模电模拟集成电路.ppt

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1、6 6：模拟集成电路：模拟集成电路集成电路集成电路IC总论总论6.0集成电路集成电路OP中的电流源中的电流源6.1差分式放大电路差分式放大电路6.2集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4集成电路集成电路OP的主要参数的主要参数6.5 复合管电路复合管电路 组合放大电路组合放大电路 6.0.1 集成电路的特点集成电路的特点 集成电路中常用的电路组态集成电路中常用的电路组态 参数具有对称性参数具有对称性 有源器件代替无源元件有源器件代替无源元件 复合结构电路复合结构电路 二极管作温度补偿元件和电平移动电路二极管作温度补偿元件和电平移动电路 集成电路的特点集成电路的特点N+P+PP P+P+P+

2、N+PPNNNN+N+Alceb二极管二极管电阻电阻 三极管三极管 集成电路的特点集成电路的特点P+ISOP+ISOP+ISOP+ISOP+P+N+P+P+N+P+N+N+P SubstrateP+Isolation=20mAl/Si(1%)=11kAN+Emitter=2.5mN+Buried Layer=4.5mN+Buried Layer=4.5mN EPI=17mP Base=3mVertical PNPLateral PNPNPNbeeeeecccbbcc 集成电路的特点集成电路的特点N+P WellP-Channel P+N+P+P+N+N+P+Tgox=900A2m10mImet

3、al=2mN-Channel Si3N4SO2=0.8mN SubstrateTrkldox=1.15m mgdssgd 集成电路集成电路(IC)中单个元器件精度不很高，参数随中单个元器件精度不很高，参数随温度漂移较大，但在同一芯片上用相同工艺制造出温度漂移较大，但在同一芯片上用相同工艺制造出的元器件性能一致性好，芯片上同一类元器件温度的元器件性能一致性好，芯片上同一类元器件温度特性也基本一致。如果做成特性也基本一致。如果做成对称电路对称电路或补偿回路，或补偿回路，则电路的热稳定性相当好。则电路的热稳定性相当好。集成电路的特点集成电路的特点1.电路结构与元器件参数具有对称性电路结构与元器件参数

4、具有对称性 IC中由于用中由于用 P 或或 N 型半导体材料作电阻，阻值有型半导体材料作电阻，阻值有一定限制，一般几十一定限制，一般几十 到几十到几十k 之间，太高太低都之间，太高太低都会因占芯片面积过大而不易制造。常用占用面积小会因占芯片面积过大而不易制造。常用占用面积小且性能好的且性能好的MOS、BJT管等有源器件构成电流源替管等有源器件构成电流源替代大电阻。大电容也不易制造，常用代大电阻。大电容也不易制造，常用PN结电容或结电容或SiO2绝缘层构成小电容，一般绝缘层构成小电容，一般VBE,故故 IREF 取决于取决于VCC和和R，6.1.1 BJT电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源IC

5、1的的 T 不敏感性原理：不敏感性原理：Th hb b1 1h h IC1h hIREFh hVBE1i iIC1i iIB1i iIC1维持稳定！维持稳定！与与PN结特性（结特性（T 敏感）基本无关！敏感）基本无关！IREF为恒定！为恒定！恒流特性：恒流特性：IC2取取决决于于VCC和和R，与与PN结结的的特特性（性（T 敏感）基本无关！敏感）基本无关！6.1.1 BJT电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源T镜像对称！镜像对称！思考：思考：T2 的的 Q 点必须处于什么区域点必须处于什么区域思考：如图所示电路思考：如图所示电路IC2稳定性如何稳定性如何通过自动调节通过自动调节VBE获得稳定获

6、得稳定由由于于T2的的集集电电极极电电流流基基本本不不变变。所以交流量：所以交流量：实际上，一般实际上，一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上 6.1.1 BJT电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源交流电阻：交流电阻：镜像电流源的恒流特性要求：镜像电流源的恒流特性要求：交流电阻尽量大交流电阻尽量大(Why)、T稳定性高稳定性高！由于增加由于增加T3，使，使IC3更接近更接近kIREF 6.1.1 BJT电流源电流源1.镜像电流源镜像电流源精度更高更稳的镜像电流源精度更高更稳的镜像电流源镜像电流源大交流电阻，对镜像电流源大交流电阻，对T3起射起射极偏置电阻作用（强反馈稳极偏置电阻作用（强反馈稳Q）

7、，），当然输出交流电阻更高，恒流特性当然输出交流电阻更高，恒流特性更好，温度稳定性更高更好，温度稳定性更高！由于由于 VBE很小，很小，故故 IC2也很小也很小 6.1.1 BJT电流源电流源2.微电流源微电流源 6.1.1 BJT电流源电流源3.多路电流源多路电流源试试指指出出该该电电路路的的镜镜像像电电流流源和微电流源。源和微电流源。共射电路电压增益为：共射电路电压增益为：对对于于此此电电路路Rc就就是是镜镜像像电电流流源源的的交交流流电电阻阻，因因此增益为：此增益为：比用电阻比用电阻Rc就作负载时提高了。就作负载时提高了。6.1.1 BJT电流源电流源4.电流源作有源负载电流源作有源负载

8、放大管放大管 镜像电流源镜像电流源 6.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源 6.1.2 FET电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源 6.1.2 FET电流源电流源2.MOSFET多路电流源多路电流源 6.1.2 FET电流源电流源3.JFET电流源电流源iD/mAiD/mAUDS/V电阻区电阻区饱和区饱和区 电路结构电路结构 静态分析静态分析 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 共模和差模共模和差模 共模抑制比共模抑制比 动态分析动态分析 基本差分式放大电路的参数计算基

9、本差分式放大电路的参数计算 基本差分式放大电路的传输特性基本差分式放大电路的传输特性 基本差分放大电路的改进基本差分放大电路的改进 二等分定理二等分定理 参数计算参数计算 抑制零点漂移抑制零点漂移可以放大直流信号可以放大直流信号零点漂移问题零点漂移问题一般集成运算放大器都要采一般集成运算放大器都要采用直接耦合方式，用直接耦合方式，Why？主要原因主要原因：温度变化引起，也称：温度变化引起，也称温漂温漂零漂零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生温温漂漂指指标标：温温度度每每升升高高1时时，输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益折算到输入端的等效输

10、入漂移电压值益折算到输入端的等效输入漂移电压值1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念电源电压波动电源电压波动也是原因之一也是原因之一例：例：假设假设 若第一级漂了若第一级漂了100mV，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100mV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念第一级是关键漂移漂移1V+10mV 漂移漂移1V+10mV 漂了漂了100m mV 漂移漂移10mV+100m mV 需采用低噪声低温漂差放A1vivo103A2vivo105增

11、加了增加了Re电压增益电压增益输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.2 mV输入端漂移电压输入端漂移电压输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.002 mV 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念2.什么是差放？什么是差放？差动差动放大器放大器T1T2 取取 vo=vo1 vo2，则：，则：（1）vi1、vi2大小相等方向大小相等方向相同时，相同时，vo=0；（2）vi1、vi2大小相等方向大小相等方向相反时，相反时，vo 0；只能够放大差信号！只能够放大差信号！6.2.1 差分放大电路的概念差

12、分放大电路的概念vid：差模信号差模信号信号分解类型与定义：信号分解类型与定义：3.共模和差模共模和差模差动差动放大器放大器信号差信号差/自有信号自有信号差模信号输入对称电路后一分为二：差模信号输入对称电路后一分为二：差放差放NN差放差放NN大小相等大小相等方向相反方向相反 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念vid：差模信号差模信号信号分解类型与定义：信号分解类型与定义：3.共模和差模共模和差模差动差动放大器放大器vic：共模信号共模信号平均信号平均信号/共有信号共有信号差动差动放大器放大器 6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念vid：差模信号差模信号信号分解类型与定

13、义：信号分解类型与定义：3.共模和差模共模和差模差动差动放大器放大器vic：共模信号共模信号差动差动放大器放大器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：6.2.1 差分放大电路的概念差分放大电路的概念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有时用对数表达：有时用对数表达：4.共模抑制比共模抑制比 6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路1.电路电路（vi1=vi2=0）2.静态分析静态分析 仅输入差模信号，仅输入差模信号，vi1 和和 vi2大小相等但反相。则大小相等但反相。则 vc1 和和 vc2 大小相等且反相，故大小相等且反

14、相，故 vo=vc1-vc20，差分信号被放大！差分信号被放大！6.2.2 基本差分式放大电路基本差分式放大电路3.动态分析动态分析 仅输入共模信号，仅输入共模信号，vi1 和和 vi2大小相等但同相。则大小相等但同相。则 vc1 和和 vc2 大小相等大小相等且同相，且同相，vo=vc1-vc2=0，共模信号被抑制！共模信号被抑制！若若输入信号含共、差模分量，需分别提取分析计算输入信号含共、差模分量，需分别提取分析计算 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算1.二等分定理（二等分定理（A.差模输入）差模输入）N/2N/2N/2N/2N/2N/2拆分电路，方便分析

15、拆分电路，方便分析 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算1.二等分定理（二等分定理（B.共模输入）共模输入）N/2N/2N/2N/2N/2N/2拆分电路，方便分析拆分电路，方便分析 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(1)双端输入、双端输出双端输入、双端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(1)双端输入、双端输出双端输入、双端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参

16、数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(1)双端输入、双端输出双端输入、双端输出差模！差模！Avd与半边放大电路同与半边放大电路同 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(1)双端输入、双端输出双端输入、双端输出Double！6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(1)双端输入、双端输出双端输入、双端输出Double！6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(2)双端输入、单端

17、输出双端输入、单端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(2)双端输入、单端输出双端输入、单端输出Half！Unchanged！Half！思思考考:从从T2输输出出,Avd怎怎样样变变化化?接负载后怎样计算接负载后怎样计算?6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(3)单端输入、双端输出单端输入、双端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(3)单端输入、双端输出单端

18、输入、双端输出差分信号分析与差分信号分析与双入双出双入双出完全完全相同相同,Avd、rid、ro均不变均不变,但含但含共模信号共模信号,输出电压有差异输出电压有差异!6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(4)单端输入、单端输出单端输入、单端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态差模）（动态差模）(4)单端输入、单端输出单端输入、单端输出差分信号分析与差分信号分析与双入单出双入单出完全完全相同相同(Avd、rid、ro)，但含共模，但含共模信号信号,输出电压有

19、差异输出电压有差异!6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态共模）（动态共模）(1)双端输出双端输出 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态共模）（动态共模）(1)双端输出双端输出双端输出差分式放大电路对双端输出差分式放大电路对共模信号有超强抑制作用！共模信号有超强抑制作用！6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算2.参数计算参数计算（动态共模）（动态共模）(1)单端输出单端输出共模抑共模抑制制很强很强!很小！很小！温温度度变变化化和和电电源源电电压压波波动

20、动，都都将将使使集集电电极极电电流流产产生生变变化化,且且变变化化趋趋势势是是相相同同的的，因因此此，其其效效果果相相当当于于在在两两个个输输入入端端加加入入了了共共模信号。模信号。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！6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算3.抑制零点漂移抑制零点漂移VERY GOOD！另另外外，温温度度，两两 c 极极电电流流，使使流流过过Re的的电电流流，e 极极电电位位上上升升，从从而而限限制制了了 c 极极电电流流。其其过过程程类类似似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

21、程。所所以以，即即使使差差放放为为单单端端输输出出，仍仍有有很很强强的抑制零漂能力的抑制零漂能力。6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算3.抑制零点漂移抑制零点漂移 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算4.几种方式指标比较几种方式指标比较双端输入双端输入单端输入单端输入 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算4.几种方式指标比较几种方式指标比较输入方式输入方式双入双入单入单入输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出AVDAVC00KCMRAVD:双出双出2单出单出AVC:双出双出=0，单出，单出

22、=负载负载/2倍恒流源阻值倍恒流源阻值 6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算基本差分式放大电路的参数计算4.几种方式指标比较几种方式指标比较输入方式输入方式双入双入单入单入输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出rid2rbe2rbericrbe+(1+b)2rorbe+(1+b)2roro2RcRc2RcRc高频响应高频响应参阅参阅p270参阅参阅p270用途用途浮地场合浮地场合输入输入/中间级中间级双端转单端双端转单端输入输入/中间级中间级单端转双端单端转双端输入级输入级输入输入/出信号出信号需共地场合需共地场合rid、ric:与输入形式无关与输入形式无关ro:双出双出2单出单

23、出1.1.若在基本差分式放大电路中若在基本差分式放大电路中若在基本差分式放大电路中若在基本差分式放大电路中增加两个电阻增加两个电阻增加两个电阻增加两个电阻R Re e（如图）。则（如图）。则（如图）。则（如图）。则动态指标将有何变化？动态指标将有何变化？动态指标将有何变化？动态指标将有何变化？增加了增加了Re答：答：答：答：双端输出差模增益双端输出差模增益双端输出差模增益双端输出差模增益差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻单端输出共模增益单端输出共模增益单端输出共模增益单端输出共模增益共模输入电阻共模输入电阻共模输入电阻共模输入电阻反相反相反相反相v vc1c1与与与与v vi1i

24、1同相同相同相同相v vc2c2与与与与v vi1i1同相同相同相同相v vc1c1与与与与v vi2i2反相反相反相反相v vc2c2与与与与v vi2i2反相反相反相反相v vo o与与与与v vi1i1同相同相同相同相v vo o与与与与v vi2i2 2.2.差分式放大电路如图。分差分式放大电路如图。分差分式放大电路如图。分差分式放大电路如图。分析下列输入输出相位关系：析下列输入输出相位关系：析下列输入输出相位关系：析下列输入输出相位关系：3 3.静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？偏置静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？偏置静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？偏置静态时，两个输

25、入端是否有静态偏置电流？偏置电流由哪个电源提供？没有这个电源电流由哪个电源提供？没有这个电源电流由哪个电源提供？没有这个电源电流由哪个电源提供？没有这个电源 (单电源单电源单电源单电源)行吗？行吗？行吗？行吗？例：例：例：例：T T1 1、T T2 2、T T3 3均为硅管均为硅管均为硅管均为硅管,b b b b1 1 1 1=b b b b2 2 2 2=50,=50,=50,=50,b b b b3 3 3 3=80,80,80,80,当当当当 v vi i=0 0 时时时时,v vo o=0 0，求：，求：，求：，求：(1)(1)I IC3C3、I IC2C2、I IE E、V VCE3

26、CE3、V VCE2CE2、R Re2e2；(2)(2)A AV V=A AVD2VD2 A AV2V2；(3)(3)当当当当v vi i=5mV=5mV时，时，时，时，v vo o=？(4)(4)当输出接当输出接当输出接当输出接12k12k 负载时的电压增益。负载时的电压增益。负载时的电压增益。负载时的电压增益。解：解：解：解：(1)(1)静态：静态：静态：静态：已知已知vi1=0,vo=0解：解：解：解：(2)(2)电压增益：电压增益：电压增益：电压增益：解：解：解：解：(3)(3)输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：(4)(4)R RL L=12k12k 时：时：时：时：已知已知vi

27、=5mV忽略共模放大忽略共模放大 6.2.4 基本差分式放大电路的传输特性基本差分式放大电路的传输特性线性区线性区 6.2.5 基本差分放大电路的改进基本差分放大电路的改进输入级偏输入级偏输入级偏输入级偏置电流源置电流源置电流源置电流源输输输输出出出出级级级级有有有有源源源源负负负负载载载载 6.2.5 基本差分放大电路的改进基本差分放大电路的改进差放管差放管 偏置级偏置级 恒流源恒流源 *复合管复合管 6.2.5 基本差分放大电路的改进基本差分放大电路的改进偏置级偏置级*复合管复合管 有源负载有源负载 恒流源恒流源 6.3.1 集成电路运算放大器的基本结构集成电路运算放大器的基本结构 6.3

28、.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器集成运放内部组成框图集成运放内部组成框图 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器电压放大级电压放大级输出级输出级差分差分输入输入级级偏置电路偏置电路集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小 6.3.1 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器国家标准符号国家标准符号vo _+vi传统符号传统符号vnvovpA+运放中的运放中的“+”、“-”的含义指什么？的含义指什么？6.3.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器LM741 6.3.2 通用型集成

29、电路运算放大器通用型集成电路运算放大器简化电路简化电路LM741 6.3.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器外观（外观（LM741）DIP：dual inline-pin package 1.输入失调电压输入失调电压VIO2.输入偏置电流输入偏置电流IIB3.输入失调电流输入失调电流IIO4.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/T5.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 6.4 主要参数：主要参数：8.开环差模电压增益开环差模电压增益AVO

30、9.开环带宽开环带宽BW(fH)10.单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)11.转换速率转换速率SROP741-20dB/10倍频程倍频程 vivnvpvoiiA+R2RBR17.最大输出电流最大输出电流Iomax 课堂练习：课堂练习：1.电路如图，电路如图，所有所有BJT 均为硅管均为硅管,求：求：(1)Q点；点；(2)差放倍数差放倍数Av。解：解：(1)静态静态Q：课堂练习：课堂练习：1.电路如图，电路如图，所有所有BJT 均为硅管均为硅管,求：求：(1)Q点；点；(2)差放倍数差放倍数Av。解：解：(2)Av 课堂练习：课堂练习：2.电路如图，电路如图，所有所有BJT 均为硅管均为硅

31、管,求：求：(1)Q点；点；(2)差放倍数差放倍数Av。解：解：(1)静态静态Q：(2)计算略计算略(自练自练)信号分类、分解与合成：共模信号和差模信号 差分放大器结构、原理及和对称性计算方法 差分放大器的输入输出组合及其交流参数计算 集成运算放大器的特点、主要参数和应用 本章小结本章小结 End of 6！模电演义模电演义领衔主演：领衔主演：李李 震震 饰饰 二极管二极管李彩林李彩林 饰饰 三极管三极管BJTBJT韦寿祺韦寿祺 饰饰 MOSFET MOSFET 莫金海莫金海 饰饰 运算放大器运算放大器 罗罗 奕奕 饰饰 搞搞震器搞搞震器王王 红红 饰饰 功率放大器功率放大器 群众演员：群众演员：1212级电气全体级电气全体友情演出：友情演出：其他选修者其他选修者导演音响：导演音响：GoldseaGoldsea