模拟集成电路3000002.pptx

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1、电流源电路电流源电路1.镜像电流源镜像电流源T T1 1、T T2 2的参数全同 即12，ICEO1ICEO2 当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符号第1页/共81页动态电阻 一般ro在几百千欧以上第2页/共81页2.微电流源微电流源由于由于很小很小，所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ）（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）第3页/共81页A1和A3分别是T1和T3的相对结面积 动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高3.高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源第4页/共81页4.组合电流源组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREFT1和T

2、2、T4和T5构成-镜像电流源T1和T3，T4和T6构成-微电流源第5页/共81页电流源电流源1.MOSFET镜像电流源镜像电流源当器件具有不同的宽长比时（=0=0）ro=rds2 MOSFET基本镜像电流源 第6页/共81页 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为 常用的镜像电流源 第7页/共81页2.MOSFET多路电流源多路电流源第8页/共81页3.JFET电流源电流源end(a)电路 (b)输出特性 第9页/共81页6.2 差分式放大电路差分式放大电路差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路源极耦合差分式

3、放大电路源极耦合差分式放大电路第10页/共81页差分式放大电路的一般结构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用三端器件组成的差分式放大电路第11页/共81页2.有关概念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第12页/共81页根据根据有有 共模信号相当于两个共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个差模信号相当于两个输入端信

4、号中不同的部分输入端信号中不同的部分 两输入端中的共模信两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位差模信号大小相等，相位相反。相反。第13页/共81页射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理第14页/共81页静态静态第15页/共81页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。第16页/共81页2.抑制零点漂移原抑制零点漂移原理理 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当

5、于在两个输入端加入了共模信号。第17页/共81页 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有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第18页/共81页3.主要指标计算主要指标计算（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抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出第19页/共81页 双入、单出双入、单出接入负载时接入负载时第20页/共81页 单端输入单端输入等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与指标计算与双端输入相同。双端输入相同。第21页/共81页（2）共模情况）共模情况 双端输出双端输出 共模信号的输入使共模信号的

6、输入使两管集电极电压有相两管集电极电压有相同的变化。同的变化。所以所以共模增益共模增益第22页/共81页 单端输出单端输出抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强第23页/共81页（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越强抑制零漂能力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。第24页/共81页例例(4)当输出接一个当输出接一个12k 负载负载时的差模电压增益。时的差模电压增益。解解：求求:(1)静态静态第25页/共81页(2)电压增

7、益电压增益第26页/共81页(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第27页/共81页(4)第28页/共81页4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 IREFIO IE5第29页/共81页差模电压增益（负载开路）则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 差模输入电阻 Rid2rbe输出电阻第30页/共81页共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5第31页/共81页源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路差分式放大电路第32页/共81页双端输出差模电压增益而:所以：第33页/共81页单端输出差模电压增

8、益vo2(id4-id2)(ro2|ro4)gm vid（ro2|ro4）(ro2|ro4)gm(ro2|ro4)与双端输出相同 gm(rds2|rds4)第34页/共81页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根据根据iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）第35页/共81页vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线第36页/共81页6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成运算放大器集成

9、运算放大器第37页/共81页集成电路运算放大器集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理第38页/共81页2.电路技术指标的分析计算电路技术指标的分析计算(1)(1)直流分析已知VT 和KP5，可求出IREF 根据各管子的宽长比，可求出其他支路电流。第39页/共81页(2)(2)小信号分析设 gm1=gm2=gm 则输入级电压增益 第40页/共81页总电压增益 Av=Av1Av2 Av2=vo/v gs7 =gm7(rds7|rds8)第二级电压增益 将参数代入计算得 Av=40804.8（92.2 dB）第41页/共81页原理电路 集成运算放大器集成运算放大器第42页/共81

10、页简化电路第43页/共81页6.5 实际集成运算放大器的主要实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响参数和对应用电路的影响实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题第44页/共81页实际集成运放的主要参数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）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（25）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调电压VIO。一般约为（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSF

11、ET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两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1 A；MOSFET运放IIB在pA数量级。第45页/共81页3.输入失调电流输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 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第46页/共81页实际集成运放的主要参数实际集成运放的主要参数差模特性差模特性1.开环差模

12、电压增益开环差模电压增益Avo和带宽和带宽BW 741型运放AvO的频率响应 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)第47页/共81页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rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax第48页/共81页共模特性共模特性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

13、ric 一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达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1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。第49页/共81页大信号动态特性大信号动态特性1.转换速率转换速率SR 放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为viVimsin2 ft，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom第50页/共81页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 SR和BWP是大信号和高频信

14、号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速运放要求SR30V/s以上。目 前 超 高 速 的 运 放 如 AD9610的 SR3500V/s。第51页/共81页电源特性电源特性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 2.静态功耗静态功耗PV 第52页/共81页1.1.集成运放的选用集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带

15、宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。集成运放应用中的实际问题集成运放应用中的实际问题第53页/共81页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带来带来的误差的误差 输入为零时的等效电路第54页/共81页解得误差电压当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时当电路为积分运算时，即 换成电容C，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在第55页/共81页3.调零补偿调零补偿（a a）调零电路 （b b）反相端加入补偿电路第56页/共81页6.6 变跨导式模拟乘法器变跨导式模拟乘法器变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟

16、乘法器的工作原理放模拟乘法器的应用放模拟乘法器的应用第57页/共81页变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理1.变跨导二象限乘法器变跨导二象限乘法器与差分式放大电路的差别：（a）原理电路 （b）同相（或反相）乘法器代表符号电流源iEE受输入电压vY的控制第58页/共81页双出方式即又所以第59页/共81页 对于T3、T4构成的镜像电流源，当vY VBE时所以其中（乘法运算）而由vY 控制跨导gm变化，所以称为变跨导乘法器第60页/共81页电路的最后输出电路的最后输出 缺点：缺点：精度差精度差 vY必须大于必须大于0V，只能实现两个象限的乘法运算，只能实现两个象限的乘法运算第6

17、1页/共81页2.2.双平衡四象限乘法器双平衡四象限乘法器 T1、T2和T3、T4为两个并联的差分式电路，T5、T6为压控电流源电路。由于所以而 iC1iC2iC5，iC4iC3iC6 第62页/共81页同理又 i1,3iC1iC3，i2,4iC2iC4 第63页/共81页最后可得当vX 2VT、vY 2VT时其中（乘法运算）信号大时增加非线性补偿电路第64页/共81页1.运算电路运算电路放模拟乘法器的应用放模拟乘法器的应用乘方乘方 第65页/共81页除法除法 只有当只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反馈工作状态，而器是处于负反馈工作状态，而vX1则

18、可正可负，则可正可负，故属二象限除法器。故属二象限除法器。利用虚短和虚断概念有利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有由乘法器的功能有第66页/共81页开平方开平方 利用虚短和虚断概念有利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有由乘法器的功能有vi必须为负值时，电路才能正常工作。必须为负值时，电路才能正常工作。第67页/共81页2.压控放大器压控放大器 乘法器的一个输入端加一直流控制电压VC，另一输入端加一信号电压vs时，乘法器就成了增益为KVc的放大器。当Vc为可调电压时，就得到可控增益放大器。调制和解调在通信、广播、电视和遥控等领域中得到广泛的应用。利用模拟乘法器的功能很容易实现调制和解调的功能

19、。3.调制解调调制解调第68页/共81页6.7 放大电路中的噪声与干扰放大电路中的噪声与干扰第69页/共81页1.噪声的种类及性质噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声 由电子无规则热运动而产生随时间而变化的电压称为热噪声电压。一个阻值为R（）的电阻未接入电路时，在频带宽度B内所产生的热噪声电压均方值为 K 玻耳兹曼常数，T 热力学温度（K），B 频带宽度（Hz）。功率和电压的形式分别为第70页/共81页具有均匀的功率频谱的噪声称为白噪声热噪声电压密度 热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数，它的频率范围是很宽广的。因而噪声电压Vn将随放大电路带宽的增加而增加。所以在设计放大电路时要综合考虑增益

20、、带宽等诸多因素。热噪声的功率频谱密度第71页/共81页 热噪声 由于载流子不规则的热运动通过BJT内三个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb 所产生的噪声是主要的。FET主要是沟道电阻的热噪声。（2）三极管的噪声第72页/共81页 散粒噪声 由于通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动，产生散粒噪声。散粒噪声电流为 q 每个载流子所带电荷量的绝对值，I 通过PN结电流的平均值，B 频带宽度。散粒噪声具有白噪声的性质第73页/共81页 闪砾噪声 这种噪声与频率成反比，故又称为1/f 噪声或低频噪声。JFET的噪声主要来源于

21、沟道电阻热噪声，MOSFET的1/f 噪声较严重，因而低频时MOSFET比JFET的噪声大。一般而言，FET的噪声比BJT小。此外。电阻元件中碳膜电阻的1/f 噪声最大，绕线电阻的1/f 噪声最小。集成运放的噪声，是由组成运放内部电路的元器件产生的噪声源以及内部电路连接的噪声源累计的结果。一般是通过实验方法进行测量。第74页/共81页2.放大电路的噪声指标放大电路的噪声指标噪声系数噪声系数定义其中 AP 为功率增益 放大电路不仅把输入端的噪声进行放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必然小于输入端信噪比。当NF用分贝（dB）表示时第75页/共81页因为当满足 Ri=Ro 时，

22、NF可表示为另一种形式：一个无噪声放大电路的噪声系数是0dB，一个低噪声放大电路的噪声系数应小于3dB。第76页/共81页3.减小噪声的措施减小噪声的措施选低噪声集成运放，如OP-27OP-27，AD745AD745等；采用滤波处理或引入负反馈以抑制噪声；转换为数字信号后，借助软件方法，对数据进行处理以减小噪声的影响。第77页/共81页6.7.2 放大电路中的干扰放大电路中的干扰1.杂散电磁场干扰和抑制措施杂散电磁场干扰和抑制措施 电路工作环境一般有许多电磁干扰源，常见电路工作环境一般有许多电磁干扰源，常见的有工频干扰、无线电台及雷电现象等，它们所的有工频干扰、无线电台及雷电现象等，它们所产生

23、电磁波或尖峰脉冲，通过接线电容耦合、电产生电磁波或尖峰脉冲，通过接线电容耦合、电感耦合或交流电源线等进入放大电路，从而引入感耦合或交流电源线等进入放大电路，从而引入干扰电压。干扰电压。抑制措施：抑制措施：合理布局合理布局 屏蔽屏蔽第78页/共81页2.由直流电源电压波动引起的干扰和抑制由直流电源电压波动引起的干扰和抑制 直流电源输出的直流电源输出的50Hz或或100Hz的纹波电压使电路的纹波电压使电路的电流产生波动而形成干扰电压。第一级的波动将被的电流产生波动而形成干扰电压。第一级的波动将被后续各级放大而使输出端产生较大的干扰电压。后续各级放大而使输出端产生较大的干扰电压。抑制措施：抑制措施：采用性能好的稳压电源供电，并在稳压电路的输入端和输出端分别加一足够大的电解电容或钽电容的滤波电路。对于运算放大器，可在电源引脚和地端间加一钽电容（10F30F）防止低频干扰，加一独石电容（0.01F0.1F）防止高频干扰。第79页/共81页end3.由交流电源串入的干扰和抑制由交流电源串入的干扰和抑制4.由接地点安排不正确而引起的干扰和正确接地由接地点安排不正确而引起的干扰和正确接地第80页/共81页感谢您的观看。第81页/共81页