[工學(xué)]模電課件第5章

1、第5章 模擬集成電路基礎(chǔ)5.1概述5.3 差動(dòng)放大電路5.2晶體管電流源電路及有源負(fù)載放大電路5.4 集成運(yùn)算放大電路5.1概述 集成電路是一種將“管”和“路”緊密結(jié)合的器件， 它以半導(dǎo)體單晶硅為芯片， 采用專門的制造工藝， 把晶體管、 場(chǎng)效應(yīng)管、 二極管、 電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起， 使之具有特定的功能。 集成電路體積小、 重量輕、 耗電少、 可靠性高， 已成為現(xiàn)代電子器件的主體。 集成電路分?jǐn)?shù)字與模擬兩大類。 集成電路體積小、 重量輕、 耗電少、 可靠性高， 已成為現(xiàn)代電子器件的主體。 集成電路分?jǐn)?shù)字與模擬兩大類。 模擬集成電路的種類很多， 有集成運(yùn)算放

2、大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)， 集成功率放大器， 集成模擬乘法器， 集成鎖相環(huán)， 集成穩(wěn)壓器等。 在模擬集成電路中， 集成運(yùn)算放大器是最為重要、 用途最廣的一種， 這里主要介紹集成運(yùn)放的內(nèi)部電路、 工作原理、 性能指標(biāo)及常用等效模型。（1）集成電路中的元器件是在相同的工藝條件下做出的， 鄰近的器件具有良好的對(duì)稱性， 而且受環(huán)境溫度和干擾的影響后的變化也相同， 因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成工藝制造的電阻、 電容數(shù)值范圍有一定的限制。集成電路中的電阻是使用半導(dǎo)體材料的體電阻制成的， 因而很難制造大的電阻， 其阻值一般在幾十歐姆到幾十千歐姆之間; 集成電路中的電容是用PN結(jié)的結(jié)電容作的。

3、（3）集成工藝制造晶體管、 場(chǎng)效應(yīng)管最容易， 眾多數(shù)量的晶體管通過一次綜合工藝完成。 集成晶體管有縱向NPN型管(值高、性能好)、 橫向PNP 型管(值低、但反向耐壓高）和場(chǎng)效應(yīng)管， 另外， 集成工藝比較容易制造多極晶體管， 如多發(fā)射極管、 多集電極管等。 集成二極管、 穩(wěn)壓管等一般用NPN管的發(fā)射結(jié)代替。5.1.1 集成電路中的元器件特點(diǎn)（1）利用元器件參數(shù)的對(duì)稱性來提高電路穩(wěn)定性（2）利用有源器件代替無源元件（3）一般采用直接耦合方式5.1.2 集成電路結(jié)構(gòu)形式上的特點(diǎn)（4）采用較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)（5）適當(dāng)利用外接分立元件 根據(jù)集成工藝的特點(diǎn)， 模擬集成放大電路中的偏置電路、 集電極或發(fā)射極

4、負(fù)載等， 一般采用晶體管電流源。 這不僅能使電路性能具有不隨溫度及電源電壓變化而變化的良好穩(wěn)定性(做偏置)， 而且能獲得高增益、 大動(dòng)態(tài)范圍的特性(做有源負(fù)載)。5.2 晶體管電流源電路及有源負(fù)載放大電路 電流源電路是指能夠輸出恒定電流的電路。由第1章晶體管的特性已知， 晶體管本身便具有近似恒流的特性。 在集成電路中， 常用的電流源電路有： 鏡像電流源、 精密電流源、 微電流源、 比例電流源和多路電流源等。 它主要提供集成運(yùn)放中各級(jí)合適的靜態(tài)電流或作為有源負(fù)載代替高阻值電阻， 以提高放大電路的放大倍數(shù)。 5.2.1 電流源電路1. 鏡像電流源兩管參數(shù)對(duì)稱，工作在臨界飽和狀態(tài)。UBE1= UBE

5、2 = UBE，1 = 2 = IB1= IB2 = IB， IC1= IC2 = IC = IB基準(zhǔn)電流當(dāng)2時(shí)，Io基本恒定鏡像電流源的溫度補(bǔ)償作用T(OC) IC IR UR UB IB IC若要求Io大，則IR及R的功耗大；若要求Io小，則IR小，R很大，使R集成困難。鏡像電流源的缺點(diǎn)2. 改進(jìn)型鏡像電流源T1、 T2、 T3、完全相同1 = 2 = 3IB1= IB2 = IBUBE1= UBE2 = UBE整理得IO更接近 IR (與IO=IR/(+2)相比)精密鏡像電流源3.微電流源因UBE很小，使Re及不需很大就可以使Io很小。一般有IS1 = IS2，所以有4. 比例電流源UB

6、E1+IE1Re1 = UBE2+IE2Re2因 UBE1UBE2 ，則IE1Re1 IE2Re2 而IR IE1 ， IOIE2 5. 多路電流源T1分別與 T2、 T3、 T4組成比例電流源例1:在下圖電路中， T1、T2管的特性相同， 已知VCC=15V，1=2=，UBE1=UBE2=0.6V。 （1）試證明當(dāng) 2時(shí)， IC2IR； （2）若要求IC2=28A，電阻R應(yīng)取多大？解：（1）在鏡像電流源中已推出當(dāng)2時(shí)，IC2 = IOIR（2）IC2 = IOIRIC1例2:在下圖電路中（1）指出電路為何種電流源電路； （2）根據(jù)二極管電流方程， 導(dǎo)出T1、 T2管的工作電流IC1、 IC2

7、的關(guān)系式； （3）若測(cè)得IC228A，IC10.73mA，估算電阻Re和R1的阻值； （4）說明微電流源和上題所示鏡象電流源的異同。（1）為微電流源解：（2）見微電流源推導(dǎo)過程（3） 在共射放大電路中，為了提高Au，行之有效的方法是增大集電極電阻Rc。 然而，為了維持晶體管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc時(shí)必須提高電源電壓。當(dāng)電源電壓增大到一定程度時(shí)，電路的設(shè)計(jì)就變得不合理了。另外在集成電路中，不能使用過大的電阻，而且Rc增大，直流功耗也增大，對(duì)電源電壓的要求也會(huì)提高，因此Au的增加受到Rc取值的限制。 如果用恒流源來代替Rc，則由于恒流源的直流電阻不大，故恒流源兩端的直流電壓并不大，但恒流源的動(dòng)態(tài)

8、交流電阻很大，該交流電阻與交流通道中的Rc等效，Au可以大大提高。由于晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管是有源器件， 而上述電路又以它們?yōu)樨?fù)載，故稱為有源負(fù)載。5.2.2 有源共射放大電路有源共射放大電路5.3 差動(dòng)放大電路零點(diǎn)漂移的嚴(yán)重性根據(jù)集成電路結(jié)構(gòu)形式上的特點(diǎn)，集成電路的極間耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在溫度漂移問題。為了抑制溫度漂移，一種比較有效的電路就是差動(dòng)放大電路。如果零點(diǎn)漂移的大小足以和輸出的有用信號(hào)相比擬，就無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點(diǎn)漂移。5.3.1 差動(dòng)放大電路(Differential Amplifier)1. 電路組成 特點(diǎn)： a

9、.兩只完全相同的管子； b.元件參數(shù)對(duì)稱；2. 輸入輸出方式輸入端：同相輸入端、反相輸入端輸入方式：雙端輸入：若信號(hào)同時(shí)加到同相輸入端和反相輸入端。單端輸入：若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端加入， 另一個(gè)輸入端接地。輸出方式：雙端輸出：若從C1和C2兩端輸出。單端輸出： 僅從集電極C1或C2對(duì)地輸出稱為單端輸出。輸出端：一個(gè)是T1的集電極C1， 另一個(gè)是T2的集電極C2差動(dòng)電路的工作模式：(1)雙端輸入、 雙端輸出（雙入雙出） (2)雙端輸入、 單端輸出（雙入單出） (3)單端輸入、 雙端輸出（單入雙出） (4)單端輸入、 單端輸出（單入單出）3. 差模信號(hào)與共模信號(hào)差模輸入信號(hào)uId：兩輸入信號(hào)之差差模

10、信號(hào)：兩大小相等， 極性相反的信號(hào)（uId1= -uId2 ）共模信號(hào)：兩大小相等， 極性相同的信號(hào)（uIc1= uIc2 ）共模輸入信號(hào)uIc：同時(shí)接到兩個(gè)輸入端的信號(hào)可以將兩個(gè)普通輸入信號(hào)uI1 、 uI2分解為共模分量和差模分量 例+-2211則8mV=8mV2mV= -2mV10mV6mV4. 抑制零漂的工作原理 原理：靜態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)為零，即將輸入端和短接。由于兩管特性相同，所以當(dāng)溫度或其他外界條件發(fā)生變化時(shí)，兩管的集電極電流ICQ1和ICQ2的變化規(guī)律始終相同，結(jié)果使兩管的集電極電位UCQ1、UCQ2始終相等，從而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零點(diǎn)漂移。具體實(shí)踐：在實(shí)踐

11、中，兩個(gè)特性相同的管子采用“差分對(duì)管”，兩半電路中對(duì)應(yīng)的電阻可用電橋精密選配，盡可能保證阻值對(duì)稱性精度滿足要求。結(jié)論：可想而知，即使采取了這些措施，差動(dòng)放大電路的兩半電路仍不可能完全對(duì)稱，也就是說，零點(diǎn)漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用RE在差模信號(hào)作用下，iE1=-iE2 ， iRE =0 ， RE可視為短路差模放大倍數(shù)差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制作用uiCiB1 iC1、iE1uEuBE1iB1iC1REuiCiB2 iC2、iE2uEuBE2iB2iC2uO =0共模放大倍數(shù)共模抑制比5. 信號(hào)的輸入方式和電路的響應(yīng)（1）差模輸入方式差模輸入信號(hào)為ui

12、1 ui2= uId差模輸入方式若ui1的瞬時(shí)極性與參考極性一致，則ui2的瞬時(shí)極性與參考極性相反。則有：ui1ib1 ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 輸出電壓uO= uC1 uC20，而是出現(xiàn)了信號(hào)，記為Uod。定義：Ad=uod/uId（2）共模輸入方式ui1=ui2=uIC在共模輸入信號(hào)作用下，差放兩半電路中的電流和電壓的變化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0ui1=ui2=uic時(shí)，uoc=0。定義：Ac=uoc/uIc共模輸入方式下的差放電路Ac叫做共模電壓放大倍數(shù)。理論上講，Ac為0，實(shí)際上由于電路不完全對(duì)稱，可能仍會(huì)有不大的uoc，一般Ac u時(shí)， uo = Uomaxu+ 80 dB7) 最大差模輸入電壓 UIdM共模輸入 U IC 過大，K CMR下降當(dāng) UId 過大時(shí)，反偏的 PN 結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。NPN 管 UIdM = 5 V橫向 PNP 管 UIdM = 30 VCF741 為 30 V8)最大共模輸入電壓 UICM9) 最大輸出電壓幅度 UOPP輸出級(jí)為 OCL 電路一般比電源電壓小一個(gè) UCE(sat)如電源電壓 15 V，U OPP 為 13 14 VCF741 為 13 V二、集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)(一) 集成運(yùn)放的封裝和引腳排列封裝形式:金屬圓形、雙列直插式、扁平式