模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第6章 模擬集成電路

第6章模擬集成電路電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容介紹集成放大電路的特點。2.電流源電路——集成運放的典型單元電路之一包括①鏡像電流源②微電流源③多路電流源各自適用范圍電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容3.差分式放大電路——集成運放的典型單元電路之二。根據(jù)輸入、輸出的不同，可組合成四種典型電路（雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出），要求會求各種電路參數(shù)。4.理想集成運放的特性及代表符號含義。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)概述一.集成電路簡稱IC【IntegratedCircuit】60年代初發(fā)展起來。它是在半導體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。優(yōu)點：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二.集成電路分類按功能分，可分為：數(shù)字集成電路模擬集成電路輸入量和輸出量為高、低電平，且具有一定邏輯關(guān)系的電路。數(shù)字集成電路以外的集成電路統(tǒng)稱為模擬集成電路。最典型的：集成運算放大器（簡稱集成運放：IntegratedOperationAmplifier）電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三.特點電路參數(shù)一致性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。用有源器件代替無源器件。采用復合結(jié)構(gòu)的電路。級間采用直接耦合方式。常用耦合方式有三種：①直接耦合②通過電容耦合——稱阻容耦合③通過變壓器耦合用三極管的發(fā)射結(jié)代替二極管。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)6.1集成電路中的直流偏置技術(shù)電流源（CurrentMirror）電路就是在集成運放中最常用的偏置電路，它不僅可以為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，還可以作放大電路的有源負載。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一.鏡像電流源設(shè)T1、T2的參數(shù)完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2電源VCC通過電阻R和T1產(chǎn)生一個基準電流IREF，則工作原理分析電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)而又又整理后，得當滿足條件β>>2時，有一.鏡像電流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)即且通常有VCC>>VBE1由推導可見，IREF由VCC和R決定，而IC2像IREF的鏡像，與其本身一側(cè)的電阻RC無關(guān)。所以，無論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。一.鏡像電流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)補償作用鏡像電流源的特點

優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)簡單；適用于較大工作電流（mA級）的場合。適用范圍：②T1管對T2管具有一定的溫度補償作用，使得IC2的溫度穩(wěn)定性較好。溫度T↑IC2↑IC1↑IREF↑VR(=IREFR)↑VB↓IB↓IC2↓T↓則相反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)缺點：①當直流電源VCC變化時，輸出電流IC2幾乎按同樣的規(guī)律波動，因此不適用于直流源在大范圍內(nèi)變化的集成運放。②若輸入級要求微安級的偏置電流，則所用電阻將達到兆歐級，在集成電路中無法實現(xiàn)。③該電路限制β>>2時才成立，若β值很小時，IC2與IREF就存在一定的差別，不能達到很好的鏡像。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3帶緩沖級的鏡像電流源為了彌補缺點3，對原電路進行如下改進：令接入電路中的T3與原電路中T1和T2參數(shù)完全一致。【分析電路】而又電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)又整理后，得：非常小（μA級），可忽略IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3帶緩沖級的鏡像電流源電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)若取β＝10，則而原電路若也取β＝10由于可見該電路即使β很小，也可以認為IC2≈IREF，二者能保持很好的鏡像關(guān)系。IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-VBE+-VBE+-VBEIRe3帶緩沖級的鏡像電流源電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二.微電流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2【鏡像電流源電路】為彌補缺點2，即減少IC2值至微安級，需改進原電路IREFIC1IC2VCCRe2T2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2IE2微電流源電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)IREFIC1IC2VCCRe2T2T1IB1IB2+-VBE1+-VBE2IE2微電流源當基準電流IREF一定時，IC2可得：式中(VBE1-VBE2)通常只有幾十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的Re2（幾千歐）即可獲得微小的工作電流IC2（μA級），稱為微電流源。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)T0VCCTIREFICIE0IB0三.多路電流源已知各BJT的參數(shù)β、VBE數(shù)值相同，求各電流源IC1、IC2及IC3與基準電流IREF的關(guān)系式。由圖可知：當β較大時，有：電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)T0VCCTIREFICIE0IB0由于各管的β、VBE相同，則有…

…

…

…推廣：可見當IREF確定后，改變各電流源射極電阻，可獲得不同比例的輸出電流。三.多路電流源電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)IREF四.電流源用作有源負載下圖為一個采用有源負載的單管共射放大電路。T1:放大管T2:有源負載組成鏡像電流源，代替原來共射放大電路中的電阻RC。電流源特點：直流電阻小，交流電阻大。在模擬集成電路中，廣泛地把它作為負載使用，稱為有源負載。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)T2和T3管特性完全相同，有β2=β3=βIC2=IC3基準電流由基準電流就可以確定放大管的空載靜態(tài)工作電流IC1Q：∵∴四.電流源用作有源負載IREF電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)∴在集成運放中常常用三極管代替負載電阻RC，組成有源負載，以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。在共射電路中，可使每級的電壓增益達103甚至更高?！呷龢O管的集電極具有等效電阻rce比較大的特點電流源亦常用作射極負載。四.電流源用作有源負載電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本節(jié)小結(jié)本節(jié)介紹了幾類電流源電路：鏡像電流源、帶緩沖級的鏡像電流源、 微電流源、多路電流源。

關(guān)鍵是要掌握電流源電路的應(yīng)用場合：(1)最主要是用于集成運放的偏置電路中，為各級放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流（或靜態(tài)電流）；(2)代替大電阻作放大電路的有源負載。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)6.2差分式放大電路一.概述線性放大電路vi1vi2vo

就其功能來說，它是兩個輸入信號之差。

多用于集成運放的輸入級。

如右圖所示，在電路完全對稱的理想情況下，輸出信號電壓可表示為：vo=AVD(vi1-vi2)AVD——差分式放大電路的差模電壓增益電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)于“輸入電壓的兩種形式”：差模輸入電壓vid【d：differential】共模輸入電壓vic【c：common】即：兩個輸入信號的電壓大小相等，但極性相反。即：兩個差放管的輸入電壓大小相等，且極性相同。vid

——也稱為差模信號vic

——也稱為共模信號分別表示為電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)求總的輸出電壓：式中——差模電壓增益——共模電壓增益有時即使是兩種情況下輸入信號的差模信號相同，但其共模信號不一致，則輸出電壓也是不相同的。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE二.射極耦合差分式放大電路電路構(gòu)成特點T1與T2的特性完全相同，電路結(jié)構(gòu)對稱。電路參數(shù)也相同，即：電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)工作原理VBE取0.7V（1）靜態(tài)分析則：又而∵∴vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)Q點各參數(shù)已求得：（1）靜態(tài)分析同時，即輸入信號為0時，輸出信號也為0。vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vE工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析關(guān)于“零點漂移”

定義：輸入電壓（vi）為零而輸出電壓（vo）不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零點漂移現(xiàn)象，簡稱零漂。工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析關(guān)于“零點漂移”

產(chǎn)生原因：以目前的工藝水平，由溫度變化所引起的半導體器件參數(shù)變化成為產(chǎn)生零漂現(xiàn)象的主要原因，因而也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。

差分放大電路對抑制零點漂移具有很好的效果工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析vC1vC2vo+-vi1+-vi2roIoeb1b2vEvC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】a)考慮加入純差模信號工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)【微變等效電路】vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+（2）動態(tài)分析vC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2a)考慮加入純差模信號注意這里討論的輸入信號已不是純正弦波，而是雜波信號，所以不再用向量形式的符號表示了。工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析a)考慮加入純差模信號求AVD：當c1、c2間接入負載電阻RL時工作原理vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析a)考慮加入純差模信號求Ri：求Ro：電壓增益與單管放大電路的完全相同，可見該電路是用成倍的元器件以換取抑制零漂的能力。工作原理vo+--+vC1vC2--+βib1βib2ib1ib2+-vid+電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析b)考慮加入純共模信號voc+-vi1+-vi2b1b22ro2rovoc1++--voc2∵兩管的電流或是同時增加，或是同時減少∴在雙端輸出時，其輸出電壓為：工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析b)考慮加入純共模信號求AVC：可見對共模信號幾乎沒有任何放大。AVC越小，說明放大電路的性能越好。voc+-vi1+-vi2b1b22ro2rovoc1++--voc2工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2）動態(tài)分析c)共模抑制比KCMR希望KCMR越大越好定義：有時也用分貝數(shù)表示：雙入雙出電路的適用范圍：①用于輸入、輸出不需要一端接地時；②常用于多級直接耦合放大電路的輸入級、中間級?！揠p入雙出電路工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三.差分放大電路的其它接法（一）雙端輸入、單端輸出電路以從vc1取輸出電壓為例：+-vi1+-vi2roIoeb1b2vC1+-vo由于單端輸出，使得輸出回路不再對稱，故會影響到靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)。當分別從T1或T2輸出時，有電路適用范圍將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出，常用于多級直接耦合放大電路的輸入級和中間級。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)+-vi1=vidvi2eb1b2+-≈vid

/2-+≈vid

/2ve≈vid

/2【交流通路】vc1vc2兩個輸入端有一個接地，輸入信號加在另一端與地之間。（二）單端輸入、雙端輸出電路+-vivi2roIoeb1b2vC1vC2vi1分析后發(fā)現(xiàn)：AVD、Ri和Ro與雙入雙出時均相同。電路適用范圍將單端信號轉(zhuǎn)換為雙端輸出，常用于多級直接耦合放大電路的輸入級。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（三）單端輸入、單端輸出電路和前面幾種接法的分析相同，不作具體分析。但有一點提醒注意：對于單端輸出電路（無論是雙入還是單入），選擇從不同的三極管輸出，會使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。比如：從vc1輸出，有從vc2輸出，有電路適用范圍用在放大電路輸入電路和輸出電路均需有一端接地的電路中。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

四.差分放大電路動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)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：單端輸出時：與單管放大電路相同為雙端輸出時的一半電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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：單端輸出時：差模輸入電阻不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)輸出電阻單端輸出時：雙端輸出時：共模抑制比雙端輸出時共模抑制比：單端輸出時共模抑制比：電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)vidvo2Rg11MΩRd110kΩRd210kΩR120kΩR32.7kΩR23.3kΩRg21MΩVDD+12V-VSS-12VT3T4T1T2I0iD1iD2IE31.2mAIREF1mAIE4五.FET差分式放大電路圖為帶恒流源的JFET差分式放大電路。T1和T2是差分對管恒流源電路電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)本節(jié)小結(jié)差分放大電路在電路中的作用、工作原理；零漂（即溫漂）的概念及產(chǎn)生原因；主要討論的問題有【即要會求各參數(shù)】：差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、輸出電阻差分放大電路共有四種輸入輸出方式:雙入雙出、雙入單出、單入雙出、單入單出電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)要注意單端輸出時的極性關(guān)系：歸納出如下結(jié)論：本級時，輸出極性相反；相對級時，輸出極性相同；本節(jié)小結(jié)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程——模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)6.3集成電路運算放大器vPvNvo一.簡單的集成電路運算放大器典型集成運放的方框圖：負載