模拟电子技术基础课件：第六章模拟集成电路

1、,6 模拟集成电路,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,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,6.2 差分式放大电路,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.1.1 BJT电流源电路,6.1.2 FET电流源,1. 镜像电流源,2. 微电流源,3. 高输出阻抗电流源,4. 组合电流源,1. MOSFET镜像电流源,2. MOSFET多路电流源,3. JFET电流源,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,T1、T2的参数全同,即12，ICEO1ICEO2,当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略,IoI

2、C2IREF,代表符号,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,6.1.1 BJT电流源电路,2. 微电流源,所以IC2也很小。,Io=IC2=VBE/Re2 Io很小，VBE2也很小 T2 工作在弯曲区 所以 Vcc 对Io 影响也很小,A1和A3分别是T1和T3的相对结面积,动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻高,6.1.1 BJT电流源电路,3. 高输出阻抗电流源,6.1.1 BJT电流源电路,4. 组合电流源,T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF,T1和T2、T4和T5构成镜像电流源,T1和T3，T4和T6构成了微电流源,6.1.2

3、 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,当器件具有不同的宽长比时,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本镜像电路流,6.1.2 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,用T3代替R，T1T3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,end,6.2 差分式放大电路,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,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,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,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理, 双入、双出, 双入、单出, 单入、双出, 单入

4、、单出,基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。,所谓“单端”指一端接地。,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,静态,(vi = 0),动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,1. 电路组成及工作原理,2. 抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势相同,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,2. 抑制零点漂移原理,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用,3. 主

5、要指标计算,（1）差模情况,接入负载时, 双入、双出,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双入、单出,接入负载时,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同。,等效于双端输入,3. 主要指标计算,（2）共模情况, 双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益, 单端输出,抑制零漂能力增强,3. 主要指标计算,（2）共模情况,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,静态,

6、IE6 IREF,IO IE5,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模电压增益 （负载开路）,则,单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益,差模输入电阻 Rid2rbe,输出电阻,6.3 差分式放大电路的传输特性,根据,iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线,end,6.4 集成电路运算放大器,6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573,6.4.2 集成运算放大器

7、741,6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器,电路结构和工作原理,6.4.2 集成运算放大器741,原理电路,next,6.4.2 集成运算放大器741,简化电路,end,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,输入直流误差特性（输入失调特性）,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（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放O

8、P-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。,2. 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（IBNIBP）/2,BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。,6.5.1 实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性（输入失调特性）,3. 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|IBPIBN| 一般约为1 nA0.1A。,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,6.5.1 实际集成运放的主要参数,差模特性,1. 开环差模

9、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,6.5.1 实际集成运放的主要参数,差模特性,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rid1012 超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA 一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模输入电压Vidmax,6.5.1 实际集成运放的主要参数,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（80120）dB，高

10、精度运放可达140dB，ric100M。,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。,6.5.1 实际集成运放的主要参数,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viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom,6.5.1 实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,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S

11、R在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。,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,6.5.1 实际集成运放的主要参数,1. 集成运放的选用,根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,

12、1.差模电压放大倍数Avd=,理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻Rid=,3.输出电阻Ro=0,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。,2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,输入为零时的等效电路,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容C，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,3. 调零补偿,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,（a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路,6.6 模拟乘法器,6.7 放大电路中的噪声与干扰,电磁耦合噪声,集成

13、电路的噪声,三极管的噪声,热噪声,这是由于电子不规则热 运动而产生的随时间变化的 噪声电压，可出现在无源元 件,如电阻和三极管等有源器 件中。所有具有电阻的器件 都会产生热噪声，温度越高, 热噪声越大。热噪声电压是 一个非周期变化的时间函数， 它的频带很宽，放大电路的 频带越宽，受热噪声的影响 越大。,三极管的噪声,三极管的噪声有:,热噪声,散粒噪声,颤动噪声,通常所说的三极管电流是一个 平均值，由于载流子注入的不 均匀性，使三极管的电流出现 不规则的波动，所产生的噪声 称为散粒噪声。,一般认为是由三极管的晶体表面 载流子复合造成的，因此，颤动噪 声与半导体材料和工艺水平有关。 这种噪声与频率

14、成反比，也称为 1/f 噪声。在低频段，三极管的噪 声主要由它决定。,集成电路的噪声,热耦合噪声,高频辐射噪声,集成电路硅片上的发热元 件，将热量传递给小信号元件， 从而可能影响整个集成电路的 工作。这种热量的传递是不 稳定的，类似于热噪声。,集成电路特别在大信号条 件下工作时，会产生高频分量 的辐射。在开关状态下工作时， 电源提供的电流有过度尖峰， 也会产生高频辐射。,电磁耦合噪声,由于布线的原因，信号通过地线、电源和传 输线的阻抗互相耦合而形成的噪声。在放大电路 中会因电源滤波不佳造成交流声，甚至形成寄生 振荡。电磁耦合会在运算放大器的输入端引起所 谓差模噪声和共模噪声。 这完全由电磁干扰

15、在运放的两条输入线上产生的耦合电流的方向来决定，噪声电流IN与差模信号电流IS方向相同时，产生差模噪声；噪声电流IN在两输入线上方向相同，则产生共模噪声。差模噪声和共模噪声往往同时产生。,信噪比,噪声的大小所造成的危害，要看信号与噪 声的相对大小而定。工程上用信号噪声比，简 称信噪比来衡量。信噪比SNR的定义,式中PS为信号功率，PN为噪声功率。对于 放大器来说，只有当信噪比大于1时，信号才不致被噪声淹没。当然信噪比要大一些好。,噪声系数NF,电子电路本身有噪声，所以输出端的信噪比会小于输入端的信噪比。为了说明电子电路本身的噪声水平，工程上定义了噪声系数,无噪声的电路噪声系数为0 dB，一般低

16、噪声电路的噪声系数应小于3 dB。,多级放大电路的噪声,对一个多级放大电路来说，对进入放大电路 第一级的信号和噪声同时加以放大。在放大的同 时还会混入第一级自己的噪声，随之会被后几级 加以放大。所以要尽可能提高第一级的信噪比， 要在第一级使用低噪声器件，同时提高第一级的 增益，这样可以尽量降低放大电路自身噪声的影 响。,抗干扰措施,抑制电磁场干扰的主要措施,选用低噪声元器件,选用低噪声元器件,电阻器有热噪声，三极管、运算放大器等都 有噪声系数的指标。为了获得低噪声水平，应选 用低噪声元器件。不过要根据输入信号的大小来 决定选用多大噪声系数等级的器件，因为低噪声 器件的价格很昂贵。 要使元器件降

17、低噪声，要注意使用的条件。 降低元器件的工作温度 降低信号源内阻,降低温度有利于降低热 噪声，电阻一般不应在超过额 定功率一半的条件下工作。,抑制电磁场干扰的主要措施,(1) 屏蔽,噪声干扰源屏蔽起来。例如将变压器屏蔽起来，因为变压器是一个很大的电磁干扰源。变压器的干扰一般具有方向性，改变方向也能有效降低干扰强度。,屏蔽就是在电子电路中将,最怕受干扰的部分屏蔽起来。例如放大器的输入回路。屏蔽分电场屏蔽和磁场屏蔽，屏蔽材料可用铜、铝、铁的箔片制成，也可采用铁淦氧和坡莫合金等材料。铁淦氧是绝缘导磁材料，可屏蔽磁场，坡莫合金是良好的导电、导磁材料，可有效屏蔽电场和磁场。在要求较高的场合，可以采用多层

18、屏蔽。,(2) 滤波和去耦,滤波是将交流电源整流后的交流分量抑制掉。 滤波后，直流电源中的纹波对电子电路各级的影 响是不同的。对末级，因信号幅度大，小小的纹 波不会造成危害。但对输入级，因信号微弱，小 小纹波的危害就不容忽视。因此需要加去耦合电 路. 去耦电路就是一个RC电容滤波电路。这样就进一步在直流供电上隔离了输入级和末级之间的耦合，有利于降低第一级的噪声系数。,合理布置电源的供电走线，将流有大电流的走线和输入级的供电线分开，供电线成网状分布，以降低印制电路板的铜箔电阻。 RC去耦电路,(3) 合理接地,合理接地十分重要，它可以基本消除信号电 流流过地线形成的耦合。放大级之间通过地线的 耦合示意图见图。 正确接地的方法,采用一点接地可有效消除放大级之间通过地线的不良耦合。,一点接地就是将电子电路各 级