模拟电子技术基础：第6章 模拟集成电路

第6章模拟集成电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容介绍集成放大电路的特点。2.电流源电路——集成运放的典型单元电路之一包括①镜像电流源②微电流源③多路电流源各自适用范围电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容3.差分式放大电路——集成运放的典型单元电路之二。根据输入、输出的不同，可组合成四种典型电路（双入双出、双入单出、单入双出、单入单出），要求会求各种电路参数。4.理想集成运放的特性及代表符号含义。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础概述一.集成电路简称IC【IntegratedCircuit】60年代初发展起来。它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.集成电路分类按功能分，可分为：数字集成电路模拟集成电路输入量和输出量为高、低电平，且具有一定逻辑关系的电路。数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路。最典型的：集成运算放大器（简称集成运放：IntegratedOperationAmplifier）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.特点电路参数一致性好，适用于构成差分放大电路。用有源器件代替无源器件。采用复合结构的电路。级间采用直接耦合方式。常用耦合方式有三种：①直接耦合②通过电容耦合——称阻容耦合③通过变压器耦合用三极管的发射结代替二极管。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础6.1集成电路中的直流偏置技术电流源（CurrentMirror）电路就是在集成运放中最常用的偏置电路，它不仅可以为放大电路提供稳定的偏置电流，还可以作放大电路的有源负载。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础一.镜像电流源设T1、T2的参数完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2电源VCC通过电阻R和T1产生一个基准电流IREF，则工作原理分析电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础而又又整理后，得当满足条件β>>2时，有一.镜像电流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础即且通常有VCC>>VBE1由推导可见，IREF由VCC和R决定，而IC2像IREF的镜像，与其本身一侧的电阻RC无关。所以，无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变。一.镜像电流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础补偿作用镜像电流源的特点

优点：①结构简单；适用于较大工作电流（mA级）的场合。适用范围：②T1管对T2管具有一定的温度补偿作用，使得IC2的温度稳定性较好。温度T↑IC2↑IC1↑IREF↑VR(=IREFR)↑VB↓IB↓IC2↓T↓则相反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础缺点：①当直流电源VCC变化时，输出电流IC2几乎按同样的规律波动，因此不适用于直流源在大范围内变化的集成运放。②若输入级要求微安级的偏置电流，则所用电阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。③该电路限制β>>2时才成立，若β值很小时，IC2与IREF就存在一定的差别，不能达到很好的镜像。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3带缓冲级的镜像电流源为了弥补缺点3，对原电路进行如下改进：令接入电路中的T3与原电路中T1和T2参数完全一致。【分析电路】而又电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础又整理后，得：非常小（μA级），可忽略IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3带缓冲级的镜像电流源电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础若取β＝10，则而原电路若也取β＝10由于可见该电路即使β很小，也可以认为IC2≈IREF，二者能保持很好的镜像关系。IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3带缓冲级的镜像电流源电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.微电流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2【镜像电流源电路】为弥补缺点2，即减少IC2值至微安级，需改进原电路IREFIC1IC2VCCRe2T2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2IE2微电流源电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础IREFIC1IC2VCCRe2T2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2IE2微电流源当基准电流IREF一定时，IC2可得：式中(VBE1-VBE2)通常只有几十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的Re2（几千欧）即可获得微小的工作电流IC2（μA级），称为微电流源。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础T0VCCTIREFICIE0IB0三.多路电流源已知各BJT的参数β、VBE数值相同，求各电流源IC1、IC2及IC3与基准电流IREF的关系式。由图可知：当β较大时，有：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础T0VCCTIREFICIE0IB0由于各管的β、VBE相同，则有…

…

…

…推广：可见当IREF确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不同比例的输出电流。三.多路电流源电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础IREF四.电流源用作有源负载下图为一个采用有源负载的单管共射放大电路。T1:放大管T2:有源负载组成镜像电流源，代替原来共射放大电路中的电阻RC。电流源特点：直流电阻小，交流电阻大。在模拟集成电路中，广泛地把它作为负载使用，称为有源负载。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础设T2和T3管特性完全相同，有β2=β3=βIC2=IC3基准电流由基准电流就可以确定放大管的空载静态工作电流IC1Q：∵∴四.电流源用作有源负载IREF电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础∴在集成运放中常常用三极管代替负载电阻RC，组成有源负载，以获得较高的电压放大倍数。在共射电路中，可使每级的电压增益达103甚至更高。∵三极管的集电极具有等效电阻rce比较大的特点电流源亦常用作射极负载。四.电流源用作有源负载电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本节小结本节介绍了几类电流源电路：镜像电流源、带缓冲级的镜像电流源、 微电流源、多路电流源。

关键是要掌握电流源电路的应用场合：(1)最主要是用于集成运放的偏置电路中，为各级放大电路提供稳定的偏置电流（或静态电流）；(2)代替大电阻作放大电路的有源负载。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础6.2差分式放大电路一.概述线性放大电路vi1vi2vo

就其功能来说，它是两个输入信号之差。

多用于集成运放的输入级。

如右图所示，在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为：vo=AVD(vi1-vi2)AVD——差分式放大电路的差模电压增益电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础关于“输入电压的两种形式”：差模输入电压vid【d：differential】共模输入电压vic【c：common】即：两个输入信号的电压大小相等，但极性相反。即：两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同。vid

——也称为差模信号vic

——也称为共模信号分别表示为电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础求总的输出电压：式中——差模电压增益——共模电压增益有时即使是两种情况下输入信号的差模信号相同，但其共模信号不一致，则输出电压也是不相同的。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE二.射极耦合差分式放大电路电路构成特点T1与T2的特性完全相同，电路结构对称。电路参数也相同，即：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础工作原理VBE取0.7V（1）静态分析则：又而∵∴vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础Q点各参数已求得：（1）静态分析同时，即输入信号为0时，输出信号也为0。vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析关于“零点漂移”

定义：输入电压（vi）为零而输出电压（vo）不为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，简称零漂。工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析关于“零点漂移”

产生原因：以目前的工艺水平，由温度变化所引起的半导体器件参数变化成为产生零漂现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。

差分放大电路对抑制零点漂移具有很好的效果工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vEvC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】a)考虑加入纯差模信号工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础【微变等效电路】vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+（2）动态分析vC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2a)考虑加入纯差模信号注意这里讨论的输入信号已不是纯正弦波，而是杂波信号，所以不再用向量形式的符号表示了。工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析a)考虑加入纯差模信号求AVD：当c1、c2间接入负载电阻RL时工作原理vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析a)考虑加入纯差模信号求Ri：求Ro：电压增益与单管放大电路的完全相同，可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制零漂的能力。工作原理vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析b)考虑加入纯共模信号voc+-vi1+-vi2b1b22ro2rovoc1++--voc2∵两管的电流或是同时增加，或是同时减少∴在双端输出时，其输出电压为：工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析b)考虑加入纯共模信号求AVC：可见对共模信号几乎没有任何放大。AVC越小，说明放大电路的性能越好。voc+-vi1+-vi2b1b22ro2rovoc1++--voc2工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态分析c)共模抑制比KCMR希望KCMR越大越好定义：有时也用分贝数表示：双入双出电路的适用范围：①用于输入、输出不需要一端接地时；②常用于多级直接耦合放大电路的输入级、中间级。∞双入双出电路工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.差分放大电路的其它接法（一）双端输入、单端输出电路以从vc1取输出电压为例：+-vi1+-vi2roIoeb1b2vC1+-vo由于单端输出，使得输出回路不再对称，故会影响到静态工作点和动态参数。当分别从T1或T2输出时，有电路适用范围将双端输入转换为单端输出，常用于多级直接耦合放大电路的输入级和中间级。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+-vi1=vidvi2eb1b2+-≈vid

/2-+≈vid

/2ve≈vid

/2【交流通路】vc1vc2两个输入端有一个接地，输入信号加在另一端与地之间。（二）单端输入、双端输出电路+-vivi2roIoeb1b2vC1vC2vi1分析后发现：AVD、Ri和Ro与双入双出时均相同。电路适用范围将单端信号转换为双端输出，常用于多级直接耦合放大电路的输入级。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（三）单端输入、单端输出电路和前面几种接法的分析相同，不作具体分析。但有一点提醒注意：对于单端输出电路（无论是双入还是单入），选择从不同的三极管输出，会使输出电压与输入电压反相或同相。比如：从vc1输出，有从vc2输出，有电路适用范围用在放大电路输入电路和输出电路均需有一端接地的电路中。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

四.差分放大电路动态参数计算总结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：与单管放大电路相同为双端输出时的一半电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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：差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础输出电阻单端输出时：双端输出时：共模抑制比双端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vidvo2Rg11MΩRd110kΩRd210kΩR120kΩR32.7kΩR23.3kΩRg21MΩVDD+12V-VSS-12VT3T4T1T2I0iD1iD2IE31.2mAIREF1mAIE4五.FET差分式放大电路图为带恒流源的JFET差分式放大电路。T1和T2是差分对管恒流源电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本节小结差分放大电路在电路中的作用、工作原理；零漂（即温漂）的概念及产生原因；主要讨论的问题有【即要会求各参数】：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻差分放大电路共有四种输入输出方式:双入双出、双入单出、单入双出、单入单出电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础要注意单端输出时的极性关系：归纳出如下结论：本级时，输出极性相反；相对级时，输出极性相同；本节小结电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础6.3集成电路运算放大器vPvNvo一.简单的集成电路运算放大器典型集成运放的方框图：负载