第06章模擬集成電路(康華光)

第六章模擬集成電路重點(diǎn)：1.理解鏡像電流源的組成及其分析方法；2.掌握差分式放大電路的分析方法；3.了解集成電路運(yùn)算放大器的組成。1§6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)直流偏置——提供恒定工作點(diǎn)電流(恒流源)一.BJT電流源電路1.鏡像電流源(1)電路組成T1,T2參數(shù)相同,包括1＝2∵VBE1＝VBE2∴IB1＝IB2,IC1＝IC2＝Io(2)鏡像電流源的作用作用1:靜態(tài)時(shí)可作為恒流源∵當(dāng)較大時(shí),IB可以忽略:Io＝IC2≈IREF＝VCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1當(dāng)VCC,VEE,R恒定時(shí),輸出電流Io恒定外電路2作用2:動(dòng)態(tài)時(shí)可作為動(dòng)態(tài)電阻∵靜態(tài)恒流∴T1T2輸出特性穩(wěn)定:T2的ce兩端表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)電阻數(shù)值:rce2＝ro＝vCE/Ic——較大,一般ro在幾百千歐以上。IBiCvCEvCEiCVCC-VEET1T2RIREF2IBIC2=IoIC1外電路32.微電流源由于△VBE很小,所以Io＝IC2也很小。作用2——?jiǎng)討B(tài)時(shí)可作為動(dòng)態(tài)電阻VCC-VEET1T2RRe2Io＝IC2≈IE2

作用1——靜態(tài)時(shí)可作為恒流源IREFIB1+IB2IC2=IoIC1+VBE1-+VBE2-ro很大外電路4vo=rce2(io-ib2)＋(io+ib2)Re2

經(jīng)整理得:ro的推導(dǎo)過程：求ro的圖如右下圖所示。設(shè)從T1基極看進(jìn)去的電阻為R':rbe2ib2ib2Re2rce2Rrce1ib1ib1io+vo-rce2較大R'≈053.多路電流源——當(dāng)VCC,R0,R1,R2……

恒定時(shí),各輸出電流

恒定。6二.FET電流源電路1.MOSFET鏡像電流源作用1:靜態(tài)時(shí)可作為恒流源Io=ID2≈IREF=——當(dāng)VDD,VSS,VGS,R恒定時(shí),輸出電流Io恒定。作用2:動(dòng)態(tài)時(shí)可作為大電阻rdsT1T2+VDD-VSST3MOSFET鏡像電流源的改進(jìn)T1T2+VDD-VSSRIREF=ID1ID2=Io+VGS-ID2=Io+VGS-Io=ID2=Kn2(VGS

–VT2)27T1T2+VDD-VSST3T3T4IREFID2+VGS-ID3ID42.MOSFET多路鏡像電流源——當(dāng)VDD,VSS,VGS恒定時(shí),各輸出電流

恒定。83.JFET電流源-VSSID=Io作用1:靜態(tài)時(shí)可作為恒流源VGS=0Io=ID=IDSS(1-VGS/Vp)2

=IDSS——恒流作用2:動(dòng)態(tài)時(shí)可作為大電阻rdsVGSiDvDSvdsidds兩端表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)電阻數(shù)值:rds＝ro＝vds/id——較大9§6.2差分式放大電路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。如需大電容，只有外接。(5)不能制造電感,如需電感,也只能外接。因此,集成放大器等模擬集成電路都采用直接耦合方式。10直耦放大電路的特殊問題——零點(diǎn)漂移1.零漂現(xiàn)象2.產(chǎn)生零漂的原因由溫度等變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)值發(fā)生微小變化時(shí),這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大,最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂?！斎雟i=0時(shí),輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。113.零點(diǎn)漂移的危害直接影響對(duì)輸入信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和分辨能力。嚴(yán)重時(shí)，可能淹沒有效信號(hào)電壓，無法分辨是有效信號(hào)電壓還是漂移電壓。4.減小零漂的措施減少第一級(jí)零漂是關(guān)鍵。只有輸入端的等效漂移電壓比輸入信號(hào)小許多時(shí)，放大后的有用信號(hào)才能被很好地區(qū)分出來。減小零漂的措施：——采用差動(dòng)放大電路。

差動(dòng)放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。12已知:VZ=4V,VBE=0.6V,1=2=50,溫度升高前:IC1=2.3mA,Vo=7.75V若由于溫度的升高IC1增加1%,試計(jì)算輸出電壓Vo變化了多少?IC1=2.31.01mA=2.323mA,VC1=VZ+VBE2=4+0.6=4.6V例1vZ–++VCCvoRC2500T2vi=0RC13kR1T1R2––++RDZIC2=2?

IC2=500.147mA=7.35mAVo=8.325－7.75V=0.575V

提高了7.42%

可見，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于溫度的變化，輸出電壓發(fā)生了變化即有零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。13一.基本差動(dòng)放大電路

1.電路組成兩管特性及元件的參數(shù)值相等,靜態(tài)工作點(diǎn)相同。有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端。2.抑制零點(diǎn)漂移原理靜態(tài)時(shí),vi1=

vi2

=0,vo=VC1－VC2=0當(dāng)溫度升高時(shí)IC

VC1,VC1

(兩管變化量相等)vo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0——對(duì)稱差動(dòng)放大電路對(duì)兩管的漂移有抑制作用?！脤?duì)稱性抑制零漂+VCCRCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo–+vi1––vi2++vo1-+vo2-IC1IC214(2)差動(dòng)放大電路的輸入方式雙端輸入:需放大的信號(hào)vi可從兩輸入端之間輸入;單端輸入:vi可從一個(gè)輸入端對(duì)地輸入,另一輸入端接地;比較輸入:vi1≠vi2,分別從兩輸入端輸入信號(hào)。(3)差模輸入信號(hào)與共模輸入信號(hào)任意兩個(gè)輸入信號(hào)vi1、vi2均可分解為:vi1=vic+vid/2vi2=vic-vid/23.差動(dòng)放大電路幾個(gè)基本概念(1)差動(dòng)放大電路的輸出方式雙端輸出——從兩管集電極輸出電壓;單端輸出——從T1(或T2)集電極對(duì)地輸出電壓;+VCC+vo–+vi1––vi2+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-15vi1=vic+vid/2vi2=vic-vid/2其中:vic=(vi1+vi2)/2——共模輸入信號(hào)vid=(vi1-vi2)——差模輸入信號(hào)可見,相對(duì)vi1、vi2而言:——vic是一對(duì)大小相等、相位相同的信號(hào)。零漂信號(hào)即以此形式輸入。因?yàn)楫?dāng)溫度變化時(shí):將使兩管集電極電流產(chǎn)生變化,且兩管變化趨勢(shì)是相同的,其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)?！獀id是一對(duì)大小相等、相位相反的信號(hào)。有用信號(hào)以此形式輸入。+VCC+vo–+vi1––vi2+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-16(4)差模電壓增益與共模電壓增益差模電壓增益:Avd=vod/vid共模電壓增益:Avc=voc/vic總輸出電壓:vo=vod+voc=Avdvid+Avc

vic不管何種輸入輸出形式,若：vod——差模輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出voc——共模輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出則：共模抑制比:——反映抑制零漂能力,越大越好——越小越好+VCC+vo–+vi1––vi2+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2+vo1-+vo2-174.基本差動(dòng)放大電路的分析與計(jì)算(1)靜態(tài)分析目的:求IB,IC,VCE直流通路如圖：+VCCRCRB2RB1RCRB2RB1+vCE1-+vCE2-IB1IB2IC1IC2IC1＝IC2＝1

IB1VCE1＝VCE2＝VCC－IC1RC(2)差模動(dòng)態(tài)分析四種:①雙入雙出;②雙入單出;③單入雙出;④單入單出。目的:求Avd,Rid,Ro,KCMRIB1＝IB218iiii+vi

-RB1RB1RL+vo–差模動(dòng)態(tài)分析(雙入雙出)+VCC+vi1––vi2+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2vi從兩輸入端之間輸入信號(hào);vo從兩管集電極輸出電壓;+vo–RCRB2rbeibibRCRB2ibrbeibRL+vi–相當(dāng)于:vi1=-vi2=vi/2差模信號(hào)小信號(hào)電路：19RL+vo–+vi

-rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1圖中:即:vi

=2ii·RB1

+2ib·rbe+

vo1-+

vo2-vo1=vo=vo1-vo2vo2=

20RL+vo–+vi

-rbeiiibibRB2RCRB1rbeiiibibRB2RCRB1+

vo1-+

vo2-差模輸入電阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)輸出電阻:Ro=2RC差模電壓增益:Avd=vo/vi21雙入雙出：差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)輸出電阻:Ro=2RC雙入單出——請(qǐng)自己分析！差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)輸出電阻:Ro=RC差模動(dòng)態(tài)分析總結(jié)22單入雙出——請(qǐng)自己分析！差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)輸出電阻:Ro=2RC單入單出——請(qǐng)自己分析！差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2(RB1

+RB2

//rbe)輸出電阻:Ro=RC與雙入雙出相同與雙入單出相同23(3)共模動(dòng)態(tài)分析2種:①雙出;②單出目的:求Avc,KCMR零漂信號(hào)相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。當(dāng)有零漂時(shí):vi1=vi2=vic+VCC+vi1––vi2+RCRB2T1RB1RCRB2RB1T2這時(shí)共模電壓增益？共模小信號(hào)電路如圖：+

voc1-RCRB2+

voc2-RCRB2+vic

-iiRB1+vic

-iiRB1+voc–+vic--

vic+rbeibibrbeibib24+vic

-rbeiiib+

voc1-ibRB2RCRB1+vic

-rbeiiib+

voc2-ibRB2RCRB1+voc–圖中：voc1=voc2雙端輸出時(shí):voc=voc1-voc2=0共模電壓增益:

Avc=voc/vic=0(理想化)單端輸出時(shí):vic=ii·RB1+ib·rbe這種電路不可單端輸出voc=voc1=voc2=-ib·RC//RL25二.典型差動(dòng)放大電路

1.電路組成RE作用:穩(wěn)定Q點(diǎn),限制每個(gè)管子的漂移,使電路既能雙端輸出,又能單端輸出。RE越大,抑制零漂效果越好。VEE作用:補(bǔ)償靜態(tài)時(shí)RE上的壓降,獲得合適的Q點(diǎn)。RP作用:保證兩個(gè)電路的對(duì)稱。RP很小。+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo226+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2T

IB1=IB2VB1=VB2(=-IBRB)

VBE1=VBE2

IE1=IE2

VE1=VE2IB1=IB2這一過程類似于分壓式偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。即使電路處于單端輸出方式,仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。2.抑制零點(diǎn)漂移原理靜態(tài)時(shí)(vi1=vi2=0)：IB1IB2IC1IC2當(dāng)溫度變化時(shí)：IC1=IC2IC1=IC2273.典型差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析直流通路如圖：0-(-VEE)=IBRB+VBE+IERP/2

+2IEREIC≈IE≈IBVCE＝VCC+VEE－IC

RC－IERP/2－2IE

RE

+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2IB1IB2IC1IC24.差模動(dòng)態(tài)分析四種:①雙入雙出;②雙入單出;③單入雙出;④單入單出。目的:求Avd,Rid,Ro,KCMR28RBRBiiii+vi

-RL+vo–+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2(1)雙入雙出(差模動(dòng)態(tài)分析)vo從兩管集電極輸出電壓;vi從兩輸入端之間輸入信號(hào);+vi–vi=vi1-vi2相當(dāng)于對(duì)地而言:vi1=-vi2=vi/2差模信號(hào)小信號(hào)電路：+vo–RCRCREi0vi1vi2雙入時(shí)RE相當(dāng)于短路rbeibibibrbeibRLRP/2RP/229vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1-vo2差模電壓增益:Avd=vo/vi輸出電阻:Ro=2RC差模輸入電阻:Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]RL+vo–+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/230(2)雙入單出(差模動(dòng)態(tài)分析)輸出電阻:Ro=RC差模輸入電阻:Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1=-ib·RC//RL差模電壓增益:Avd=vo/vi

或:vo=vo2=+ib·(RC//RL)+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/231+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2(3)單入單出(差模動(dòng)態(tài)分析)vo從T1(或T2)集電極對(duì)地輸出電壓;vi從一個(gè)輸入端對(duì)地輸入,另一輸入端接地;相當(dāng)于:v'=-v''=vi/2差模信號(hào)小信號(hào)電路：+vi–i0單入時(shí)RE相當(dāng)于斷路v'v''RCRCREii+vi

-iiRBRB+

vo1-+

vo2-v'v''rbeibibrbeibibRP/2RP/232與雙入單出相同+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/2輸出電阻:Ro=RC差模輸入電阻:Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1=-ib·RC//RL差模電壓增益:Avd=vo/vi

或:vo=vo2=+ib·(RC//RL)33(4)單入雙出(差模動(dòng)態(tài)分析)與雙入雙出相同RL+vo–+vi

-rbeiiibibRCRBrbeiiibibRCRB+

vo1-+

vo2-RP/2RP/2vi

=2[ib(RB

+rbe)+(1+)ib(RP/2)]vo=vo1-vo2差模電壓增益:Avd=vo/vi輸出電阻:Ro=2RC差模輸入電阻:Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]345.共模動(dòng)態(tài)分析兩種:①雙出;②單出零漂信號(hào)相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。當(dāng)有零漂時(shí):+VCCRCRPT1RBRCRERBT2-VEEvi1vi2vo1vo2+vic--

vic+vi1=vi2=vic這時(shí)共模電壓增益？共模小信號(hào)電路如圖：voc1RCvoc2RC+voc–REi=2(1+)ibRP/2RP/2+vic

-RB+vic

-RBrbeibibrbeibib35①單端輸出時(shí):voc=voc1=voc2=-ib·(RC//RL)RE,Avc,這種電路可單端輸出②雙端輸出時(shí):voc=voc1-voc2=0共模電壓增益:Avc=voc/vic=0共模電壓增益:共模抑制比:——請(qǐng)自己求i=2(1+)ib+vic

-rbeibvoc1ibRCRB+vic

-rbeibvoc2ibRCRB+voc–RERP/2RP/2vic=ib(rbe+RB)+(1+)ib·RP/2+2(1+)ibRE36總結(jié)1.差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：雙端輸出時(shí)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)：2.共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：雙端輸出時(shí)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)：Avc=0373.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid與輸入輸出方式無關(guān)，不論是單端輸入還是雙端輸入：Rid=2[RB

+rbe+(1+)(RP/2)]4.輸出電阻與輸出方式有關(guān)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí):Ro=RC

雙端輸出時(shí):Ro=2RC5.共模抑制比

雙端輸出時(shí):單端輸出時(shí):或：KCMR很大38(4)當(dāng)輸出接一個(gè)12k負(fù)載時(shí)的差模電壓增益.解：求:(1)靜態(tài)例239(2)電壓增益40(3)差分電路的共模增益共模輸入電壓不計(jì)共模輸出電壓時(shí)41(4)42+VCCRCT1RCT2-VEE+vi1-vo1vo2+vi2-IoIo作用:穩(wěn)定Q點(diǎn),限制每個(gè)管子的漂移,靜態(tài)電阻很小,所需補(bǔ)償壓降小,動(dòng)態(tài)電阻很大,抑制零漂效果好。VEE作用:補(bǔ)償靜態(tài)時(shí)Io上的壓降,獲得合適的Q點(diǎn)。2.抑制零點(diǎn)漂移原理三.帶恒流源的差動(dòng)放大電路1.電路組成IB1IB2IC1IC2433.靜態(tài)分析直流通路如圖：IC=Io/2VCE＝VCC－IC

RC－VE＝VCC－IC

RC+

VBE+VCCRCT1RCT2-VEEvo1vo2IoIB1IB2IC1IC24.動(dòng)態(tài)分析目的:求Avd,Rid,Ro,Avc,KCMR分析方法:與典型差放相同。設(shè)恒流源的動(dòng)態(tài)電阻為ro(很大)

,用ro替換RE即可,則：44(1)雙入雙出、單入雙出、差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2rbe輸出電阻:Ro=2RC(2)雙入單出、單入單出、差模電壓增益:Avd=vo/vi差模輸入電阻:Rid=2rbe輸出電阻:Ro=RC(3)共模增益雙端輸出時(shí)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)：Avc=045例3

vi1

=30mV,vi2

=70mV,RL=5.6k,=100,VBE=0.7V,Io動(dòng)態(tài)電阻ro=100k。求:(1)單端輸出電壓vo;(2)雙端輸出電壓vo。+VCC(+10V

)RC5.6kT1RC5.6kT2-VEE(-10V

)+vi1-vo1vo2+vi2-Io2mARe100Re100解：vi1=30mV=(50-20)mVvi2=70mV=(50+20)mVvid=vi1-vi2=-40mV=-0.04Vvic=(vi1+vi2)/2=50mV=0.05VIE=Io/2=1mA46(1)單端輸出時(shí):差模電壓增益:共模增益:單端輸出電壓:vo=vod+voc=Avdvid+Avc

vic=10.8(-0.04)+(-0.014)0.05≈0.43V(2)雙端輸出時(shí):差模電壓增益:共模增益:Avc=0雙端輸出電壓:vo=vod+voc=Avdvid+Avc

vic=-14.4(-0.04)≈0.58V47四.實(shí)際帶恒流源的差動(dòng)放大電路1.電路組成——各部分作用與抑制零點(diǎn)漂移原理同前述電路。2.靜態(tài)分析IC=IC3/2VCE＝VCC-IC

RC-VE＝VCC-IC

RC-(-VBE

-

IBRb)483.動(dòng)態(tài)分析——其余情況的分析方法與前述差放相同,用R等效替換RE或ro即可,在此不再贅述。設(shè)恒流源的動(dòng)態(tài)電阻為R等效:49T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負(fù)載。五.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路(有源負(fù)載差動(dòng)放大電路)1.原理電路——各部分作用與抑制零點(diǎn)漂移原理同前述電路。靜態(tài)分析VCE1=VCC-VEB3-(-VBE1)≈VCCIC1≈IC3=IEE/250IE6IREFIC5＝IE5——各部分作用與抑制零點(diǎn)漂移原理同前述電路。(1)靜態(tài)分析2.實(shí)際電路VCE1＝VCC－VEB3－VE1IC1=IC5/2＝VCC－VEB3－(-VBE1)≈VCC51(2)動(dòng)態(tài)分析T1T2T3T4交流通路(雙端輸入)rbeibibrce1rbeibrce2+

vo1-+

vo2-rberbeibibibibrce3rce4小信號(hào)電路(雙端輸入)單入時(shí)斷路單入時(shí)斷路52——單端輸出的電壓增益≈雙端輸出的電壓增益。雙端或單端輸入時(shí):vi

=2ibrbe單端輸出時(shí):vo=2ib·(rce2//rce4//RL)或vo=-2ib·(rce1//rce3//RL)雙端輸出時(shí):vo=-2ib·[rce1//rce3//(RL/2)]-2ib·[rce2//r