模拟电子技术第6章.ppt

6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术模拟集成电路中的直流偏置技术6.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响用电路的影响6.2 差分式放大电路差分式放大电路1 1、镜像电流源工作原理2 2、差分放大电路连接方式（工作组态）3 3、差模、共模信号的计算重点：重点：4 4、射极耦合差分放大电路的分析计算第六章模拟集成电路5 5、MC14573和LM741集成运放的应用6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1 BJT电流源电路6.1.2 FET电流源1.镜像电流源2.微电流源3.高输出阻抗电流源4.组合电流源1.MOSFET镜像电流源2.MOSFET多路电流源3.JFET电流源6.1.1 BJT电流源电路1、电流源2、镜像电流源当远大于1时，IC2IREF=(VCC-VBE)/RVCC/R A、当R不变时，IC2 几乎不变化，所以交流输出电阻很大B、作为放大电路的有源负载C、T1对T2管有温度补偿作用D、当T1、T2 的不大时，IC2与IREF存在一定的误差E、适用于IC2较大T T1 1、T T2 2的参数全同的参数全同 即即12，ICEO1ICEO2 当当BJT的的较大时，基极电流较大时，基极电流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF 3、微电流源IC2=(VBE1-VBE2)/Re2=Ie2Re2VBE/Re2 A、IC2为数值较小的电流B、IREFVCC/R随VCC变化,如果R很大，则IC2的变化很小，受电源影响很小C、T1对T2管有温度补偿作用，所以IC2受温度影响小5、应用实例A、T2和T3组成的镜像电流源作为T1管的有源负载B、由于镜像电流源的交流电阻很大，所以可大大提高T1的电压增益。IC2IC1IEF6.2.1 差分式放大电路的一般结构1.用三端器件组成的差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构2.有关概念差模信号差模信号共模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压其中其中差模信号产生的输出差模信号产生的输出共模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标6.2.2 射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理1.电路组成及工作原理静态静态动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。大小相等，大小相等，信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。2.抑制零点漂移原理 温温度度变变化化和和电电源源电电压压波波动动，都都将将使使集集电电极极电电流流产产生生变化。且变化趋势是相同的，变化。且变化趋势是相同的，其其效效果果相相当当于于在在两两个个输输入端加入了共模信号。入端加入了共模信号。这这一一过过程程类类似似于于分分压压式式射射极极偏偏置置电电路路的的温温度度稳稳定定过过程程。所所以以，即即使使电电路路处处于于单单端端输输出出方方式式时时，仍仍有有较强的抑制零漂能力。较强的抑制零漂能力。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用3.主要指标计算（1）差模情况）差模情况接入负载时接入负载时以双倍的元器件换取以双倍的元器件换取抑制零漂的能力抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出3.主要指标计算（1）差模情况）差模情况 双入、单出双入、单出接入负载时接入负载时（1）差模情况）差模情况 单端输入单端输入等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双指标计算与双端输入相同。端输入相同。（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以共模增益共模增益 单端输出单端输出抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强（2）共模情况）共模情况（3）共模抑制比）共模抑制比双端输出，理想情况双端输出，理想情况单端输出单端输出抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压（4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态(2)电压增益(3)差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时(4)4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益差模电压增益（负载开路）（负载开路）则则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 6.3 差分式放大电路的传输特性根据根据iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线的传输特性曲线l P316题思考题思考题6.4 集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器7416.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理2.电路技术指标的分析计算(1)(1)直流分析直流分析已知已知VT 和和KP5，可求出，可求出IREF 根据各管子的宽长比根据各管子的宽长比，可求出其它支路电流。，可求出其它支路电流。(2)(2)小信号分析小信号分析设设 gm1=gm2=gm 则则输入级电压增益输入级电压增益 (2)(2)小信号分析小信号分析总电压增益总电压增益 Av=Av1Av2 Av2=vo/v gs7 =gm7(rds7/rds8)第二级电压增益第二级电压增益 将参数代入计算得将参数代入计算得 Av=40884.8（92.2 dB）6.4.2 集成运算放大器7416.4.2 集成运算放大器741简化电路简化电路UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）1.输入失调电压输入失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压调电压VIO。一般约为。一般约为（110）mV。超低失调运放为（。超低失调运放为（120）V。高精度运放。高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 mV。2.输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。3.输入失调电流输入失调电流IIO 输输入入失失调调电电流流IIO是是指指当当输输入入电电压压为为零零时时流流入入放放大大器器两两输输入入端的静态基极电流之差，即端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|一般约为一般约为1 nA0.1 A。4.温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO/T差模特性1.开环差模电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压增益开环差模电压增益AvO开环带宽开环带宽BW(fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 2.差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入级的运放输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速而超高速AD9610的的ro0.05。3.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax共模特性1.共模抑制比共模抑制比KCMR和共模输入电阻和共模输入电阻ric 一般通用型运放一般通用型运放KCMR为（为（80120）dB，高精度运放，高精度运放可达可达140dB，ric100M。2.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。大信号动态特性1.转换速率转换速率SR放放大大电电路路在在闭闭环环状状态态下下，输输入入为为大大信信号号（例例如如阶阶跃跃信信号号）时时，输出电压对时间的最大变化速率，即输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为若信号为viVimsin2 ft，则运放的，则运放的SR必须满足必须满足SR2fmaxVom大信号动态特性2.全功率带宽全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和和BWP是是大大信信号号和和高高频频信信号号工工作作时时的的重重要要指指标标。一一般般通通用用型型运运放放SR在在nV/s以以下下，741的的SR=0.5V/s而而高高速速运运放放要要求求SR30V/s以上。目前超高速的运放如以上。目前超高速的运放如AD9610的的SR3500V/s。电源特性1.电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响衡量电源电压波动对输出电压的影响 2.静态功耗静态功耗PV 1.1.集成运放的选用集成运放的选用 根根据据技技术术要要求求应应首首选选通通用用型型运运放放，当当通通用用型型运运放放难难以以满满足足要要求求时时，才才考考虑虑专专用用型型运运放放，这这是是因因为为通通用用型型器器件件的的各各项项参参数数比比较较均均衡衡，做做到到技技术术性性与与经经济济性性的的统统一一。至至于于专专用用型型运运放放，虽虽然然某某项项技技术术参参数数很很突突出出，但但其其他他参参数数则则难难以以兼兼顾顾，例例如如低低噪噪声声运运放放的的带带宽宽往往往往设设计计得得较较窄窄，而而高高速速型型与与高精度常常有矛盾，如此等等。高精度常常有矛盾，如此等等。6.5.2 集成运放应用中的实际问题2.失调电压失调电压VIO、失调电流、失调电流IIO和偏置电流和偏置电流IIB带来的误差带来的误差 输入为零时的等效电路输入为零时的等效电路解得误差电压解得误差电压当当 时时，可以可以消除偏置电流消除偏置电流 引起的引起的误差，此时误差，此时当电路为积分运算时，当电路为积分运算时，即即 换成电容换成电容C，则，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在引起的误差仍存在3.调零补偿调零补偿（a a）调零电路）调零电路 （b b）反相端加入补偿电路）反相端加入补偿电路电电子子电电路路设设计计软软件件有有很很多多，它它们们各各有有特特色色。如如PSPICE、E EW WB B、M Mu ul lt ti is si im m、P Pr ro ot te el lS SE E和和T Ta an ng go o，ProtelSE和和Tango对对单单层层/双双层层电电路路板板的的原原理理图图及及P PC CB B图图的的开开发发设设计计很很适适合合，而而对对于于布布线线复复杂杂，元元件件较较多多的的四四层层及及六六层层板板来来说说O OR RC CA AD D更更有有优优势势。但但在在电电路路系系统统仿仿真真方方面面，P PS SP PI IC CE E可可以以说说独独具具特特色色，是是其其他他软软件件无无法法比比拟拟的的，它它是是一一个个多多功功能能的的电电路路模模拟拟试试验验平平台台，M Mu ul lt ti is si im m提提炼炼了了S SP PI IC CE E仿仿真真的的复复杂杂内内容容，这这样样技技术术人人员员无无需需懂懂得得深深入入的的S SP PI IC CE E技技术术就就可可以以很很快快地地进进行行捕捕获获、仿仿真真和和分分析析电电子子电电路路的的设设计计EWBEWB是一种电子电路计算机仿真软件，被称为电子是一种电子电路计算机仿真软件，被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics WorkbenchElectronics Workbench。EWBEWB是加拿大是加拿大Interactive Image TechnologiesInteractive Image Technologies（简称（简称IITIIT）公）公司于司于19881988年开发的，年开发的，EWBEWB以以SPICE3F5SPICE3F5为软件核心，为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。在众多的电路仿真软件中，在众多的电路仿真软件中，EWBEWB是最容易上手的，是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件练地使用该软件 MultisimMultisim也是也是IITIIT公司的产品，推出的以公司的产品，推出的以WindowsWindows为基础的仿真工具，适用于板级的为基础的仿真工具，适用于板级的模拟模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。入方式，具有丰富的仿真分析能力。MultisimMultisim交互式地搭建电路原理图，并对电交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。通过路进行仿真。通过MultisimMultisim和虚拟仪器技术，和虚拟仪器技术，工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。计流程。MultisimMultisim发展简介发展简介加拿大加拿大EWB EWB（Electrical WorkbenchElectrical Workbench）EWB4.0EWB4.0EWB5.0EWB5.0EWB6.0EWB6.0Multisim2001Multisim2001Multisim 7Multisim 7Multisim 8Multisim 8Multisim 9Multisim 9Multisim 10Multisim 10目前在各高校教学中普遍使目前在各高校教学中普遍使Multisim2001Multisim2001，网上最为普遍的是网上最为普遍的是Multisim 9Multisim 9Multisim 9Multisim 9特点：特点：（1 1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；（2 2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上上;(3)(3)所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。分析。Multisim 9Multisim 9组成：组成：1 1 构建仿真电路构建仿真电路2 2 仿真电路环境仿真电路环境3 3 multi mcu-multi mcu-单片机仿真单片机仿真4 4 FPGA FPGA、PLDPLD，CPLDCPLD等仿真等仿真5 5 FPGA FPGA、PLDPLD，CPLDCPLD等仿真等仿真6 6 通信系统分析与设计的模块通信系统分析与设计的模块 7 7 PCB PCB设计模块：直观、层板设计模块：直观、层板3232层、快速自动布线、层、快速自动布线、强制向量和密度直方图强制向量和密度直方图8 8 （自动布线模块）（自动布线模块）Homework of this chapter