第6章潘模擬集成電路ppt課件

1、第六章第六章 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器它體積小，性能好。它體積小，性能好。2、按功能分類：數(shù)字集成和模擬集成電路。、按功能分類：數(shù)字集成和模擬集成電路。3 3、常用模擬集成電路：、常用模擬集成電路： 運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、 功率功率 放大器、模擬乘法器、模擬瑣相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)放大器、模擬乘法器、模擬瑣相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器換器 、及其他模擬電路等。、及其他模擬電路等。4 4、模擬集成電路的特點(diǎn)：、模擬集成電路的特點(diǎn)：1電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性溫度均一、特性對(duì)稱）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性溫度均一、特性對(duì)稱）2無源器件用有源器件代替電阻、電容用無

2、源器件用有源器件代替電阻、電容用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)）結(jié)實(shí)現(xiàn)）3采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路用復(fù)合管等組合電路）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路用復(fù)合管等組合電路）4級(jí)間采用直接耦合方式級(jí)間采用直接耦合方式5用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管，作為溫度補(bǔ)償元件等。用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管，作為溫度補(bǔ)償元件等。1、集成電路：把整個(gè)電路中的元件都制作在一塊硅基片上，把整個(gè)電路中的元件都制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。構(gòu)成特定功能的電子電路。6.1 集成電路運(yùn)算放大器中的電流源集成電路運(yùn)算放大器中的電流源電流源電路的特點(diǎn)：輸出電流恒定。具有很高的輸出電阻。電流源電路的用途：1、給直接耦合放大器的各級(jí)電路提供直流偏置電流，使、給

3、直接耦合放大器的各級(jí)電路提供直流偏置電流，使Q點(diǎn)穩(wěn)定。點(diǎn)穩(wěn)定。2、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、增大動(dòng)態(tài)范圍。、作各種放大器的有源負(fù)載，以提高增益、增大動(dòng)態(tài)范圍。3 3、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長的電壓輸出。、由電流源給電容充電，可獲得隨時(shí)間線性增長的電壓輸出。4 4、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。 4 4、用、用PNPN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度影響小。結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度影響小。3 3、電流源電路一般都加有電流負(fù)反饋。、電流源電路一般都加有電流負(fù)反饋。2 2、常用的電流源電路有：鏡像電流源、精

4、密電流源、微電流源等、常用的電流源電路有：鏡像電流源、精密電流源、微電流源等1 1、BJTBJT、FETFET工作在放大狀態(tài)時(shí)，其輸出電流都是具有恒流特性受工作在放大狀態(tài)時(shí)，其輸出電流都是具有恒流特性受 控電流源；由它們都可構(gòu)成電流源電路?？仉娏髟?；由它們都可構(gòu)成電流源電路。三極管三極管T1、T2匹配，匹配， 鏡像電流源其中：基準(zhǔn)電流其中：基準(zhǔn)電流 是穩(wěn)定的，故輸出電流是穩(wěn)定的，故輸出電流 也是穩(wěn)定的。也是穩(wěn)定的。I2CIR,22RCII 時(shí)，當(dāng)RVVIBECCR且 IC2和IR是鏡像關(guān)系。 21BEBEBEVVV21BCRIII21 則則：BCII22 )21 (2CI1 1、鏡像電流源、鏡

5、像電流源I I2 2I IC C2 2C C2 2 精密鏡像電流源精密鏡像電流源精密鏡像電流源和普通鏡像電流源相比，其鏡像精密鏡像電流源和普通鏡像電流源相比，其鏡像精度提高了精度提高了 倍。倍。 精密電流源 電路中增加了電路中增加了T3 管，管，IIIIBREFCC312 312 IIBREF IB3 比鏡像電流源的2IB小3倍。因此IC2和IREF之間的鏡像精度提高了 倍。31 3333121 IIIBEB2 2、微電流源、微電流源 微電流源電路微電流源電路, ,接入接入Re2Re2電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和流小許多倍的微電流源，適用

6、微功耗的集成電路和集成放大器的前置級(jí)中。集成放大器的前置級(jí)中。 微電流源微電流源22212eEBEBEBERRIVVVVe IC2 遠(yuǎn)小于IREF ,。RVICCREF 當(dāng)R取 幾k 時(shí)， IREF 為mA量級(jí)，而IC2可降至A量級(jí)的微電流源。且IC2 的穩(wěn)定性也比IREF 的穩(wěn)定性好。222eBEECRVIIVBE很小很小 多路電流源多路電流源 通過一個(gè)基準(zhǔn)電流源通過一個(gè)基準(zhǔn)電流源IREF穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流流IC1、IC2，即可構(gòu)成多路電流源。，即可構(gòu)成多路電流源。例例6.1.1 已知各已知各BJT的參數(shù)的參數(shù)、VBE數(shù)值相同，求多路電流源數(shù)值相同，求多路電流

7、源電路中的各電流源電路中的各電流源IC1 、 IC2 、 IC3 與基準(zhǔn)電流與基準(zhǔn)電流 IREF的關(guān)系的關(guān)系式。式。解：解：/BREFCIIIREFCIIeREFeERIRI11eERI22eERI33eERI,111eeREFECRRIII,222eeREFECRRIII333eeREFECRRIII當(dāng)當(dāng)IREF確定后，改變各確定后，改變各Re的阻值，就能獲得不同比例的輸出電的阻值，就能獲得不同比例的輸出電流。流。當(dāng)較大時(shí)，由于各管的由于各管的、VBE相同，相同，IB0=IE0/=IB/ 3. 3. 電流源用作有源負(fù)載電流源用作有源負(fù)載IREF 利用電流源的靜態(tài)電阻小，動(dòng)態(tài)電阻很大的特點(diǎn)。1

8、靜態(tài)電阻小：靜態(tài)電阻?。?易配置靜態(tài)工作點(diǎn)。易配置靜態(tài)工作點(diǎn)。2動(dòng)態(tài)電阻很大：動(dòng)態(tài)電阻很大： 可提高放大器的大倍數(shù)?？商岣叻糯笃鞯拇蟊稊?shù)。uotO 前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響, ,需統(tǒng)一考慮需統(tǒng)一考慮1. 問題的提出：問題的提出：直流信號(hào)、直流信號(hào)、 直接耦合、直接耦合、直流放大器直流放大器解決方法：解決方法： 采用溫度補(bǔ)償采用溫度補(bǔ)償采用差分放大電路采用差分放大電路vi1vi2線性放大電路voiCVCidVDovAvAv 差模電壓增益)(2121iiicvvv 差分放大電路應(yīng)僅對(duì)差模信號(hào)具有放差分放大電路應(yīng)僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大大能力，對(duì)共模信號(hào)不

9、予放大.差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。差模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相反的信號(hào)。 vid = vid1 - vid2 ; vid1 = vid2 = vid共模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。共模信號(hào)：是指在兩個(gè)輸入端加幅度相等，極性相同的信號(hào)。 vic = vic1 = vic2 放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差 任意輸入信號(hào)，幅度、極性都是任意的，它可以分解為一對(duì)差模信號(hào)和一對(duì)共模信號(hào)的組合。111icidivvv 222icidivvv 21iiidvvv 共模電壓增益6.2.16.2.1基本差分放大電路基本差分放大電路差分放

10、大器由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。差分放大器由兩個(gè)特性基本相同的三極管組成，電路參數(shù)對(duì)稱相等。差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。時(shí)，021iivv靜態(tài)分析靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，即當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，即0=2/21CCCCCE0C21 CCoBECCvvvVRIVVIIii這時(shí)，這時(shí)，由于電路完全對(duì)稱。由于電路完全對(duì)稱。當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，時(shí)時(shí)，即即2/21idiivvv 一管電流增加，另一

11、管電流減小，所以一管電流增加，另一管電流減小，所以021CCovvv即在兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出。即在兩個(gè)輸出端有信號(hào)電壓輸出。2. 抑制零點(diǎn)漂移的原理抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移 當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端還有電壓輸出。 在差分電路中，溫度的變化等會(huì)引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)與在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點(diǎn)漂移。uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0當(dāng)溫度升高時(shí)當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC （兩管變化量相等（兩管變化量相等） 在直接耦合多

12、級(jí)放大電路中，前級(jí)Q點(diǎn)變化時(shí)，被后級(jí)逐級(jí)放大，造成輸出電壓漂移。3、計(jì)算、計(jì)算beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出:beCVDVDrRAA2211加負(fù)載電阻加負(fù)載電阻RL:beLVDrRA2/LCLRRR 式中： 差分放大電路有兩個(gè)輸出端差分放大電路有兩個(gè)輸出端集電極集電極C1C1和集電極和集電極C2C2。 若信號(hào)從若信號(hào)從C1 C1 和和C2C2輸出，則稱為雙端輸出，則稱為雙端輸出，反之，若信號(hào)僅從集電極輸出，反之，若信號(hào)僅從集電極 C1C1或或C2 C2 對(duì)地輸出，則稱為單端輸出。對(duì)地輸出，則稱為單端輸出。雙端輸入、雙端輸出

13、雙端輸入、雙端輸出:（1差模電壓增益差模電壓增益單端輸入時(shí)的差模電壓增益：單端輸入時(shí)的差模電壓增益：單端輸入：單端輸入：vi1 vid , vi2 0 因?yàn)楹懔髟唇涣麟娮?r0 很大，可以看成開路。 作用于T1和T2上be結(jié)的信號(hào)基本上是一致的，相當(dāng)于雙端輸入的情況。電壓增益計(jì)算與雙端輸入時(shí)相同。電壓增益計(jì)算與雙端輸入時(shí)相同。beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出:beCVDVDrRAA2211單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出:差模輸入電阻輸出電阻差模輸入電阻輸出電阻 ： 不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放

14、大電路的兩倍。besid2rRR輸出電阻：輸出電阻： 單端輸出時(shí)，單端輸出時(shí)， 雙端輸出時(shí)，雙端輸出時(shí)， coRR co2RR uod1RsB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1輸入電阻：輸入電阻：（1雙端輸出時(shí)：雙端輸出時(shí)：021vvvicococvcA（2單端輸出時(shí)：單端輸出時(shí)：oCobeCicocvcrrRrRvvA22111 共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。 r0 r0 越大，則越大，則Avc1Avc1越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。（2 2共模電壓增益共模電壓增益 AvcAvc（3 3共模抑制比共模抑制比 KCMR KCMR ：cdCMRvvAA

15、KdBlg20cdCMRvvAAK（2單端輸出時(shí)共模抑制比單端輸出時(shí)共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，反映抑制共模信號(hào)的能力。AAKvcvdCMR（1雙端輸出時(shí)雙端輸出時(shí)KCMR為無窮為無窮大大beovcvdCMRrrAAK11或：或：oCvcrRA21beCVDrRA21 由：由：和和例例2：80V.VBE20mA.RRVVIIEECCRCQ247524234mA.IIICQCQCQ122421VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121krce50 一、估算一、估算Q點(diǎn)：點(diǎn)：二、動(dòng)態(tài)分析：二、動(dòng)態(tài)分析：kbeIrEQ3 . 11

16、 . 2268030026130012, 1 等效的發(fā)射極耦合電阻等效的發(fā)射極耦合電阻REE比例式電流源的輸出電阻比例式電流源的輸出電阻krRRceoEE405050811444例例2：480250813155338021./.RrRAWbeLvd 1.雙出雙入或單入）：差模特性： rbe=1.3k, 把直流電源、Vic 都短路；RL 兩臂各分一半；兩臂的差模信號(hào)電流大兩臂的差模信號(hào)電流大小相等、方向相反，同小相等、方向相反，同時(shí)流過時(shí)流過T4 時(shí)抵消，使時(shí)抵消，使T4 無差模電流、也無差模無差模電流、也無差模電壓，電壓，T4、 R1 可視作可視作短路或開路），短路或開路），這里作短路處理；對(duì)

17、于這里作短路處理；對(duì)于RW：兩臂各分一半。：兩臂各分一半。k.RrRWbeid656025081312212k.RRco662畫差模信號(hào)通路：畫差模信號(hào)通路：例例2： 畫共模信號(hào)通路：把直流電源、Vid 都短路；RL 兩端共模信號(hào)電位相等，故其中無共模電流流過，故可視作開路；由于兩臂的共模信號(hào)電流同時(shí)流過T4 、R1，因而，把它等效到每管發(fā)射極時(shí)，需用2REE表示。RW的影響可略。共模特性：已算得共模特性：已算得rbe=1.3k,電流源電流源的輸出電阻等效的的輸出電阻等效的REE為為4050k。1.雙出雙入或單入）：雙出雙入或單入）：共模信號(hào)通路共模信號(hào)通路AAKVVAvcvdCMRicocv

18、c, 0MRrREEbeic656405028121例例2： 2. 單出-（雙入或單入）： （1差模特性： 差模信號(hào)通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvdkRrRWbeid3 . 3025. 0813 . 121k.RRco33例例2： 2. 單出-（雙入或單入）： （2共模特性000304050211332./.RRvvAEELicocvc105100030530.AAKvcvdCMRdBog10020105集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。運(yùn)算放大器方框圖運(yùn)算放大器方框圖

19、 1.輸入級(jí) 使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。 4.偏置電路 提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.輸出級(jí) 由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.電壓放大級(jí) 要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。例例6.3.1和第和第6.3.2節(jié)的內(nèi)容偏難，不作為基本要求節(jié)的內(nèi)容偏難，不作為基本要求另舉例說明集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)另舉例說明集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T

20、4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)舉例）集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)舉例）第第1級(jí)：差動(dòng)放大器級(jí)：差動(dòng)放大器第第2級(jí)：差動(dòng)放大器級(jí)：差動(dòng)放大器第第3級(jí)：單管放大器級(jí)：單管放大器第第4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器稱射極跟隨器極性判斷極性判斷uu+ uo 反相輸入端反相輸入端 u同相輸入端同相輸入端 u+ 輸出端輸出端 uo美國符號(hào)：美國符號(hào)：國內(nèi)符號(hào)：國內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)算放大器符號(hào)集成運(yùn)算放大器符號(hào)同相輸入端同相輸入端: 該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同反相輸入端反相輸入端: 該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端

21、相反該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器外外形形圖圖本章結(jié)束本章結(jié)束 1.差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd80dB即可。 理想運(yùn)算放大器的條件2.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid=，實(shí)際上，實(shí)際上Rid比輸入端外電路比輸入端外電路的的 電阻大電阻大23個(gè)量級(jí)即可。個(gè)量級(jí)即可。3.輸出電阻輸出電阻Ro= 0，實(shí)際上，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻比輸入端外電路的電阻 小小12個(gè)量級(jí)即可。個(gè)量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。共模抑制比足夠大。 實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器 都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。 理想運(yùn)算放大器具有“虛短和“虛斷的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋下工作。 理想