO＝V＋

当Avo(vP－vN)

V-时

vO＝V-电压传输特性

vO＝

f

(vP－vN)线性范围内

vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率第39页1.

vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－

2.运放的开环电压增益很高

若（vP－vN）＞0

则vO=+Vom=V＋

若（vP－vN）＜0

则vO=–Vom=V－

3.若V－<vO<V＋

则（vP－vN）0

4.输入电阻ri的阻值很高

使iP≈0、iN≈0

5.输出电阻很小，ro

≈0理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)运放的简化电路模型第40页理想电压传输特性理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作。第41页虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此，运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此，线性应用时流入运放输入端的电流往往不足1nA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。第42页5.3.6集成运算放大器的分类与应用按工作原理分为：电压放大型、电流放大型、

跨导型和互阻型

按可控性分为：可控增益型，选通控制型。

按技术指标分为：通用、高速、宽带、高精度、高

输入电阻和低功耗等。通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉

高速宽频用于宽频带放大器、高速A/D和D/A，高速数据