模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第六新.ppt

1,6 模擬集成電路,Fundamental of Electronic Technology,CTGU,2,要求,*了解運(yùn)算放大器中的電流源 *掌握差分放大電路的分析和計(jì)算 *了解集成電路運(yùn)算放大器的組成,3,集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件以及他們之間的連接做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。,集成電路的優(yōu)點(diǎn)：,工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。,集成電路的分類(lèi)：,模擬集成電路、數(shù)字集成電路；,小、中、大、超大規(guī)模集成電路；, ,集成運(yùn)放的特點(diǎn),4,集成電路的工藝特點(diǎn)： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的電路。 （2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。 （4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。不能制造電感，如需電感，也只能外接。 （5）電路中二極管作溫度補(bǔ)償和電位移動(dòng)，一般用三極管發(fā)射結(jié)構(gòu)成。,5,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù), 鏡像電流源, 多路電流源, 電流源作有源負(fù)載, 微電流源,在模擬集成電路中廣泛使用各種電流源，為各種放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作有源負(fù)載。,6,1、三極管基本電流源,(a) (b) 圖06.01 三極管電流源,分壓式偏置電路對(duì)工作點(diǎn)具有穩(wěn)定作用，也就是對(duì)IO有穩(wěn)定作用，IO大小與RC無(wú)關(guān)，具有恒流特性，呈現(xiàn)一種電流源性質(zhì)。,電流源的內(nèi)阻越大恒流特性越好。 理想電流源的內(nèi)阻無(wú)窮大。,7,2. 鏡像電流源,該電路具有恒流特性：,在圖示鏡像電流源電路中，T1和T2參數(shù)相同，且很大。,無(wú)論Rc的值如何， IC2的電流值將保持不變。,8,2. 鏡像電流源,交流電阻,由于T2的集電極電流基本不變。所以交流量,一般Ro在幾百千歐以上,9,2. 鏡像電流源,在鏡像電流源電路中，當(dāng)不是很大時(shí)， IC2與IREF就存在一定的差別。為彌補(bǔ)這一不足，在電路中接入三極管T3。,鏡像電流源適用于較大的工作電流的場(chǎng)合（毫安數(shù)量級(jí)）,問(wèn)題：精度有限，誤差與2IB （或）大小數(shù)值有關(guān)。,10,精密鏡象電流源,精密鏡象電流源電路如圖06.03所示。,由于有T3存在，IB3將比鏡象電流源的2IB小3倍（ IB3 2IB/ 3） 。因此IC2和IREF更加接近。精度提高了 倍,圖06.03 精密電流源1,11,3. 微電流源,在鏡像電流源的T2管射極加一小電阻值的Re2就構(gòu)成了微電流源。,由于T1、T2兩管的VBE差值很小，因此只要一個(gè)較小阻值的Re2就可獲得很小的電流IC2輸出。,12,4. 多路電流源（比例電流源）,用一個(gè)基準(zhǔn)電流來(lái)獲得多個(gè)電流。,由圖可得：,當(dāng)較大時(shí)，有,各管的、VBE相同，則有：,故,當(dāng)IREF確定后，改變各電流源射極電阻，就可獲得不同比例的輸出電流。,13,5. 電流源作有源負(fù)載,共射電路的電壓增益為：,對(duì)于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，,因此增益為,比用電阻Rc作負(fù)載時(shí)提高了。,放大管,14,6.2 差分式放大電路, 直接耦合放大電路, 零點(diǎn)漂移, 電路組成及工作原理, 抑制零點(diǎn)漂移原理,6.2.0 概述,6.2.1 基本差分式放大電路,6.2.2 FET差分式放大電路,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性, 差分式放大電路中的一般概念, 主要指標(biāo)計(jì)算, 幾種方式指標(biāo)比較,15,6.2.0 概述,1. 直接耦合放大電路,可以放大直流信號(hào),2.直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移,零漂：,主要原因：,溫漂指標(biāo)：,溫度變化引起，也稱(chēng)溫漂。,溫度每升高1度時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。,電源電壓波動(dòng)也是原因之一,16,例如,若第一級(jí)漂了100 uV，,則輸出漂移 1 V。,若第二級(jí)也漂了100 uV，,則輸出漂移 10 mV。,假設(shè),第一級(jí)是關(guān)鍵,3. 減小零漂的措施,用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償,采用差分式放大電路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,17,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標(biāo),4. 差分式放大電路中的一般概念,根據(jù)1、2兩式又有,差分式放大電路輸入輸出結(jié)構(gòu)示意圖,差模信號(hào),共模信號(hào),差模電壓增益,共模電壓增益,總輸出電壓,差模信號(hào)輸出,共模信號(hào)輸出,2019/7/17,圖06.09共模信號(hào)和差模信號(hào)示意圖,差模信號(hào)和共模信號(hào),差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。,溫度對(duì)三極管電流的影響相當(dāng)于加入了共模 信號(hào)。,差模信號(hào) 共模信號(hào),是指在兩個(gè) 輸入端加上幅度 相等，極性相反 的信號(hào)。,是指在兩個(gè) 輸入端加上幅度 相等，極性相同 的信號(hào)。,2019/7/17,6.2 差分放大電路,1、 問(wèn)題的提出：緩慢變化的信號(hào)（例如：溫度變化）如何放大？交流放大器行嗎？為什么？,解決的辦法：直接耦合直流放大器。,新問(wèn)題出現(xiàn)：“零點(diǎn)飄移”Q點(diǎn)的緩慢移動(dòng)。,解決的辦法：差分放大器。 特點(diǎn)：對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，相同的參數(shù)，Q點(diǎn)的變化相同，互相抵消。,基本差分放大器。 問(wèn)題：兩邊的漂移并不小，依賴對(duì)稱(chēng)互相抵消。大范圍抵消難達(dá)到。,容抗問(wèn)題！,20,帶公共電阻Re的差分放大器。,思想：由分壓式偏置電路。引入公共Re穩(wěn)定工作點(diǎn)，減小飄移量，Q點(diǎn)變化范圍小，容易互相抵消。,帶恒流源的差分放大器。,分析：Re對(duì)差動(dòng)信號(hào)的放大有什么影響？,無(wú)影響！,問(wèn)題：要穩(wěn)定Q點(diǎn)，Re必須大，Re大則要求-Vee高，管子要求也高，有時(shí)不現(xiàn)實(shí)。怎么辦？,恒流源電流數(shù)值： IE =(VZ - VBE3 )/ Re 為定值，Ic1 = Ic2 = IE /2電流被固定。,21,圖06.10雙電源差分放大電路,3、差分放大電路的靜態(tài)計(jì)算,(動(dòng)畫(huà)6-1),（1）直流等效電路,（2）Q點(diǎn)計(jì)算,22,圖06.11雙端輸入雙端輸出,(1)差模電壓放大倍數(shù)Avd,雙端輸入差放電路如圖06.11所示。負(fù)載電阻接在兩集電極之間。vi 接在兩輸入端之間，也可看成 vi /2各接在兩輸入端與地之間。,雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù),23,雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù),這種方式適用于將 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出 的信號(hào)。,雙端輸入單端輸出因只利 用了一個(gè)集電極輸出的變化量， 所以它的差模電壓放大倍數(shù)是 雙端輸出的二分之一。,圖06.12雙端輸入單端輸出,24,單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù),單端輸入信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為雙端輸入，其轉(zhuǎn)換過(guò)程見(jiàn)圖06.13。右側(cè)的Rs+rbe歸算到發(fā)射極回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 對(duì) Ie 分流極小，可忽略，于是有,這種方式用于將單 端信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端差分 信號(hào), 可用于輸出負(fù)載 不接地的情況。,圖06.13 單端輸入轉(zhuǎn)換為 雙端輸入,vi1 = vi2 = vi /2,25,單端輸入單端輸出,通過(guò)從 T1 或 T2 的集電極輸出，可以得到輸出與輸入之間或電位反相或電位同相的關(guān)系。從T1的基極輸入信號(hào)，從C1 輸出，為反相；從C2 輸出為同相。,26,(2)差模輸入電阻,不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。,(3)輸出電阻,輸出電阻在 單端輸出時(shí)， 雙端輸出時(shí)，,27,5、共模狀態(tài)動(dòng)態(tài)計(jì)算,若輸入信號(hào)極性，幅度都相同, 則是純共模信號(hào)。,溫漂信號(hào)屬典型的共模信號(hào)，它對(duì)差分放大電路中Ic1和Ic2的影響相同。,若極性相同，幅度不等，則信號(hào)既包含共模、又包含差模分量，如圖06.14所示。,28,計(jì)算共模放大倍數(shù)Avc的微變等效電路，如圖 06.15 所示。其中Re用2Re等效，這與差模時(shí)不同。 Avc的大小，取決于差分電路的對(duì)稱(chēng)性，雙端輸出 時(shí)可以認(rèn)為等于零。,(1) 共模放大倍數(shù)Avc,圖06.15 共模微變等效電路,29,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。 單端輸出時(shí)為,，或,雙端輸出時(shí)KCMR可認(rèn)為等于無(wú)窮大，單端輸出時(shí)共模抑制比,(動(dòng)畫(huà)6-2),30,4. 幾種方式指標(biāo)比較,31,4. 幾種方式指標(biāo)比較,32,與共源電路相同,6.2.2 FET差分式放大電路,1. 電路組成,2. 差模增益,3. 差模輸入電阻,圖6.2.10,33,？,思 考 題,差分式放大電路如圖所示。分析下列輸入和輸出的相位關(guān)系：,反相,vC1與vi1,end,同相,vC2與vi1,同相,vC1與vi2,反相,vC2與vi2,反相,vO與vi1,同相,vO與vi2,3. 靜態(tài)時(shí)，兩個(gè)輸入端是否有靜態(tài)偏置電流？,34,6.3 運(yùn) 算 放 大 器,運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。,35,6.3.1方框圖,集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖所示。,圖 06.16 運(yùn)算放大器方框圖,36,6.3.2運(yùn)算放大器的符號(hào),(1)集成放大器的符號(hào) 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)如圖06.17所示。,(a) (b) 圖06.17 模擬集成放大器的符號(hào) (a) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) (b)原符號(hào),輸入+表示同相輸入端,輸入-表示反相輸入端,37,6.4.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器,38,1.輸入級(jí)使用高性能的差分放大電路，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，采用雙端輸入雙端輸出的形式。,4.偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而 變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。,3.互補(bǔ)輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極 管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電 壓或電流。具體電路參閱功率放大器。,2.中間放大級(jí)提供高的電壓增益，以保證 運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電 路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。,39,6.3.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù),運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)很多，根據(jù)運(yùn)放本身的特點(diǎn)可分成： （1）參數(shù)均比較適中的是通用型運(yùn)放； （2）對(duì)某些指標(biāo)有特殊要求的特種運(yùn)放。,40,1.輸入失調(diào)電壓Vio ：(input offset voltage)輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)。,2.輸入失調(diào)電流 Iio ：(input offset current)在 零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之 差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。,3.輸入偏置電流IB ：(input bias current)運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分 放大對(duì)管輸入電流的大小。,4.輸入失調(diào)電壓溫漂 dVio /dT,5.輸入失調(diào)電流溫漂dIio /dT,41,8.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Avd ：(open loop voltage gain)運(yùn)放在無(wú)外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。,9.差模輸入電阻rid ：(input resistance)輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。,10.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益 Avd 與共模電壓增益 Avc 之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB),42,12.單位增益帶寬 f c (BWG)(unit gain band width) Avd 下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬 f c 。,11.3dB帶寬 f H ： (-3dB band width) 運(yùn)算 放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB 所定義的帶寬 f H 。,13.轉(zhuǎn)換速率S R (壓擺率)(slew rate)反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為。,14.等效輸入噪聲電壓Vn(noise voltage)輸入端短路時(shí)，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對(duì)應(yīng)。,43,運(yùn)算放大器外形圖,44,運(yùn)算放大器外形圖,45,6.3.5 理想運(yùn)算放大器,（1）.差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd80dB即可。,1、理想運(yùn)算放大器的條件,（2）.差模輸入電阻Rid=，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個(gè)量級(jí)即可。,（3）.輸出電阻Ro=0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個(gè)量級(jí)即可。,（4）.帶寬足夠?qū)挕?（5）.共模抑制比足夠大。,46,理想運(yùn)放具有“虛短”和“虛斷”特性，這對(duì)分析線性