模擬集成電路-1

模擬集成電路__1第一頁，共52頁。6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)利用三端器件BJT和FET的輸出特性均具有近似恒流的特性，動態(tài)輸出電阻值均很高的特點，可以獲得較好的電流源；6.1.1BJT電流源電路三端器件BJT和FET的面積很小，這樣就可以省去用外接電阻元件來建立靜態(tài)工作點，使模擬集成電路獲得穩(wěn)定的直流偏置。1.鏡像電流源第二頁，共52頁。兩管呈鏡像關(guān)系集成運放中縱向晶體管的β均在幾百以上當(dāng)R確定、VCC、VEE一定時，IC2也隨之確定；第三頁，共52頁。T1管對T2管有溫度補償作用，使得該電流源溫度穩(wěn)定性比較好：鏡像電流源優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛鏡像電流源缺點：①受電源變化的影響大，要求電源十分穩(wěn)定；②VCC一定，若要求IC2較大，則IREF勢必增大，PR必然增大，在集成電路中應(yīng)當(dāng)避免；③VCC一定，若要求IC2較小，則R的值必然很大，集成電路中不宜制作高阻值的電阻，很難做到。第四頁，共52頁。為減小IB對IREF的分流作用，提高IC2與IREF的鏡像程度，引入T3；加入射極電阻Re3，使T3到地有了支路能夠流過較大的射極電流，避免因為T3的電流過小，要選用β小的管子；第五頁，共52頁。2.微電流源當(dāng)IREF一定時，IC2確定如下：利用兩管基-射極電壓差約幾十毫伏可以控制輸出電流IO，由于電壓差數(shù)值小，故用不大的Re2即可獲得微小的電流；且由于IC2的變化遠小于IREF的變化，故電源電壓波動對工作電流IC2的影響不大，輸出電流有很高的恒定性。第六頁，共52頁。6.1.2FET電流源1.MOSFET鏡像電流源基本鏡像電流源VDD>VT，NMOS管運行于飽和區(qū)，輸出電流IO近似等于基準(zhǔn)電流IREF：當(dāng)器件具有不同的寬長比時，借助寬長比這一參數(shù)可近似描述兩器件電流之間關(guān)系：（λ=0）常用鏡像電流源第七頁，共52頁。2.MOSFET多路電流源MOSFET多路電流源第八頁，共52頁。3.JFET電流源JFET電流源輸出特性第九頁，共52頁。6.2差分式放大電路零點漂移現(xiàn)象：直接耦合放大電路中，將輸入端短路，用靈敏的直流表測量輸出端，會有緩慢變化的輸出電壓。原因：放大電路中任何參數(shù)的變化：①電源電壓的波動；②元器件的老化；③半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而變化。特點：阻容耦合放大電路中，這種緩慢變化的漂移電壓直接降落在耦合電容上，不會傳遞到下一級電路進行放大；特點：直接耦合放大電路中，前后級直接相連。前一級漂移電壓與有用信號一起被送到下一級，逐級放大，以至于在輸出端很難區(qū)別有用信號與漂移電壓，放大電路不能正常工作。解決辦法：①采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源；②使用經(jīng)過老化實驗的元器件；③由溫度變化引起的半導(dǎo)體參數(shù)變化是產(chǎn)生零點漂移的主要原因，因此也稱為溫度漂移，簡稱溫漂；第十頁，共52頁。6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)抑制溫漂的方法：對于直接耦合放大電路，如果不采取措施抑制溫度漂移，其他方面再優(yōu)良也不能成為實用電路；從某種意義上來講，零點漂移就是Q點的漂移，穩(wěn)定Q點的措施也是抑制溫漂的方法：引入直流負反饋，典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路中Re的作用；采用溫度補償?shù)姆椒?，利用熱敏元件來抵消放大管參?shù)的變化；采用特性相同的管子，使它們的溫漂相互抵消，構(gòu)成“差分式放大電路”。靜態(tài)工作點穩(wěn)定的原理只是抑制參數(shù)隨溫度變化而變化，不可能完全不變，溫度變化時，ICQ一定改變；1.用三端器件組成的差分式放大電路第十一頁，共52頁。改變電壓輸出端，尋找一個受溫度控制的直流電壓源V，當(dāng)T管集電極靜態(tài)電位VCQ變化時，V始終與之保持相等，那么輸出電壓中只有動態(tài)信號vS的作用結(jié)果，與靜態(tài)工作點電位及其溫度漂移無關(guān)；此時電路的輸出沒有接“地”點。第十二頁，共52頁。采用與左半邊電路參數(shù)完全相同，管子特性完全相同的電路，集電極靜態(tài)電位在溫度變化時也時時相等，電路以兩管集電極電位差輸出，克服了溫漂。Re1、Re2的存在使電路電壓放大能力變差，數(shù)值大時，甚至不能放大；直流電源與信號源不“共地”；第十三頁，共52頁。用電流源取代Re，可以利用恒流性給電路提供穩(wěn)定的直流偏置，同時恒流源具有高阻值的動態(tài)電阻；第十四頁，共52頁。2.差模信號和共模信號的概念共模信號：大小相等且極性相同；由于電路參數(shù)對稱說明差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用，參數(shù)完全對稱時，共模輸出為零；第十五頁，共52頁。差模信號：大小相等且極性相反；說明差分式放大電路對差模信號可實現(xiàn)電壓放大；有些文獻將差分式放大電路叫做差動放大電路；即“差動”意指輸入端信號之間有差別（變化量），輸出電壓才有變動（變化量）。第十六頁，共52頁。當(dāng)用差模和共模電壓表示兩輸入電壓時：兩管的差模輸出電壓和共模輸出電壓可表示為：零點漂移相當(dāng)于什么信號？設(shè)計放大器的目標(biāo)是什么？第十七頁，共52頁。6.2.2射級耦合差分式放大電路1.基本電路兩管射極連接在一起，共同與電流源IO相連，便于直接傳遞信號；電路參數(shù)對稱，雙電源供電，且為雙端輸入、雙端輸出。2.工作原理⑴靜態(tài)分析第十八頁，共52頁。⑵動態(tài)分析輸入信號為差模信號：當(dāng)vi1=-vi2=vid/2時，一管電流增加，另一管電流減小，差模輸出電壓vod=vo1-vo2，vid=vi1-vi2輸入信號為共模信號:無論是溫度變化，還是電源電壓的波動其效果相當(dāng)于在輸入端加入了共模信號vic，輸出電壓vo=voc1-voc2=0；輸入信號為差模信號vid與共模信號vic的疊加：雙端輸出差放電路只放大差模信號，抑制了共模信號；多用來做多級直接耦合放大器的輸入級。第十九頁，共52頁。3.主要技術(shù)指標(biāo)的計算⑴差模電壓增益雙端輸入、雙端輸出的差模電壓增益：流過電流源的電流IO不變；對稱中點（虛線部分）為地電位，包括負載中點；以成倍的元器件換取抑制共模信號的能力。第二十頁，共52頁。雙端輸入、單端輸出的差模電壓增益：此時只取出一管的集電極電壓變化量，當(dāng)RL=∞時，電壓增益只有雙端輸出的一半；常用于將雙端輸入信號轉(zhuǎn)換成單端輸出信號，集成運放中間級有時采用這樣的接法。第二十一頁，共52頁。單端輸入的差模電壓增益：實際系統(tǒng)中，有時要求放大電路的輸入電路一端接地：ro是實際電流源的動態(tài)輸出電阻，可認為ro支路開路，vid近似分布在兩管輸入回路上，體現(xiàn)射極耦合的作用；即單端輸入時的電路工作狀態(tài)與雙端輸入時近似一致，等同于分別加上一對差模信號和一對共模信號的疊加輸入；第二十二頁，共52頁。⑵共模電壓增益雙端輸出的共模電壓增益：兩管電流同時增加或減小，ve=iero=2ie1ro，即對于每管相當(dāng)于射極接了2ro的電阻；實際上，要達到完全對稱是不可能的，但差分式電路對共模信號具有很強的抑制能力；第二十三頁，共52頁。單端輸出的共模電壓增益：實際上，差分式放大電路對共模信號的抑制還利用了射極電阻對共模信號的負反饋作用。第二十四頁，共52頁。⑶共模抑制比KCMR衡量放大電路放大差模信號和抑制共模信號能力的技術(shù)指標(biāo)；差分式放大電路中若電路參數(shù)對稱，由雙端輸出，共模電壓增益Avc=0，kCMR趨近于無窮大；如從單端輸出，則共模抑制比為：⑷頻率響應(yīng)雙端輸入、雙端輸出差分式放大電路，因電路對稱，可用單邊共射極電路來分析，由于存在密勒效應(yīng)，其高頻響應(yīng)與共射極放大電路相同。因為采用直接耦合方式，具有極好的低頻響應(yīng)。表6.2.1第二十五頁，共52頁。4.*帶有源負載的射極耦合差分式放大電路⑴電路組成T1、T2對管是差分放大管；T3、T4對管組成鏡像電流源作為T1、T2的有源負載；T5、T6對管，R、Re6和Re5構(gòu)成電流源為電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)電流；該電路是雙入—單出差分式放大電路。第二十六頁，共52頁。⑵工作原理①靜態(tài)時：由VCC、-VEE、R、T6和Re6決定電路的基準(zhǔn)電流電路的比例電流源電流差分電路的靜態(tài)偏置電流：第二十七頁，共52頁。②加入差模電壓vid時：流入電流源的電流不變，IO不變，ve=0；iC3由ib3決定；基本單端輸出差放小信號模型帶有源負載差分式放大電路的輸出電流是基本單端輸出差放的兩倍；第二十八頁，共52頁。⑶電壓增益單端輸出電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益；第二十九頁，共52頁。雙端輸出的電壓增益基本單端輸出差放其單端輸出電壓增益只有雙端輸出的電壓增益的一半；第三十頁，共52頁。2023/4/16電工電子教研室31電流源內(nèi)阻ro5很大，共模增益忽略。P272請對照更改第三十一頁，共52頁。6.2.2*源級耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路的差模輸入阻抗很低，故在高輸入阻抗模擬集成電路中，常采用輸入電阻高、輸入偏置電流小的源極耦合差分式放大電路；1.CMOS差分式放大電路T5、T6、T7構(gòu)成基準(zhǔn)電流IREF電路，形成兩組鏡像電流源；T3、T4作為NMOS對管T1、T2構(gòu)成差放的有源負載；T7、T8為放大電路提供偏置電流IO；調(diào)整寬長比，實現(xiàn)各管之間電流比例關(guān)系第三十二頁，共52頁。⑴工作原理⑵電壓增益雙入雙出差模電壓增益：雙入單出差模電壓增益：帶有源負載的CMOS差放電路不僅輸入電阻高，同時負載管有較大的交流等效電阻，能得到更高的電壓增益。第三十三頁，共52頁。2.JFET差分式放大電路JFET差分式放大電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法與BJT基本差分式放大電路基本相同；JFET差分式放大電路的輸入電阻可達1012Ω，輸入偏置電流約為100pA數(shù)量級；MOSFET差分式放大電路其輸入電阻可達1015Ω，輸入偏置電流在10pA以下。第三十四頁，共52頁。①當(dāng)vi1-vi2=0時，電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)Q點處；②vid在0~±VT時，vo1、vo2與vid呈線性關(guān)系；③vid在±VT~±4VT時，vo1、vo2與vid呈非線性關(guān)系；④vid>4VT和vid<-4VT時，曲線趨于平坦，進入截止區(qū)；vO=±Vom=±VCC，差分式放大電路呈現(xiàn)良好的限幅特性；在兩管射極和公共端串接射極電阻可以擴大線性工作范圍；JFET組成的源極耦合差放電路的線性范圍比射極耦合電路大許多6.3差分式放大電路的傳輸特性第三十五頁，共52頁。PN輸入級集成運放運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖中間級輸出級OPN6.4*集成電路運算放大器第三十六頁，共52頁。集成運放按制造工藝分有BJT、CMOS和兼容型的BiFET型；BJT型運放一般輸入偏置電流及器件功耗較大，輸出級可提供較大的負載電流；CMOS型運放輸入電阻高、功耗低、可在低電源電壓下工作；BiFET兼容性運放一般以FET作為輸入級，具有高輸入電阻、高精度和低噪聲的特點。第三十七頁，共52頁。6.4.1CMOSMC14573集成電路運算放大器差放管輸入級有源負載直流偏置共源放大電路給T7提供偏置內(nèi)部補償電容第三十八頁，共52頁。6.4.2BJTLM741集成電路運算放大器第三十九頁，共52頁。6.5實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性），均在標(biāo)稱電源電壓、室溫、零共模輸入電壓條件下定義。1.輸入失調(diào)電壓VIO集成運放的差分輸入級很難做到完全對稱，輸出端會產(chǎn)生漂移電壓；在輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓VIO；VIO的大小反映了運放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。第四十頁，共52頁。2.輸入偏置電流IIB輸入偏置電流指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流IBN和IBP的平均值：輸入偏置電流的大小，主要取決于運放差分輸入級BJT的性能，若β值太小，將引起偏置電流增加；偏置電流越小，由于信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也越小，是重要的技術(shù)指標(biāo)。第四十一頁，共52頁。3.輸入失調(diào)電流IIO當(dāng)輸入電壓為零時，流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差：由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO會引起一個輸入電壓，破壞了放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零，它也反映了輸入級差分對管的不對稱程度；4.溫度漂移由于溫度變化引起輸出電壓（電流）產(chǎn)生的漂移，常把輸出漂移折算到輸入端作為溫漂指標(biāo)，也是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移引起的：⑴輸入失調(diào)電壓溫漂⑵輸入失調(diào)電流溫漂第四十二頁，共52頁。差模特性，指在差模輸入作用下的特性：1.開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW運放工作在線性區(qū)，標(biāo)稱電源電壓接規(guī)定負載，無反饋情況下的直流差模電壓增益；與輸出電壓vO的大小有關(guān)。-20dB/十倍頻程Avo又是頻率的函數(shù)，一般運放的Avo在（60~130）dB。第四十三頁，共52頁。開環(huán)帶寬BW（fH）開環(huán)帶寬BW又稱為-3dB帶寬，指開環(huán)差模電壓增益下降3dB對應(yīng)的頻率fH單位增益帶寬BWG（fT）開環(huán)電壓增益Avo下降到Avo=1時的頻率，即Avo為0dB的信號頻率fT；通用性運放的BWG典型值為（100~140）dB。2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro以BJT為輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐；MOSFET為輸入級的運放rid>1012Ω；一般運放的ro<200Ω，超高速AD9610的ro=0.05Ω；3.最大差模輸入電壓Vidmax集成運放的反相和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值。第四十四頁，共52頁。共模特性：1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric一般通用型運放KCMR為（80~120）dB，高精度運放可達140dB，ric≧100MΩ；2.最大共模輸入電壓Vicmax大信號動態(tài)特性：1.轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率指閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（階躍信號）時，放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率：轉(zhuǎn)換速率主要與運放的補償電容、BJT各級的極間電容、雜散電容，以及放大電路提供的充電電流等因素。第四十五頁，共52頁。電源特性：1.電源電壓抑制比KSVRKSVR是用來衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響：2.靜態(tài)功耗PV輸入信號為零時，運放消耗的總功率：運放可分為通用型和專用型；通用型各種指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般工程的要求；專用型主要是為了滿足特殊要求的場合，有高輸入電阻、低漂移、低噪聲、高精度、高速、寬帶、低功耗、高壓、大功率、儀用型、程控性和互導(dǎo)型等；表6.5.1第四十六頁，共52頁。6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題①如何選用集成運放