模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：第六章模擬集成電路

1、,6 模擬集成電路,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.3 差分式放大電路的傳輸特性,6.4 集成電路運算放大器,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,6.2 差分式放大電路,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.1.1 BJT電流源電路,6.1.2 FET電流源,1. 鏡像電流源,2. 微電流源,3. 高輸出阻抗電流源,4. 組合電流源,1. MOSFET鏡像電流源,2. MOSFET多路電流源,3. JFET電流源,6.1.1 BJT電流源電路,1. 鏡像電流源,T1、T2的參數(shù)全同,即12，ICEO1ICEO2,當(dāng)BJT的較大時，基極電流IB可以忽略,IoI

2、C2IREF,代表符號,6.1.1 BJT電流源電路,1. 鏡像電流源,動態(tài)電阻,一般ro在幾百千歐以上,6.1.1 BJT電流源電路,2. 微電流源,所以IC2也很小。,Io=IC2=VBE/Re2 Io很小，VBE2也很小 T2 工作在彎曲區(qū) 所以 Vcc 對Io 影響也很小,A1和A3分別是T1和T3的相對結(jié)面積,動態(tài)輸出電阻ro遠(yuǎn)比微電流源的動態(tài)輸出電阻高,6.1.1 BJT電流源電路,3. 高輸出阻抗電流源,6.1.1 BJT電流源電路,4. 組合電流源,T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流IREF,T1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源,T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流源,6.1.2

3、 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,當(dāng)器件具有不同的寬長比時,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本鏡像電路流,6.1.2 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)=0時，輸出電流為,常用的鏡像電流源,end,6.2 差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),6.2.2 射極耦合差分式放大電路,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),1. 用三端器件組成的差分式放大電路,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理, 雙入、雙出, 雙入、單出, 單入、雙出, 單入

4、、單出,基于不同的應(yīng)用場合，有雙、單端輸入和雙、單端輸出的情況。,所謂“單端”指一端接地。,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,靜態(tài),(vi = 0),動態(tài),僅輸入差模信號，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信號被放大。,相位相反。,1. 電路組成及工作原理,2. 抑制零點漂移原理,溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢相同,其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。,這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。,2. 抑制零點漂移原理,差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用,3. 主

5、要指標(biāo)計算,（1）差模情況,接入負(fù)載時, 雙入、雙出,3. 主要指標(biāo)計算,（1）差模情況, 雙入、單出,接入負(fù)載時,3. 主要指標(biāo)計算,（1）差模情況, 單端輸入,等效于雙端輸入,指標(biāo)計算與雙端輸入相同。,等效于雙端輸入,3. 主要指標(biāo)計算,（2）共模情況, 雙端輸出,共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。,所以,共模增益, 單端輸出,抑制零漂能力增強,3. 主要指標(biāo)計算,（2）共模情況,（3）共模抑制比,雙端輸出，理想情況,單端輸出,抑制零漂能力,越強,單端輸出時的總輸出電壓,（4）頻率響應(yīng),高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。,4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,靜態(tài),

6、IE6 IREF,IO IE5,4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,差模電壓增益 （負(fù)載開路）,則,單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益,差模輸入電阻 Rid2rbe,輸出電阻,6.3 差分式放大電路的傳輸特性,根據(jù),iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線,end,6.4 集成電路運算放大器,6.4.1 集成電路運算放大器CMOS MC14573,6.4.2 集成運算放大器

7、741,6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器,電路結(jié)構(gòu)和工作原理,6.4.2 集成運算放大器741,原理電路,next,6.4.2 集成運算放大器741,簡化電路,end,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),6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,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）,1. 輸入失調(diào)電壓VIO,在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，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。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運放為（120）V。高精度運放O

8、P-117 VIO=4V。MOSFET達(dá)20 mV。,2. 輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值,IIB（IBNIBP）/2,BJT為10 nA1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。,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）,3. 輸入失調(diào)電流IIO,輸入失調(diào)電流IIO是指當(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，即IIO|IBPIBN| 一般約為1 nA0.1A。,4. 溫度漂移,（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO / T,（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO / T,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),差模特性,1. 開環(huán)差模

9、電壓增益Avo和帶寬BW,開環(huán)差模電壓增益AvO,開環(huán)帶寬BW (fH),單位增益帶寬 BWG (fT),741型運放AvO的頻率響應(yīng),6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),差模特性,2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro,BJT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rid1012 超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA 一般運放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模輸入電壓Vidmax,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),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（80120）dB，高

10、精度運放可達(dá)140dB，ric100M。,2. 最大共模輸入電壓Vicmax,一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達(dá) 13V。,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),大信號動態(tài)特性,1. 轉(zhuǎn)換速率SR,放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即,若信號為viVimsin2ft ，則運放的SR必須滿足SR2fmaxVom,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),大信號動態(tài)特性,2. 全功率帶寬BWP,指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即,SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標(biāo)。一般通用型運放S

11、R在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/s。,電源特性,1. 電源電壓抑制比KSVR,衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響,2. 靜態(tài)功耗PV,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),1. 集成運放的選用,根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運放，當(dāng)通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設(shè)計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,

12、1.差模電壓放大倍數(shù)Avd=,理想運算放大器的條件,2.差模輸入電阻Rid=,3.輸出電阻Ro=0,4.帶寬足夠?qū)挕?5.共模抑制比足夠大。,2. 失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,輸入為零時的等效電路,解得誤差電壓,當(dāng) 時，可以 消除偏置電流 引起的 誤差，此時,當(dāng)電路為積分運算時，,即 換成電容C，則,時間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。,引起的誤差仍存在,3. 調(diào)零補償,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,（a）調(diào)零電路 （b）反相端加入補償電路,6.6 模擬乘法器,6.7 放大電路中的噪聲與干擾,電磁耦合噪聲,集成

13、電路的噪聲,三極管的噪聲,熱噪聲,這是由于電子不規(guī)則熱 運動而產(chǎn)生的隨時間變化的 噪聲電壓，可出現(xiàn)在無源元 件,如電阻和三極管等有源器 件中。所有具有電阻的器件 都會產(chǎn)生熱噪聲，溫度越高, 熱噪聲越大。熱噪聲電壓是 一個非周期變化的時間函數(shù)， 它的頻帶很寬，放大電路的 頻帶越寬，受熱噪聲的影響 越大。,三極管的噪聲,三極管的噪聲有:,熱噪聲,散粒噪聲,顫動噪聲,通常所說的三極管電流是一個 平均值，由于載流子注入的不 均勻性，使三極管的電流出現(xiàn) 不規(guī)則的波動，所產(chǎn)生的噪聲 稱為散粒噪聲。,一般認(rèn)為是由三極管的晶體表面 載流子復(fù)合造成的，因此，顫動噪 聲與半導(dǎo)體材料和工藝水平有關(guān)。 這種噪聲與頻率

14、成反比，也稱為 1/f 噪聲。在低頻段，三極管的噪 聲主要由它決定。,集成電路的噪聲,熱耦合噪聲,高頻輻射噪聲,集成電路硅片上的發(fā)熱元 件，將熱量傳遞給小信號元件， 從而可能影響整個集成電路的 工作。這種熱量的傳遞是不 穩(wěn)定的，類似于熱噪聲。,集成電路特別在大信號條 件下工作時，會產(chǎn)生高頻分量 的輻射。在開關(guān)狀態(tài)下工作時， 電源提供的電流有過度尖峰， 也會產(chǎn)生高頻輻射。,電磁耦合噪聲,由于布線的原因，信號通過地線、電源和傳 輸線的阻抗互相耦合而形成的噪聲。在放大電路 中會因電源濾波不佳造成交流聲，甚至形成寄生 振蕩。電磁耦合會在運算放大器的輸入端引起所 謂差模噪聲和共模噪聲。 這完全由電磁干擾

15、在運放的兩條輸入線上產(chǎn)生的耦合電流的方向來決定，噪聲電流IN與差模信號電流IS方向相同時，產(chǎn)生差模噪聲；噪聲電流IN在兩輸入線上方向相同，則產(chǎn)生共模噪聲。差模噪聲和共模噪聲往往同時產(chǎn)生。,信噪比,噪聲的大小所造成的危害，要看信號與噪 聲的相對大小而定。工程上用信號噪聲比，簡 稱信噪比來衡量。信噪比SNR的定義,式中PS為信號功率，PN為噪聲功率。對于 放大器來說，只有當(dāng)信噪比大于1時，信號才不致被噪聲淹沒。當(dāng)然信噪比要大一些好。,噪聲系數(shù)NF,電子電路本身有噪聲，所以輸出端的信噪比會小于輸入端的信噪比。為了說明電子電路本身的噪聲水平，工程上定義了噪聲系數(shù),無噪聲的電路噪聲系數(shù)為0 dB，一般低

16、噪聲電路的噪聲系數(shù)應(yīng)小于3 dB。,多級放大電路的噪聲,對一個多級放大電路來說，對進(jìn)入放大電路 第一級的信號和噪聲同時加以放大。在放大的同 時還會混入第一級自己的噪聲，隨之會被后幾級 加以放大。所以要盡可能提高第一級的信噪比， 要在第一級使用低噪聲器件，同時提高第一級的 增益，這樣可以盡量降低放大電路自身噪聲的影 響。,抗干擾措施,抑制電磁場干擾的主要措施,選用低噪聲元器件,選用低噪聲元器件,電阻器有熱噪聲，三極管、運算放大器等都 有噪聲系數(shù)的指標(biāo)。為了獲得低噪聲水平，應(yīng)選 用低噪聲元器件。不過要根據(jù)輸入信號的大小來 決定選用多大噪聲系數(shù)等級的器件，因為低噪聲 器件的價格很昂貴。 要使元器件降

17、低噪聲，要注意使用的條件。 降低元器件的工作溫度 降低信號源內(nèi)阻,降低溫度有利于降低熱 噪聲，電阻一般不應(yīng)在超過額 定功率一半的條件下工作。,抑制電磁場干擾的主要措施,(1) 屏蔽,噪聲干擾源屏蔽起來。例如將變壓器屏蔽起來，因為變壓器是一個很大的電磁干擾源。變壓器的干擾一般具有方向性，改變方向也能有效降低干擾強度。,屏蔽就是在電子電路中將,最怕受干擾的部分屏蔽起來。例如放大器的輸入回路。屏蔽分電場屏蔽和磁場屏蔽，屏蔽材料可用銅、鋁、鐵的箔片制成，也可采用鐵淦氧和坡莫合金等材料。鐵淦氧是絕緣導(dǎo)磁材料，可屏蔽磁場，坡莫合金是良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料，可有效屏蔽電場和磁場。在要求較高的場合，可以采用多層

18、屏蔽。,(2) 濾波和去耦,濾波是將交流電源整流后的交流分量抑制掉。 濾波后，直流電源中的紋波對電子電路各級的影 響是不同的。對末級，因信號幅度大，小小的紋 波不會造成危害。但對輸入級，因信號微弱，小 小紋波的危害就不容忽視。因此需要加去耦合電 路. 去耦電路就是一個RC電容濾波電路。這樣就進(jìn)一步在直流供電上隔離了輸入級和末級之間的耦合，有利于降低第一級的噪聲系數(shù)。,合理布置電源的供電走線，將流有大電流的走線和輸入級的供電線分開，供電線成網(wǎng)狀分布，以降低印制電路板的銅箔電阻。 RC去耦電路,(3) 合理接地,合理接地十分重要，它可以基本消除信號電 流流過地線形成的耦合。放大級之間通過地線的 耦合示意圖見圖。 正確接地的方法,采用一點接地可有效消除放大級之間通過地線的不良耦合。,一點接地就是將電子電路各 級