电子技术基础模拟部分ch07.pptx
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1、1华中科技大学 张林ch077 模模拟集成集成电路路7.1 模模拟集成集成电路路中的直流偏置技中的直流偏置技术7.2 差分式放大差分式放大电路路*7.3 带有源有源负载的差分式放大的差分式放大电路路7.4 集成集成运算放大器运算放大器电路路简介介7.5 运放主要运放主要参数和相关参数和相关应用用问题2华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源7.1.2 BJT电流源流源7.1 模模拟集成集成电路路中的直流偏置技中的直流偏置技术3华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源1.镜像像电流源流源T1、T2的参数全同的参数全同 只要只要满足足 VGS VTN 必有必
2、有 VDS1 VGS-VTN T1一定工作一定工作在恒流区在恒流区又因又因为 VGS2=VGS1=VGST2漏极接漏极接负载构成回路后,只要构成回路后,只要满足足VDS2 VGS-VTN,就一定工,就一定工作作在恒流区在恒流区,且有,且有4华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源再根据再根据便可求出便可求出IO的的电流流值。IO的的电流流值与与负载无关。无关。负载在在一一定定范范围内内变化化时(保保证VDS2 VGS-VTN),IO的的电流流值将将保保持持不不变,反反映映出出IO的的恒恒流特性流特性。1.镜像像电流源流源5华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电
3、流源流源QbiDbvDSbRd2RdVDDVDDvDSiDQIDQVGSQVDSQQaiDavGSavDSaQbiDbvGSbvDSbVDDvDSiDVGSQRdVDDQIDQVDSQQaiDavDSaRd1VDD MOS管分管分别处于放大和恒流于放大和恒流状状态时的的图解解 放大放大时恒流恒流时1.镜像像电流源流源6华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源当器件具有不同的当器件具有不同的宽长比比时(=0)动态电阻阻(交流交流电阻阻)输出特性出特性代表符号代表符号1.镜像像电流源流源7华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源若用若用T3代替代替R,且,且
4、T1T3特性相同特性相同T1T3便可工作便可工作在恒流区在恒流区由于由于所以所以只要只要满足足输出出电流流为 若若T2仅在在宽长比上与比上与T1和和T3不同,不同,则 1.镜像像电流源流源8华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源2.多路多路电流源流源电路路除除宽长比外,比外,T0T3特特性相同,性相同,T4、T5特性特性相同相同需保需保证所有管子工作所有管子工作在在恒流恒流区区9华中科技大学 张林ch077.1.1 MOSFET电流源流源是是电流源流源吗?注意:注意:N沟道耗尽型管的沟道耗尽型管的夹断断电压VPN 0需保需保证电流源内阻流源内阻10华中科技大学 张林ch0
5、77.1.1 MOSFET电流源流源7.1.2 BJT电流源流源7.1 模模拟集成集成电路路中的直流偏置技中的直流偏置技术11华中科技大学 张林ch071.镜像像电流源流源7.1.2 BJT电流源流源IO在一定范在一定范围内与内与负载无关。无关。T1、T2的参数全同的参数全同 12华中科技大学 张林ch071.镜像像电流源流源7.1.2 BJT电流源流源动态电阻阻 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上13华中科技大学 张林ch072.微微电流源流源7.1.2 BJT电流源流源由于由于很小很小,所以所以IC2也很也很小小rorce2(1 )(参考射极偏置共射放大(参考射极偏置共射放大电路的路
6、的输出出电阻阻)14华中科技大学 张林ch073.多路多路电流源流源7.1.2 BJT电流源流源T1、R1 和和T4支路支路产生基准生基准电流流IREFT1和和T2、T4和和T5构成构成镜像像电流源流源T1和和T3,T4和和T6构成了微构成了微电流源流源15华中科技大学 张林ch077 模模拟集成集成电路路7.1 模模拟集成集成电路路中的直流偏置技中的直流偏置技术7.2 差分式放大差分式放大电路路*7.3 带有源有源负载的差分式放大的差分式放大电路路7.4 集成集成运算放大器运算放大器电路路简介介7.5 运放主要运放主要参数和相关参数和相关应用用问题16华中科技大学 张林ch077.2.1 M
7、OSFET差分式放大差分式放大电路路7.2.2 BJT差分式放大差分式放大电路路7.2.3 差分差分式放大式放大电路的路的传输特性特性7.2 差分式放大差分式放大电路路 17华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路回回顾差差模输入信号模输入信号vid=vPvN共模输入信号共模输入信号vic=则有则有vP=vN=仅差模仅差模仅共模仅共模理想运放理想运放要能够放大直流!要能够放大直流!18华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路共源放大电路共源放大电路 差分式放大电路差分式放大电路方便调方便调整整Q点点有稳定有稳定Q点作用点作
8、用温温度度稳稳定定性性很很好好的的电流源电流源其动态电阻为其动态电阻为ro但增益太小但增益太小直接耦合直接耦合电路路组成成19华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路电路路组成成两两个输入个输入端端:vi1和和vi2 两两个输出个输出端:端:vO1和和vO2 工工作作方方式式:双双入入双双出出、双双入入单单出出、单单入双入双出、单出、单入单入单出出输入信号等效源极源极耦合差分式放大耦合差分式放大电路电路源极源极共用电共用电流源流源支路支路vi1=vi2=20华中科技大学 张林ch07o两两输入端中的共模信号大小相等,相位相同输入端中的共模信号大小相等,相位相
9、同;o两输入端中的两输入端中的差差模信号大小相等,相位相反。模信号大小相等,相位相反。7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路电路路组成成vi1=vi2=21华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路直流通路直流通路 静静态分析分析22华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路静静态分析分析再由再由可求得可求得 VGSQ最后需要校最后需要校验是否工作在恒流区是否工作在恒流区静静态时有有 voVD1Q-VD2Q0(Rd1=Rd2=Rd)23华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态
10、小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时交流通路交流通路24华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时 vi1和和 vi2大大 小小相相等等,相相位位相相反反。is1的的增增加加量量等等于于is2的的减减小小量量,ro中中无无交交流流电电流流流流过过,vs=0,意意味味着着源源极极相当于对地短路。相当于对地短路。表明在差模信号作用下,源极公共支路相当于表明在差模信号作用下,源极公共支路相当于短路短路。差差模信号作用情况模信号作用情况25华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大
11、电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时等效的交流通路等效的交流通路26华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时等效的交流通路等效的交流通路 单单边就是标准的共源电路,但输边就是标准的共源电路,但输入信号是入信号是vid。若若 0,单端输出时的差单端输出时的差模电压增益模电压增益只是只是相位相位相反相反(电路对称电路对称)单端单端输出差模电压增益(输出差模电压增益(T1漏极漏极输出输出,Rd1=Rd2=Rd)若由若由T2漏极输出漏极输出,则,则27华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSF
12、ET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时等效的交流通路等效的交流通路若若 0 单端输出时的差单端输出时的差模电压增益模电压增益带带RL时时 28华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时等效的交流通路等效的交流通路若若 0,双端输出时的差双端输出时的差模电压增益模电压增益 因因 vi1=-vi2,故,故 vo1=-vo2 与共源放大电路的电压增益相同与共源放大电路的电压增益相同 增加的元器件贡献在哪里?增加的元器件贡献在哪里?(Rd1=Rd2=Rd)29华中科技大学 张林
13、ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入差模信号入差模信号时等效的交流通路等效的交流通路 双端输出时的差双端输出时的差模电压增益模电压增益 带带RL时时 若若 030华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析单端端输入(不入(不对称称输入)入)时等效的输入形式等效的输入形式31华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析单端端输入(不入(不对称称输入)入)时 结论结论:单端输:单端输入时的差模情况等入时的差模情况等效于双端输入,差效于
14、双端输入,差模增益指标的计算模增益指标的计算与双端输入时相同。与双端输入时相同。单端输入时,必定伴随着共模信号的输入。单端输入时,必定伴随着共模信号的输入。等效的输入形式等效的输入形式 当当仅考虑差模信号仅考虑差模信号输入时,将两个共模信输入时,将两个共模信号源置零,即号源置零,即vic=0,其结果与上述差模信号其结果与上述差模信号双端输入时完全相同。双端输入时完全相同。32华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入共模信号入共模信号时33华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小
15、信号分析仅输入共模信号入共模信号时交流通路交流通路34华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入共模信号入共模信号时共模共模信号作用情况信号作用情况 vi1和和 vi2大大 小小相相等等,相相位位相相同同。is1和和is2同同时时等等量量增增加加或或等等量量减减小小,ro中中流流过过双双倍倍的的单单边边交流电流,交流电流,vs 0。将将ro折折算算到到T1和和T2各各自自源源极极支支路路上上,其其阻阻值值相相当当于于原原来的来的两倍两倍。35华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析
16、小信号分析仅输入共模信号入共模信号时源极公共支路等源极公共支路等效后的交流通路效后的交流通路36华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入共模信号入共模信号时 单端端输出出时的共模的共模电压增益增益 电电路路左左右右两两边边完完全全对对称称,可可看看作作两两个个独独立立的的共共源源放放大大电电路,两边单端输出完全相同。路,两边单端输出完全相同。ro 是电流源是电流源的动态电阻的动态电阻(内阻)(内阻)无论由哪个漏极输出,共模输出电压总是与共模输入电压反相。无论由哪个漏极输出,共模输出电压总是与共模输入电压反相。远小于差模增益远小于
17、差模增益共模时有单端输入和双端输入之分吗?共模时有单端输入和双端输入之分吗?共模时有单端输入和双端输入之分吗?共模时有单端输入和双端输入之分吗?37华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析仅输入共模信号入共模信号时 双双端端输出出时的共模的共模电压增益增益 共模信号的输入使两共模信号的输入使两管漏极电压有相同的变化管漏极电压有相同的变化理想情况下有理想情况下有共模增益共模增益38华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析 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
18、使两两个个漏漏极极电电流流产产生生变变化化,且且变变化化大大小小和和趋趋势势相同。相同。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 当当电路的共模增益为电路的共模增益为0 0或很小时,便可抑制由此产生的影响。或很小时,便可抑制由此产生的影响。抑制共模信号的抑制共模信号的意义何在?意义何在?所所谓谓零零点点漂漂移移是是指指当当放放大大电电路路在在输输入入信信号号为为零零时时,输输出出还还有有缓缓慢慢变变化化的的电电压压产产生生,即即输输出出电电压压偏偏离离原原来来的的起起始始点点而而上上下下飘飘动动,简称简称零漂零漂。39华中科技大学 张林ch077.2.1 M
19、OSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析共模抑制比共模抑制比增大静增大静态偏置偏置电流源的内阻流源的内阻提高提高电路的路的对称性称性双端输出,理想情况双端输出,理想情况单端输出单端输出为为有效提高差分式放大电路的共模抑制比,应如何设计电路参数?有效提高差分式放大电路的共模抑制比,应如何设计电路参数?40华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析输入入电阻阻 由于由于MOS管的栅极是绝缘的,管的栅极是绝缘的,所以无论是差模信号的放大还是共所以无论是差模信号的放大还是共模信号的放大,它们的输入电阻都模信号的放大,它们的输
20、入电阻都约等于无穷大。约等于无穷大。BJT则不同。则不同。差模输入电阻差模输入电阻共模输入电阻共模输入电阻41华中科技大学 张林ch07输出电阻无差模和共模之分输出电阻无差模和共模之分输出出电阻阻双端输出双端输出 Ro=Rd1+Rd2=2Rd 单端输出单端输出 Ro=Rd7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析42华中科技大学 张林ch07频率响应频率响应7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路动态小信号分析小信号分析o由于是直接耦合放大电路,由于是直接耦合放大电路,所以低频区增益不会衰减所以低频区增益不会衰减o差模电压增益的高频响应差模电压增益的高
21、频响应与共源电路类似与共源电路类似o共模电压增益的高频响应共模电压增益的高频响应与源极电流源的输出阻抗与源极电流源的输出阻抗(内阻)特性有直接关系(内阻)特性有直接关系o共模抑制比的高频响应由差模增益和共模增益的高频响应共同共模抑制比的高频响应由差模增益和共模增益的高频响应共同决定决定43华中科技大学 张林ch077.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路 为什么对差模信号放大和对共模信号放大不同?为什么对差模信号放大和对共模信号放大不同?差模差模共模共模双端输出双端输出单端输出单端输出 对两类信号放大产生差异的关键点在哪儿?对两类信号放大产生差异的关键点在哪儿?44华中科技大学 张林
22、ch07差分式放大差分式放大电路的分析方法路的分析方法 静静态、动态等与之前放大等与之前放大电路分析方法相同路分析方法相同 动态分析分析时,利用叠加原理,将差模和共模分开,利用叠加原理,将差模和共模分开分析分析是有效手段是有效手段7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路45华中科技大学 张林ch07差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系:差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系:反相反相vO1与与vi1同相同相vO2与与vi1同相同相vO1与与vi2反相反相vO2与与vi2反相反相vo与与vi1同相同相vo与与vi2思考题思考题46华中科技大学 张林ch07
23、7.2 差分式放大差分式放大电路路 7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路7.2.2 BJT差分式放大差分式放大电路路7.2.3 差分差分式放大式放大电路的路的传输特性特性47华中科技大学 张林ch077.2.2 BJT差分式放大差分式放大电路路 电路分析与电路分析与MOSFETMOSFET类似类似 差模电压和差模电压和共模共模电压电压增益可增益可由共射放大电路由共射放大电路结论得到,两者结论得到,两者的差别仅在分母的差别仅在分母中是否包含电流中是否包含电流源动态电阻。源动态电阻。由于基极有电流,所以差由于基极有电流,所以差模模输入电阻输入电阻和共模和共模输输入电阻都不是无穷大。入
24、电阻都不是无穷大。48华中科技大学 张林ch077.2 差分式放大差分式放大电路路 7.2.1 MOSFET差分式放大差分式放大电路路7.2.2 BJT差分式放大差分式放大电路路7.2.3 差分式放大差分式放大电路的路的传输特性特性49华中科技大学 张林ch077.2.3 MOSFET差分式放大差分式放大电路的路的传输特性特性根据根据vid=vGS1-vGS2可得可得传输特性曲特性曲线 iD1,iD2f(vid)50华中科技大学 张林ch07纵轴归一化传输特性7.2.3 MOSFET差分式放大差分式放大电路的路的传输特性特性51华中科技大学 张林ch077 模模拟集成集成电路路7.1 模模拟集
25、成集成电路路中的直流偏置技中的直流偏置技术7.2 差分式放大差分式放大电路路*7.3 带有源有源负载的差分式放大的差分式放大电路路7.4 集成集成运算放大器运算放大器电路路简介介7.5 运放主要运放主要参数和相关参数和相关应用用问题52华中科技大学 张林ch07*7.3.1 带有源有源负载的的MOSFET差分式放大差分式放大电路路1.基本基本电路路2.静静态分析分析53华中科技大学 张林ch07*7.3.1 带有源有源负载的的MOSFET差分式放大差分式放大电路路3.动态指指标输入差模入差模电压时的交流通路的交流通路 id3=id1id1=gmvid/2id4=id1=gmvid/2id2=-
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