第六章模拟集成电路50945.ppt

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1、6.1 电流源电流源6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数6 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.0 概述概述概概 述述一、集成电路一、集成电路(integrated circuit)：在半导体制造工艺基础上，把整个在半导体制造工艺基础上，把整个电电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块造在一块Si 基片上基片上，并引出相应的引线，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。构成特定功能的电子电路。如：运放、各种芯片等。如：运放、各种芯片等。集成

2、电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（5 5）不能制造电感不能制造电感，如需电感，也只能，如需电感，也只能外接外接。（4 4）只能制作几十）只能制作几十pFpF以下的以下的小电容小电容。因此，集成放大。因此，集成放大器都采用器都采用直接耦合直接耦合方式。如需大电容，只有外接。方式。如需大电容，只有外接。（3 3）不易制造大电阻不易制造大电阻。需要大电阻时，往往需要大电阻时，往往使用有使用有源负载源负载如晶体管。如晶体管。（2 2）集成电路的芯片）集成电路的芯片面积小，集成度高面积小，集成度高，所以，所以功功耗很小耗很小，在毫瓦以下。，在毫瓦以下。（1 1）元器件具有良好的）元器件具有良好的一致

3、性和同向偏差一致性和同向偏差，因而，因而特别有利于特别有利于实现需要对称结构实现需要对称结构的电路。的电路。6.1集成电路运放中的集成电路运放中的电流源电流源一、镜像电流源一、镜像电流源二、微电流源二、微电流源三、多路电流源三、多路电流源四、电流源作用四、电流源作用问题：问题：集成电路中集成电路中不易制造大电阻！不易制造大电阻！6.1集成电路运放中的集成电路运放中的电流源电流源静态工作点由静态工作点由VccVcc及若干电阻提供和稳定及若干电阻提供和稳定Q点（点（IB、IC、和、和VCE）解决：解决：利用三极管、场效应管做利用三极管、场效应管做恒流源恒流源。6.1集成电路运放中的集成电路运放中的

4、电流源电流源利用利用恒流源恒流源提供提供静态工作点静态工作点。要求：提供要求：提供恒定电流恒定电流IO，且有且有大的交流电阻大的交流电阻其两端电压变化时，其两端电压变化时，IO保持恒定。保持恒定。+Iorov_-ro 6.1集成电路运放中的集成电路运放中的电流源电流源一、电路组成一、电路组成6.1.1.1 镜像电流源镜像电流源（P258）T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。在电流源电路中充分利用集成运放中在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性晶体管性能的一致性。二、恒流特性二、恒流特性当当 较大较大(2)时：时：6.1.1.1 镜像电流源镜像电流源（P258）结论：结论：

5、无论无论Rc值如何值如何,IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）电流值保持不变（前提：电源要稳定）三、镜像电流源特点三、镜像电流源特点3.电流最低至电流最低至mA级。级。1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上2.电流受电源波动影响大；电流受电源波动影响大；4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。如何得到更小的如何得到更小的Ic1电流如电流如uA级？级？如何克服如何克服Ic1受电源波动影响受电源波动影响？思考：思考：由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小也很小一、电路特点一、电路特点二、工作原理二、工作原理（Re2 K 级）级）2受电源波动影响小；受电源波动影响小；3IC2 uA

6、级；级；优点：优点：1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上6.1.1.2微电流源微电流源（P259）4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。Re2T1、T2、T3的基极并联。的基极并联。电路用一个基准电流电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。获得了多个电流输出。6.1.1.3多路电流源：多路电流源：6.1.1.4 电流源作用电流源作用提供直流偏置提供直流偏置作为有源负载作为有源负载6.1.1.4 电流源作用电流源作用提供直流偏置提供直流偏置6.1.1.4 电流源作用电流源作用作为有源负载作为有源负载哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电

7、流约为多少？举例：举例：P282 集成运放集成运放电路内部结构电路内部结构微电流源微电流源直流偏置直流偏置镜像电流源镜像电流源有源负载有源负载 电流源电流源直流偏置直流偏置 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 6.2.0 概述概述 6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较6.2 差分式放大电路差分式放大电路1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路思考：为什么一般的集成运算放大器都要思考：为什

8、么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？采用直接耦合方式？6.2.0 概述概述各级各级Q Q互相影响互相影响，设计调试不便，设计调试不便，有严重有严重漂移漂移问题。问题。2.直接耦合放大电路零点漂移现象及其产生的原因直接耦合放大电路零点漂移现象及其产生的原因 输入短路时，输出仍有缓慢变化的输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。电压产生。uI0，uO0的现象。的现象。温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂温漂。引入直流负反馈，温度补偿。引入直流负反馈，温

9、度补偿。典型电路：差分放大电路典型电路：差分放大电路零点漂移现象：零点漂移现象：产生原因：产生原因：克服温漂的方法：克服温漂的方法：若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也漂了若第二级也漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设3.减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 调制解调方式。如调制解调方式。如“斩波稳零放大器斩波稳零放大器”F 采用采用差分式放大电路差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mV6.2.0

10、概述概述4.差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod差模信号差模信号共模信号共模信号idodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA 共模电压增益共模电压增益差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出6.2.0 概述概述两个输入信号的差值两个输入信号的差值两个输入信号的算术平均值两个输入信号的算术平均值根据以上两式可以得到根据以上两式可以得到共模抑制比共模抑制比反映反映抑制零漂能力抑制零漂能力的指标的指标总输出电压总输出电压icV

11、CidVDvAvA+=ocodo=vvv+差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod6.2.0 概述概述零点漂移零点漂移零输入零输入零输出零输出理想对称理想对称1.差分放大电路的组成差分放大电路的组成信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？共模信号：大小相等，极性相同。共模信号：大小相等，极性相同。差模信号：大小相等，极性相反差模信号：大小相等，极性相反.信号特点？能否放大？信号特点？能否放大？6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路 双端输入双端输入两输入端同时加信号两输入端同时加信号单端输入单

12、端输入一输入端一输入端对地对地加信号加信号 双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路C1C2 根据输入、输出方式不同，根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式可分为四种工作方式:双端输入、双端输出；双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、双端输出；差差放一般有两个输入端：放一般有两个输入端：差放可以有两个输出端差放可以有两个输出端:6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路2.工作原理工作原理

13、以双端输入、双端输出为例以双端输入、双端输出为例静态分析静态分析(vi1=vi2=0)c1c2ic2ic12.动态分析：动态分析：(1)差模输入差模输入：vi1iC1vC1 vC1vC2vi2 vC2iC2vo=vC1 vC2=2 vC1 结论结论1：差分式放：差分式放大电路大电路对差模信对差模信号有放大能力。号有放大能力。差模信号：差模信号：数值相等，极性相反数值相等，极性相反的输入信号，即的输入信号，即 vC1=-vC2（2）共模输入：共模输入：vi1iC1vC2 vC1vi2iC2vC1 vC2c1c2ic2ic1vo=vC1 vC2=0结论结论2：差分式放：差分式放大电路大电路对共模信

14、对共模信号有抑制能力。号有抑制能力。共模信号：共模信号：数值相等、极性相同数值相等、极性相同的的输入信号，即输入信号，即2.动态分析：动态分析：vC1=vC23.差放抑制零漂差放抑制零漂 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T1T1和和T2T2集集电电极极电电流流变变化化，变变化化量量相相同同，且变化趋势相同且变化趋势相同。差分式放大电路差分式放大电路对共对共模信号有很强抑制作用模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两输入其效果相当于在两输入端加入了端加入了共模信号共模信号。6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路差分式放大电路差分式放大电路有抑制零漂能力。有抑制零

15、漂能力。4、主要技术指标计算、主要技术指标计算(P265)差模电压增益差模电压增益差模输入电阻差模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻共模电压增益共模电压增益共模输入电阻共模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻c1c2ic2ic1icVCidVDvAvA+=ocodo=vvv+双端输入，差模信号为：双端输入，差模信号为：v i1=-vi2=vid/2交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE 交流短接交流短接1.1.差模电压增益差模电压增益(1)(1)双入双出双入双出AVD(P265)（单边电路增益）单边电路增益）有负载有负载RL 时：时：负载开路负载开路 时时：1.1.差模电

16、压增益差模电压增益v i1=-vi2=vid/2(2)双入单出双入单出AVD：1.1.差模电压增益差模电压增益v i1=-vi2=vid/2双端输入，共模信号为：双端输入，共模信号为：vi 1=vi 2=vi c交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE交流短接 电流源内阻ro等效变换电路：等效变换电路：2.2.共模电压增益共模电压增益c1c2(1)双入双出双入双出AVCvi 1=vi 2=vi C T1、T2电路对称vO1=vO 2vO=vO1-vO2=0=0结论：结论：双入双出双入双出时差放时差放抑制共模抑制共模信号（信号（零漂零漂）能力最强！）能力最强！2.2.共模电压增益共模电

17、压增益(2)双入单出双入单出AVC vi 1=vi 2=vi c vO=vO1结论：结论：双入单出双入单出时差放时差放抑制零漂能力相对较弱！抑制零漂能力相对较弱！2.2.共模电压增益共模电压增益3.3.单端输入差分式放大电路：单端输入差分式放大电路：结果自行分析结果自行分析 P266P266结论：结论：单端输入单端输入时效果时效果与双端输入相同。与双端输入相同。6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式只与输出方式有关：有关：双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(

18、2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关只与输出方式有关：双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：（3）共模抑制比：反映放大电路）共模抑制比：反映放大电路抑制共模信号抑制共模信号的能力的能力双端输出，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6.2.1 基本差分式基本差分式放大电路放大电路本章小结本章小结 1直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直

19、流信号，又能放大交流。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电电流流源源电电路路是是构构成成运运放放的的基基本本单单元元电电路路，其其特特点点是是直直流流电电阻阻小小，而而交交流流电电阻阻很很大大。电电流流源源电电路路既既可可以以为为电电路路提提供供偏偏置置电电流流，又又可可以以作作为为放放大大器的有源负载使用。器的有源负载使用。3集集成成运运放放的的主主要要品品种种是是BJT集

20、集成成运运放放、FET集集成成运运放放以以及及由由这这两两种种工工艺艺结结合合而而得得到到的的BiMOS和和BiCMOS集集成成运运放放。集集成成运运放放的的参参数数有有几几十十个个之之多多，正正确确掌掌握握了了它它的的主主要要参参数数的的物物理理意意义义，才才能能在在使使用用中中恰恰当当地地选选择择元器件。元器件。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。5集集成成运运放放是是模模拟拟集集成成电电路路的的典典型型组组件件。在在实实际际的的电电路路分分析析中中，应应掌掌握握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。