模擬電路講義6模擬集成電路課件

開(kāi)始上課吧！1第六章模擬集成電路6.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源6.2差分式放大電路6.3集成電路運(yùn)算放大器6.4集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)2

把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。1.就集成度分：小規(guī)模﹑中規(guī)模﹑大規(guī)模﹑超大規(guī)模（每塊芯片上可有上億個(gè)元件）2.就導(dǎo)電類(lèi)型分：雙極型﹑單極型﹑兩者兼容型3.就功能分：數(shù)字集成電路﹑模擬集成電路集成電路：分類(lèi)：3（2）為克服直接耦合電路的溫度漂移，常采用差分式放大電路作為輸入級(jí)（3）盡量采用BJT（或FET）代替電阻﹑電容和二極管等元件在集成電路制造工藝中，制造三極管（特別是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面積小，性能好。因此常用BJT（或FET）構(gòu)成恒流源作偏置電阻；將BJT的基極和集電極短接構(gòu)成二極管﹑穩(wěn)壓管等；用復(fù)合管﹑共射—共基﹑共集—共基等組合電路來(lái)改善單管電路的性能。51.鏡像電流源2.微電流源3.電流源用作有源負(fù)載6.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源61.鏡像電流源設(shè)T1﹑

T2參數(shù)完全相同。β1=β2，ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2，IE1=IE2，IC1=IC2

存在問(wèn)題：當(dāng)β不夠大時(shí)，IC2與IREF差異較大IC2

＝IC1≈IREF

＝（Vcc—VBE）/R≈Vcc/RRRcT1T2Vcc2IBIREFIC1IE1IC2IC2相當(dāng)于基準(zhǔn)電流IREF的鏡像無(wú)論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。72.微電流源IREFIC1IE2IC2RRe22IBT1T2Vcc∴IE2Re2=VBE1－VBE2∵IE2Re2+VBE2=VBE1（KVL方程）IE2=（VBE1－VBE2）/Re2

=

⊿VBE/Re2

≈IC2∵⊿VBE的數(shù)值很小∴IC2亦很小，故稱為微電流源IREF＝（Vcc—VBE1）/R≈Vcc/R

當(dāng)電源變化時(shí)→IREF變化→⊿VBE變化很小→IC2變化很?。ㄟh(yuǎn)小于IREF的變化）

∴IC2較穩(wěn)定93.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，一般在幾百千歐以上因此增益為比用電阻Rc作負(fù)載時(shí)提高了。end放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO10開(kāi)始上課吧！116.2.0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)：#為什么一般的集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦合方式？溫度變化引起，也稱溫漂。輸入短路時(shí)，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。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)也是原因之一13例如若第一級(jí)漂了100uV，則輸出漂移1V。若第二級(jí)也漂了100uV，則輸出漂移10mV。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100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV14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+-vi1+-vi2+-vo1差放vo2+-+-vid+-vo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等效輸入方式差放+-vid差放+-vid(a)(b)共模等效輸入方式差放+-vic差模信號(hào)輸出共模信號(hào)輸出15動(dòng)態(tài)僅輸入差模信號(hào)，大小相等，相位相反。大小相等，信號(hào)被放大。相位相反。1.電路組成及工作原理（分析）17動(dòng)態(tài)僅輸入共模信號(hào)，大小相等，相位相同。大小相等，輸出信號(hào)為零。相位相同。則1.電路組成及工作原理（分析）182.抑制零點(diǎn)漂移溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢(shì)是相同的，差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。193.主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模電壓增益接入負(fù)載時(shí)（雙入、雙出交流通路）<B>雙入、單出以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出接入負(fù)載時(shí)213.主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模電壓增益<C>單端輸入等效于雙端輸入指標(biāo)計(jì)算與雙端輸入相同22（2）共模電壓增益<A>雙端輸出共模信號(hào)的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益<B>單端輸出抑制零漂能力增強(qiáng)Rc1Rc2T1T22ro2ro234.幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出254.幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出26與共源電路相同6.2.2FET差分式放大電路1.電路組成2.差模增益3.差模輸入電阻276.3集成電路運(yùn)算放大器二.簡(jiǎn)單的集成電路運(yùn)算放大器一.集成電路運(yùn)放內(nèi)部組成原理框圖AV-+NPVO29集成放大電路的特點(diǎn)集成電路簡(jiǎn)稱IC(IntegratedCircuit)集成電路按其功能分?jǐn)?shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類(lèi)型集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。30集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式31集成運(yùn)算放大電路特點(diǎn)：1.對(duì)稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。

2.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時(shí)，要在電路上另想辦法。

3.在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。

4.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。

5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常橫向PNP管的很小僅為2～20倍，縱向PNP管的

可以做的較大；而NPN管的則可做到高達(dá)千倍以上。32集成運(yùn)放的基本組成部分實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。集成運(yùn)放的基本組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路向各放大級(jí)提供合適的偏置電路，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。33

輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)

偏置電路Vi1Vi2Vo一.集成電路運(yùn)放內(nèi)部組成原理框圖級(jí)間直接耦合功放電壓（流）放大恒流源差分式輸入34二.簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路R1R2T1T2T7T8R8T4T3R4R3R7T9T6T5R6R5—VEE+VCCvi1+－vi2－+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREF電路特點(diǎn):Vid=Vi1-Vi2=0Vo=0

35R1R2T1T2差分式放大電路T7T8R8鏡像電流源電路T4T3R4R3中間級(jí)R7T9電流源T6T5R6R5輸出級(jí)—VEE+VCCvi1+－vi2－+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREFRi2Ro1Ri3Ro21.電路分析362.電路計(jì)算⑴放大電路的直流計(jì)算37⑵放大電路總電壓增益AV的計(jì)算結(jié)論:多級(jí)放大電路的增益等于各級(jí)放大電路的增益之積=AVD·

AV2·

AV3vi1-vi2vo1·vo2vo1·vovo2AV=其中：①輸入級(jí)的電壓增益AVD②電壓放大級(jí)的電壓增益AV2③輸出級(jí)的電壓增益AV3近似為138典型的集成運(yùn)放雙極型集成運(yùn)放F007CMOS集成運(yùn)放C14573(一)引腳

☆雙極型集成運(yùn)放F007

F007的引腳及連接示意圖(a)(b)連接示意圖39(二)電路原理圖F007電路原理圖401.偏置電路+VCCVT8-VEEVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC12至輸入級(jí)至中間級(jí)基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級(jí)所需的偏置電流。各路偏置電流的關(guān)系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級(jí)鏡像電流源中間級(jí)輸出級(jí)F007的偏置電路412.輸入級(jí)

VT1、VT2、VT3、VT4組成共集-共基差分放大電路電路；VT1、VT2

基極接收差分輸入信號(hào)。VT5、VT6

有源負(fù)載；

VT4

集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。uI2uO

RW

調(diào)零電阻，R外接電阻。

VT7

與R2組成射極輸出器。+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9uI42若暫不考慮VT7

和調(diào)零電路則電路可簡(jiǎn)化為：+VCC-VEEI3,4VT4VT2VT3VT1I8RCRCuI1uI2uO

1.VT1、VT2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。

2.共基組態(tài)的VT3、VT4，與有源負(fù)載VT5、VT6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。

3.VT3、VT4共基接法能改善頻率響應(yīng)。

4.該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。433.中間級(jí)中間級(jí)示意圖+VCC-VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF輸入來(lái)自VT4

和VT6集電極；輸出接在輸出級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱放大管的基極。中間級(jí)VT16、VT17

組成復(fù)合管，VT13作為其有源負(fù)載。

8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。444.輸出級(jí)IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD1R9R10VT19VT18R7VT15VD2

VT14、VT18

、VT19

準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路；

VD1、VD2

、R9、R10

過(guò)載保護(hù)電路；

VT15

、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個(gè)功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

擴(kuò)大電路。456.4集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)+A反相輸入端同相輸入端輸出端一、開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod(或AVO)一般用對(duì)數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無(wú)窮大；實(shí)際情況Aod

為100~140dB。46二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。一般運(yùn)放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運(yùn)放：UIO

為1mV以下。定義：一般運(yùn)放為每度10~20V；高質(zhì)量運(yùn)放低于每度0.5V以下；47四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差，即定義：一般運(yùn)放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運(yùn)放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。48六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。定義：輸入差模信號(hào)時(shí)的輸入電阻一般集成運(yùn)放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運(yùn)放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。49九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH（又稱開(kāi)環(huán)帶寬BW）表示Aod

下降3dB時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放fH只有幾赫至幾千赫。50十二、單位增益帶寬BWG

Aod

降至0dB時(shí)的頻率，此時(shí)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR

額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的SR

值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、最大輸出電流、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。516.5理想運(yùn)算放大器6.5.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod=∞；輸出電阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模輸入電阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；輸入偏置電流IIB=0；-3dB帶寬fH=∞，等等。526.5.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”532.理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即——“虛斷”+Aod546.5.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)傳輸特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成運(yùn)放的傳輸特性55理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)u+>u-

時(shí)，uO=+UOPP當(dāng)u+<u-時(shí),uO=-

UOPP

1.uO

的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u(mài)-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運(yùn)放的輸入電流等于零566.6各類(lèi)集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)一、高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開(kāi)環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。二、低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)(不超過(guò)毫瓦級(jí))，要求電壓很低，有較高的開(kāi)環(huán)差模增益和共模抑制比。57三、高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入