電子科大課堂講義模擬電路第5章課件

1、 第五章 模擬集成單元電路 5-1 概述 1、集成電路中的元器件特性（1）元器件相對誤差小，絕對誤差大；（2）電阻、電容數(shù)值有限；（3）無法集成電感；（4）制做器件比制做元件容易，且占用芯片面積最??；（5）NPN型管比PNP型管制做容易，且PNP管受限。 模擬集成電路中的幾種單元電路5-2 恒流源一、電路功能（1）作各級的偏置電路（2）作有源負(fù)載2、集成電路特點（1）采用直接耦合方式（2）輸入級電路采用差動放大電路以抑制零點漂移；（3）各級偏置電路采用電流源（恒流源）；（4）用有源負(fù)載代替電阻負(fù)載。二、恒流源模型和恒流源電路原理恒流源伏安特性曲線恒流源線性模型 實現(xiàn)恒流源的電路原理（1）固定基

2、流恒流源 此時ro0.5rce（2）固定發(fā)射結(jié)電壓恒流源 此時rorce（3）加射極電阻的恒流源rorce 三、 模擬IC中的恒流源（實用恒流源電路）1、基本鏡象恒流源（屬于UBE固定的恒流源）電路形式IC2：恒流源提供的偏置電流IR： 參考電流推導(dǎo)IC2與IR關(guān)系：當(dāng) 當(dāng)不大時，IC2的鏡象精度較差，可采用2、帶共集管的鏡象恒流源 IC2與IR關(guān)系：內(nèi)阻 ro= rce2 為提高電流源ro 及減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)對電流精度的影響，改進(jìn)電路為 3、微電流恒流源（IC2IR）電路形式推導(dǎo)IC2與IR關(guān)系式 4、比例電流源 電路形式 作業(yè)：5-1，5-25、作有源負(fù)載的恒流源電路形式等效電路交流通

3、路 練習(xí)1（單選）如圖兩電流間關(guān)系是（ ） （1）Io1Io2 （2）Io1Io2 （3）Io1Io2Io1Io2練習(xí)2（多選）電路（ ） （1）稱為基本鏡象恒流源 （2）稱為比例恒流源 （3）Io=0.5mA （4）Io=1mA （5）Io=2mA比例恒流源；Io=0.5mA 練習(xí)3 電路中T1T3均為Si管，求IC1。（1） 解：T2、T3、Rr構(gòu)成基本 鏡象電流源，作有源負(fù)載。 IC2=IR 又IC1=IC2 IC1=IR由KVL：UBE3+IRRr=15+15練習(xí)4：設(shè)計一個微電流輸出的電流源，若 VCC=15V，R=19k，要求輸出電流IC2=10A，R2應(yīng)選多大，若IC2=0.1m

4、A，R2又為多大？解：采用微電流源。 IC2=10-2mA,R2=11.2kIC2=10-1mA,R2=520 直接耦合放大電路最主要的問題是零點漂移，而且以第一級的零漂影響最大，為此IC在輸入級采用差動放大電路以抑制零漂。5-3 差動放大電路抑制原理：（1）利用電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)的對稱性；（2）利用發(fā)射極電阻的負(fù)反饋作用 來抑制零漂。一、差動放大電路特點和性能指標(biāo)1、電路組成（長尾式差動放大電路）要求T1、T2參數(shù)對稱，元件對稱，電路對稱。 差放電路有兩個對地輸入端（b1、b2）； 兩個對地輸出端（c1、c2）。 故有兩種輸入方式 單端輸入：從一個輸入端與地之間輸入 雙端輸入：從兩個輸入端浮

5、地輸入 兩種輸出方式 單端輸出：從一個輸出端與地之間輸出 雙端輸入：從兩個輸出端浮地輸出共有四種組合方式 雙入雙出：（a）圖 雙入單出：（b）圖 單入雙出：（c）圖 單入單出：（d）圖 2、差模信號與共模信號 定義差模信號： 一對大小相等、極性相反的輸入信號。用uid表示差模輸入電壓，并設(shè)兩管輸入信號電壓 分別為 us1、us2，它們?yōu)橐粚Σ钅Ｐ盘?，?uS1=uid1=uid ， uS2=uid2=-uid 。當(dāng) us1=-us2 即 定義共模信號： 一對大小相等、極性相同的輸入信號。用uic表示共模輸入電壓，當(dāng)us1=us2=uic時，為一對共模信號。對任意兩輸入信號us1、us2（uS1

6、uS2），可認(rèn)為它們是某差模信號分量和某共模信號分量的組合：從而解出差模輸入電壓分量：共模輸入電壓分量： 圖（a）共模輸入（并聯(lián)輸入） （b）差模輸入（雙端浮動輸入）方式。（2）差模輸入電阻（1）差模電壓增益 分為Aud（雙出），Aud（單出）3、差動放大電路性能指標(biāo)（3）共模電壓增益（4）共模輸入電阻（5）共模抑制比 二、差動放大電路的分析方法和工作特點1、靜態(tài)Q點求解(us1=us2=0) 由IEUCE （或UC）由于電路對稱,元器件對稱，故兩管對應(yīng)的電流電壓對稱,只需對半邊電路列方程求解。（1）畫出直流通路，標(biāo)出各管電流、電壓；（2）對一半電路(直流通路)列電路方程求解。uS1=uS2=

7、0（不作用）工程估算法：若令UB1=0 ，則UE1=-UBE ，可直接求出上式。對輸出回路： UCE1=UCE2=UCC+UEE-IE(RC+2Rcm) 或 UC1=UC2=UCC-ICRC由輸入回路當(dāng) 2、動態(tài)特性分析（1）對差模信號的放大特性 差模輸入電壓Uid 加在兩管輸入端（雙端輸入）,兩管各分得一大小相等、極性相反的差模信號。公共電阻Rcm、RL對差模信號的等效：Uid引起兩管電流、電壓的變化是大小相等，極性相反（a）Rcm對差模信號短路； （b）交流地電位在RL處。 得差模等效電路（VEE、VCC對信號短路）差模電壓放大倍數(shù)Aud（雙出）=Au（半） 由半邊小信號等效電路 = Au

8、d（雙出）Au（半）=Rod（雙出）=2RC差模半邊等效電路對單端輸出Au（半）=Aud（單出）= =Au（半） 若從C2單端輸出，僅Aud（單出）改變符號，其余均不變。結(jié)論：差動電路對差模信號的放大能力強(qiáng)。c1 （2）對共模信號的抑制特性公共電阻Rcm、RL對共模信號的等效：共模信號引起兩管電流、電壓增量的大小、極性相同，（a）Rcm對共模信號相當(dāng)于2Rcm； （b）RL兩端等電位（電壓為零）。 故雙端輸出的共模信號為零，利用對稱性抑制了共模信號。AC（單出）的求解先畫共模交流等效電路（VCC 、VEE仍為短路處理）： 再畫共模半邊等效電路AC（單出）=可見由于2Rcm的存在，使Au（單出）

9、很小，即抑制了單端輸出的共模增益。歸納：差動放大電路依靠對稱性抑制了雙端輸出的共模信號，依靠發(fā)射極電阻Rcm抑制了單端輸出的共模信號。 3、差放電路能放大有用信號而抑制零點漂移的原因 由于差放電路能區(qū)別對待差模信號（放大） 共模信號（抑制），故放大有用信號要以差模方式輸入（對地浮動輸入）或者單端輸入；而零點漂移可等效為共模信號輸入。 共模抑制比（KCMR）是專門表征差放電路這一性能的指標(biāo)，其值越大，差放電路性能越好。 差放電路正是利用比單管電路多一倍的元器件為代價，換來了抑制零點漂移的能力。1、抑制原理 電路區(qū)別對待差模、共模信號（有用信號、零漂）， 利用對稱性和射極電阻抑制零漂。小結(jié)Au（半

10、）=或Au（半）=（1）畫出差模等效電路（VCC、VEE、Rcm短路）；（2）畫出對應(yīng)差模半邊電路的小信號等效電路；（3）根據(jù)輸出（雙出、單出）寫出Au（半）定義式并求解； 2、差模增益Aud的求解（4）根據(jù)Aud（雙出）、Aud（單出）定義式與u（半）的關(guān)系求出Aud。對Aud（單出）符號的確定方法：同一管輸入、輸出時，Aud（單出）為負(fù)；不同管輸入、輸出時， Aud（單出）為正。（1）畫出共模等效電路 （VCC、VEE短路，各管射極電阻為2Rcm）；（2）畫出對應(yīng)的共模半邊小信號等效電路；（3）求解此時的Au（半）；（4）Auc（單出）=Au（半）且符號與輸出端無關(guān)。2、共模增益Auc（單

11、出）的求解（KCMR）（3）Ui1=5mV，Ui2=1mV時從c1輸出的電壓Uo1；（4）接射極調(diào)零電位器（Rw=200歐）滑動端在中間位置時的Ad（單）。Ui1、Ui2為一對差模輸入信號，求下列問題： (1)求Ad（雙出）； (2)從c1輸出時的Ad（單出）；例題： 已知RSRS解：(1) Ui1=Uid ，Ui2=-Uid Uid=Ui1-Ui2 Aud(雙出)=Au(半)RSRS若從C2單端輸出，則Ad(單出)變號。 (2) Ad(單出) RSRSUo1AC(單出)= RSRS(3)此時為任意輸入，將Ui1、Ui2分解， Uid=Ui1-Ui2=5-1=4mV； Uic=(Ui1+Ui2

12、)=3mV； Uoc(單出)=Uoc1+Uod1=Ac(單出)Uic+Ad(單出)Uid =(-0.732) 3+(-83.3) 4=-335.4mV =-0.335V共模抑制比（4）此時電路為差模半邊小信號等效電路差模半邊小信號等效電路=A(半)Ad(單出)=5-4 功率輸出級實用放大電路一般結(jié)構(gòu)框圖 工作任務(wù) 放大電壓信號 放大信號功率工作范圍 小信號 大信號分析方法 微變等效電路法 圖解法或折線模型管子工作狀態(tài) 甲類 甲乙類 分析內(nèi)容 Au、Ri、Ro Pom、效率、PCM、 及頻率響應(yīng) BUCEO、及失真度 比較： 電壓放大器 功率放大器1、特點（1）要求輸出功率Po盡可能大Pomax

13、（2）具有較高效率一、功率放大器的特點、指標(biāo)和分類（3）盡量減小非線性失真（4）保證功放管使用安全和采取散熱措施 要求：PcmaxPCM ；UCEmaxBUCEO ；IcmaxICM 2、功率放大器的分類按功放管靜態(tài)Q點位置可分為：甲類 乙類 甲乙類 丙類甲類：Q點選在輸入特性曲線直線部分，在Ui整個周期內(nèi)，管子處于導(dǎo)通。 缺點：效率低（理想的omax50%）。 乙類：Q點選在輸入特性截止點，只在Ui正半周 管子導(dǎo)通。效率max78.5%甲乙類：Q點選擇比乙類稍高、低于甲類位置，在Ui大半個周期管子導(dǎo)通。丙類：Q點選在輸入特性截止點左邊，只在Ui正半周部分時間內(nèi)管子導(dǎo)通。四種工作狀態(tài)中，甲類功

14、放的效率最低，丙類最高。三極管的靜態(tài)電流造成了電路靜態(tài)時的管耗，是影響電路轉(zhuǎn)換效率的主要因素。管子導(dǎo)通時間越短，管子的功耗越小。丙類用于高頻大功率放大電路，而低頻功率放大電路常用乙類或甲乙類。功率放大電路的主要作用：向負(fù)載提供足夠大的功率，電源的利用率高，而不要求有很高的電壓放大倍數(shù)；具有較低的輸出電阻以增強(qiáng)帶負(fù)載能力；有較高的輸入電阻以減小對前級電路電壓放大倍數(shù)的影響；低頻功率放大電路的引出采用共C組態(tài)的放大電路、乙類偏置狀態(tài)構(gòu)成的互補(bǔ)對稱電路可實現(xiàn)上述要求。二、雙電源互補(bǔ)推挽乙類功率放大器1、 原理性電路 電路形式 要求：T1、T2為參數(shù)對稱的異型管（特性互補(bǔ)）靜態(tài)時 Ue=0每管為共C組

15、態(tài)工作原理：Ui正半周Ui0.6V時，T1導(dǎo)通，T2截止， Uo=iE1RL0（正半周）；Ui負(fù)半周Ui-0.6V時，T2導(dǎo)通，T1截止， Uo=-iE2RL0（負(fù)半周）；故輸出合成一完整正弦波形。ui正半周T1導(dǎo)通Ui負(fù)半周T2導(dǎo)通無論T1 或 T2 導(dǎo)電，放大電路均工作在射極輸出器狀態(tài)，故輸出電阻低（帶負(fù)載能力強(qiáng)），輸入電阻高（對前級影響小）。電路缺點：存在交越失真。改進(jìn)：T1、T2管由零偏（乙類）微導(dǎo)通(甲乙類)2、實用雙電源互補(bǔ)推挽功放電路（OCL電路） 即output capacitorless：無輸出電容的功放電路 電路特點： (1)有偏置電路(R,D1,D2) (2)兩組直流電源

16、供電， (3)靜態(tài)時UE1=UE2=0 UCE1=UCC=UEC2 提供功放管微導(dǎo)通的偏置電路形式有多種,3、功放電路交流指標(biāo)估算(圖解分析法)（按乙類狀態(tài)分析，對甲乙類仍適用）輸出功率Icm：流過Rl電流振幅Uom：RL上的電壓振幅最大不失真輸出功率滿激勵時，UomUCC-UCES；Icm=(UCC-UCES)/RL兩電源提供(消耗)的最大功率效率乙類功放輸出幅度越大，越高。即理想情況下最大效率滿激勵時，IcmVCC / RL，=max最大平均管耗（每只）4、功放管的選擇(1)當(dāng)電路指標(biāo)一定， 選管應(yīng)： (2) 當(dāng)管子選定，電路設(shè)計 應(yīng)遵循：三、單電源互補(bǔ)推挽功放電路（OTL功放） 電路特點

17、：（1）單電源供電 （2）射極接大電容 （3）靜態(tài)UE1=UE2=UCC UCE1=UCE2=UCC 交流指標(biāo)的估算：只要用UCC代替OCL電路中有關(guān)公式中的UCC，就可得到相應(yīng)的OTL功放指標(biāo)。例1 OCL、OTL電路如下，設(shè)EC=20V，RL=16歐 UCES=2V，分別估算兩電路最大輸出功率Pomax。OCL電路較OTL電路應(yīng)用更廣，集成電路中的功放電路均采用OCL電路；相同的電路參數(shù)OCL電路的Pomax大于OTL的 Pomax。對比 OCL OTLPom PV UBR(CEO) 2VCC VCC ICM VCC/RL VCC/2RL故當(dāng)Po=41%Pomax時，管耗最大，結(jié)溫最高。題

18、5-11解：（1）管耗最大發(fā)生在時，（3）由Pomax公式，使用4歐負(fù)載輸出功率大。 故增加功率為0.21Pomax ，即210/0Pomax。（2）已知U CC=1.1UCC， 練習(xí) 互補(bǔ)對稱功放電路為（ ）電路，T1為（ ）管，T2為（ ）管，T1、T2為（ ）極輸出，每管Ucemax=（ ）V，電路 Pomax=（ ）W，兩管工作在（ ）類工作狀態(tài)，選管應(yīng)滿足 PCM（ ）W，BUCEO（ ）V，ICM（ ）A復(fù)合管（達(dá)林頓管）：是由兩只或兩只以上管子連接 在一起組成。采用復(fù)合管可提高管子值及改變管子類型。復(fù)合管的：為兩管的乘積=12 類型：由前面管子類型決定； 功率：由后面管子功率決定；四、復(fù)合BJT及準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路內(nèi)部電極相連處不能有電流流向的沖突；外電流必須為兩電極電流之和；復(fù)合功放管時，小功放管在前，大功放在后。復(fù)合原則：(1)同類型管復(fù)合舉例(2)不同類型管復(fù)合舉例例1 四種復(fù)合管中,()不合理，標(biāo)出合理復(fù)合管的類型及各極。解： (a)IE1與IB2方向矛盾，該復(fù)合不正確。 (b)合理，為PNP型管，各極與前面管子各極對應(yīng)。(c) IC1與IB2方向矛盾，不正確。(d) 從外電流要求可判定電流不合理,復(fù)合不正確。例2 四種復(fù)合管中，（）不合理，標(biāo)出合理復(fù)合 管的類型及各極。解：圖(c)(d)不合理，(a)為NPN型；(b)為PNP型。復(fù)合管的電流放大倍數(shù)、