模电第六章集成运算放大电路.pptx
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1、模拟集成电路是本章的主干内容。它是集成电路设计与制造工艺不断发展的成果。本章首先讨论模拟集成电路中普遍使用的直流偏置技术,即用集成工艺制造的BJT或FET的各种电流源。电流源除可为电路提供稳定的直流偏置外,还可作放大电路的有源负载以获得高增益。其次,模拟集成电路的另一组成单元是用BJT和FET组成的差分式放大电路,将重点讨论其工作原理和主要技术指标的计算。第1页/共155页接着分析两种集成运放的实际电路,介绍集成运放的技术参数。随后,对变跨导模拟乘法器及其应用也作简要的讨论。最后,对放大电路中的噪声和干扰的来源及其抑制措施作简要的介绍。第2页/共155页 集成放大电路的特点集成放大电路的特点1
2、 1、电路结构与元件参数具有、电路结构与元件参数具有对称性对称性2、用有源器件代替无源器件3、采用复合结构的电路4、采用直接耦合方式5、二极管由三极管构成主要的单元电路:1.电流源 2.差分放大电路第3页/共155页6 61.1 BJT1.1 BJT电流源电路电流源电路作用:向各个放大级提供合适的偏置电流。1、镜像电流源RVVIEECCREF+BBBIII=21b122CREFCIII-=BREFCCIIII212-=)21/(2b+=REFCIIREFCII21,则若bIREFIC1RT1T2IB2IB1iC2=IO=IC2=IREF+VCC2IBVBE1=VBE2镜像电流源VEE(忽略VB
3、E)常将IC2看作IREF的镜像,称此电路图为镜像电流源第4页/共155页镜像电流源电路图a及代表符号b受R值限制,仅为mA数量级第5页/共155页电流源输出特性的电流在一定范围内是恒定的,其斜率的倒数为动态输出电阻,即镜像电流源输出特性第6页/共155页2、微电流源e2Ce2EBEBERIRIVV2221=-很小21BEBEBEVVV-=很小Re22BECVIRT1T2IREFIC1IB1IB2IC2+VCC2IBVBE1VBE2微电流源Re2VEE即用阻值不大的Re2即可获得微小的工作电流,称为微电流源。T2工作在输入特性的弯曲部分。T2输出电阻也较大第7页/共155页3.高输出阻抗电流源
4、这是镜像电流源的另一种改进电路。电路图如右,电路的基准电流为根据BJT的结构知识可知A1和A3分别是T1和T3的相对结面积电流源作T3射极电阻,rO很大,见P137第8页/共155页4 4 组合电流源组合电流源R1的电流IREF 就是四个电流源的基准电流。T1和T2、T4和T5构成镜像电流源。而T1和T3、T4和T6则构成了微电流源。在工程实际中,形象地将上部一组电路叫做电流源,而下部一组电路叫做电流阱。第9页/共155页用途:1.电流源具有直流电阻小,交流电阻大的特点;作有源负载共射电路的电压增益为:对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻,因此增益为比用电阻Rc作负载时提高了。放大管镜像电流
5、源镜像电流源镜像电流源第10页/共155页例:图中电路为F007偏置电路的一部分,VCC=VEE=15V,所有的三极管UBE=0.7V,其中NPN三极管的2,横向PNP三极管的=2,电阻R5=39k。估算基准电流IREF;分析电路中各三极管组 成何种电流源;估算T13的集电极电流 IC13;2.用作偏置电路若要求IC10=28A,试估算电阻R4的阻值。+VCC-VEER5R4T13T12T10T11IREFIC10IC13第11页/共155页解:IREF=VCC+VEE-2VBER5IC13=IREF(1-)b+224C10CCTRIIIU1011lnR4=CTIC10IIUC1011lnT1
6、0、T11构成微电流源,T12、T13构成镜像电流源+VCC-VEER5R4T13T12T10T11IREFIC10IC13第12页/共155页MOSFET镜像电流源a所示,T1、T2是N沟道增强型MOSFETa所示的BJT镜像电流源类似。FET电流源1.MOSFET镜像电流源基本电路第13页/共155页1.MOSFET镜像电流源a所示,由于T1的漏、栅两极相连,只要VDD VT,它必然运行于饱和区。假设两管的特性全同,输出电压vO足够大以至T2处于饱和区,相同的VGS,则输出电流Io将与基准电流IREF近似相等,即第14页/共155页当器件具有不同的宽长比时,借助宽长比这一参数可以近似地描述
7、两器件电流之间关系,即相同条件下,如=0,电流与宽长比成比例如果用T3代替R,b所示的常用镜像电流源,因T1T3特性相同,且工作在放大区,当MOSFET的=0时,输出电流为第15页/共155页MOSFET镜像电流源常用电路第16页/共155页 2MOSFET多路电流源b所示镜像电流源电路的扩展。基准电流IREF由T0和T1以及正、负电源确定,根据前述各管漏极电流近似地与其宽长比(WL)成比例的关系,则有其中第17页/共155页第18页/共155页3JFET电流源 如将N沟道结型场效应管(JFET)a所示,其输出特性就是JFETb所示。图中标出了可用范围,即从VDS=VP 到击穿电压VBR。电流
8、源的动态输出电阻等于输出特性的斜率的倒数。VGS=0第19页/共155页6.2 差分式放大电路 差分式放大电路在性能方面有许多优点,是模拟集成电路的又一重要组成单元。本节先介绍差分式放大电路的一般结构,然后讨论BJT差分式放大电路和FET差分式放大电路.1.用三端器件组成的差分式放大电路BJT、FET)T1、T2所组成的差分式放大电路,电流源IO 具有恒流特性,并带有高阻值的动态输出电阻(图中略),因而电路具有稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的能力。第20页/共155页BJT、FET)T1、T2所组成的差分式放大电路,下端公共接点e处连接一电流源IO。两器件的输入端I1、I2分别接输入信号电
9、压,两输出端O1、O2.第21页/共155页2差模信号和共模信号的概念 什么叫差模和共模信号?这是应当首先建立的重要概念。输入电压vi1和vi2之差称为差模电压,用下式来定义:同理,两输入电压vi1和vi2的算术平均值称为共模电压,定义为第22页/共155页用差模和共模电压表示两输入电压时为由上面二式可知,两输入端的共模信号vic的大小相等,而极性是相同的,而两输入端的差模电压+vid/2和-vid/2的大小相等而极性则是相反的。第23页/共155页类似地,对于两管的差模输出电压和共模输出电压可由下两式来表达:式中单管的输出电压分别为:;差模电压增益共模电压增益对线性放大电路而言第24页/共1
10、55页 1基本电路BJT T1 和 T2,第25页/共155页2.工作原理(1)静态分析第26页/共155页(2)动态分析动态仅输入差模信号,大小相等,相位相反。大小相等,信号被放大。这种输入方式称为差模输入。相位相反。第27页/共155页输入信号仅为共模信号vic在差分式放大电路中,温度变化或电源电压波动等都会引起两管集电极电流(电压)有相同的变化。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号vic,两输出端输出的共模电压相同。因此双端输出时的输出电压vo=0.第28页/共155页输入信号为差模信号vid与共模信号vic,的叠加 v22idicivv-=21idicivvv+=当输入信号电压时,输
11、出电压为在双端输出时即双端输出差放电路只放大差模信号,而抑制了共模信号。第29页/共155页 根据这一原理,差分式放大电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。由于这个缘故,差分式放大电路常用来作为多级直接耦合放大器的输入级,它对共模信号有很强的抑制能力,以改善整个电路的性能。第30页/共155页 3主要技术指标的计算 (1)差模电压增益双端输入、双端输出的差模电压增益。在图6.2.2所示的电路中,若输入为差模方式,即则因一管的电流增加,另一管的电流减小,在电路完全对称的条件下,ic1的增加量等于ic2的减少量,所以流过电流源的电流IO不变,vea所示。第31页/共155页第32页
12、/共155页(a)交流通路第33页/共155页a)交流通路b)半边等效电路第34页/共155页当从两管集电极作双端输出,未接RL时其差模电压增益与单管共射放大电路的电压增益相同,即第35页/共155页接RL时其差模电压增益为其中第36页/共155页双端输入、单端输出的差模电压增益 如输出电压取自其中一管的集电极(vo1或vo2),则称为单端输出,此时由于只取出一管的集电极电压变化量,当RL=时,电压增益只有双端输出时的一半,因此,当分别从T1或T2的集电极输出时,则有第37页/共155页这种接法常用于将双端输入信号转换为单端输出信号,集成运放的中间级有时就采用这样的接法。第38页/共155页
13、单端输入的差模电压增益ro支路相当于开路,输入信号电压近似地均分在两管的输入回路上.等效于双端输入第39页/共155页(2)共模电压增益双端输出的共模电压增益a所示。因两管对称图6.2.5a即对每管而言,相当于射极接了2 ro的电阻。b为共模输入半边小信号等效电路。共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。第40页/共155页图6.2.5b共模输入半边小信号等效电路其双端输出的共模电压增益为实际上,要达到电路完全对称是不可能的,但即使这样,这种电路抑制共模信号的能力还是很强的。共模信号即对两边输入相同或接近相同的干扰信号,因此,共模电压增益越小,说明放大电路的性能越好。第41页/共155页单
14、端输出的共模电压增益 ro越大,抑制共模信号(零漂)能力越强。即两个集电极任一端共模输出电压与共模信号电压之比:图6.2.5b共模输入半边小信号等效电路第42页/共155页(3)共模抑制比KCMR定义:放大电路差模信号的电压增益与共模信号的电压增益之比的绝对值,即双端输出,理想情况单端输出抑制共模信号(零漂)能力 越强则单端输出时的总输出电压由且单端输出时第43页/共155页(4)频率响应对双入双出,高频响应与共射电路相同,因采用直接耦合方式,故低频响应极好。单端输出时的总输出电压由上式可知,在设计放大电路时,必须至少使共模抑制比大于共模信号与差模信号之比,例如,设KCMR 1000,vic
15、1 mV,vid 1 V,则上式中的第二项与第一项相等,这就是说,差模信号和共模信号所得到的输出电压相等。显然,如果将 KCMR值增至10000,则式中的第二项只有第一项的十分之一,再一次说明共模抑制比愈高,抑制共模信号的能力愈强。第44页/共155页几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出双端输入单端输入第45页/共155页这里设不接负载RL接RL则RC变为第46页/共155页4.几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出(思考题思考题)双端输入单端输入第47页/共155页第48页/共155页(4)当输出接一12k负载时的电压增益.解:求:例(1)静态第49页/共155页(2)电压增益vB20
16、为什么?第50页/共155页(3)(4)RL第51页/共155页(1)电路的静态工作点;(2)双端输入、双端输出的差模电压增益AVd、差模输入电阻Rid输出电阻RO;(3)当电流源的rO=83 k时,单端输出时AVd1、AVC1和KCMR1的值;(4)当电流源IO不变,差模输入电压Vid=0,共模输人电压ViC=5V或5 V时的VCE值各为多少?解:(1)静态工作点及rbe 由于IO=1mA,差分对管的集电极电流和电压分别为第52页/共155页ic2ic1图6.2.2第53页/共155页因所以ic2ic1(2)双端输入、双端输出时的AVd,Rid和RO 第54页/共155页(3)单端输出时ic
17、2ic1图6.2.2第55页/共155页(4)ViC=5V或5 V时的VCE值各为多少?ic2ic1图6.2.2当可得当可得第56页/共155页 由上分析可知,当共模电压ViC变化时,电流源IO和IC1、IC2不变,但VCE变了,这意味工作点变了,当ViC=5 V时,T1、T2进入饱和区,这说明对输入的共模电压要限制在一定的范围内,才保证T1和T2工作在线性放大区。ic2ic1图6.2.2第57页/共155页 4带有源负载的射极耦合差分式放大电路(1)电路组成(双入单出差分式放大电路)T1、T2对管是差分放大管,对管3,4组成镜像电流源作为T1、T2的有源负载,5,6对管电流源为电路提供稳定的
18、静态电流。第58页/共155页(2)工作原理静态时,电路的电流源电流故该电路又称比例电流源电路。差分电路的静态偏置电流为IC1=IC2IC3=IC4=IC5/2=IO/2,此时的输出电流io IC4 IC2 0,没有信号电流输出。第59页/共155页当加入信号电压时,T1电流增加、T2电流减小,即iC1=iC2,流入电流源的电流不变,ve0,a所示,图中画出的电流为信号电流,所以输出电流io iC4 iC2 iC1(iC1)2 iC1。由图可见,带有源负载差分放大电路的输出电流是基本单端输出差放的两倍。图6.2.7第60页/共155页(3)电压增益a,在负载开路时可画出差模信号的半边电路T4、
19、T2b所示,图6.2.7第61页/共155页a,b可知按照KCL有由此可得单端输出电压增益第62页/共155页前已得到基本差分电路双端输出的电压增益为而对带有源负载的射极耦合差分式放大电路有可见,单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益,该电路的输出电阻 rce2/rce4差模输入电阻Rid2 rbe共模输入电阻RiC 1/2 rbe 2(1)ro5ro5很大,故共模增益很小,可忽略。第63页/共155页前面所讨论的射极耦合差分式放大电路对共模输入信号有相当强的抑制能力,但它的差模输入阻抗很低。因此,在高输入阻抗模拟集成电路中,常采用输入电阻高、输入偏置电流很小的源极耦合差分式放大电路。源极
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- 第六 集成 运算 放大 电路
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