差分放大器 cmos.docx

學院模擬集成電路分析與設計 題目： 差分放大器 院系：專業(yè)年級： 學生姓名： 學號： 2012年12月8日差分放大器一， 差分放大器的概況能把兩個輸入電壓的差值加以放大的電路，也稱差動放大器。這是一種零點漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（術語“平衡”意味著差分）輸入和輸出，也可以是單端（非平衡）輸入和輸出，常用來實現平衡與不平衡電路的相互轉換，是各種集成電路的一種基本單元。由兩個參數特性相同的晶體管用直接耦合方式構成的放大器。若兩個輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號時，輸出為零，從而克服零點漂移。適于作直流放大器。 差分放大器電路圖，未顯示偏置等電路差分放大器是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時簡稱為“差放”。差分放大器通常被用作功率放大器（簡稱“功放”）和發(fā)射極耦合邏輯電路 (ECL, Emitter Coupled Logic) 的輸入級。差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統(tǒng)在差分放大器的一個輸入端輸入信號，另一個輸入端輸入反饋信號，從而實現負反饋。常用于電機或者伺服電機控制，以及信號放大。在離散電子學中，實現差分放大器的一個常用手段是差動放大，見于多數運算放大器集成電路中的差分電路。下圖為差分放大器電路圖，未顯示偏置等電路。二， 差分放大器舉例差分放大器可以用晶體三極管（晶體管）或電子管作為它的有源器件。輸出電壓u0=u01-u02,是晶體管T1和T2集電極輸出電壓u01和u02之差。當T1和T2的輸入電壓幅度相等但極性相反,即us1=-us2 時，差分放大器的增益Kd(稱差模增益)和單管放大器的增益相等,即KdRc/re,式中Rc=Rc1=Rc2,re是晶體管的射極電阻。通常re很小,因而Kd較大。當us1=us2 ,即兩輸入電壓的幅度與極性均相等時，放大器的輸出u0應等于零,增益也等于零。實際放大電路不可能完全對稱，因而這時還有一定的增 差分放大器基本電路益。這種增益稱為共模增益，記為Kc。在實際應用中,溫度變化和電源電壓不穩(wěn)等因素對放大作用的影響，等效于每個晶體管的輸入端產生了一個漂移電壓。利用電路的對稱性可以使之互相抵消或予以削弱，使輸出端的漂移電壓大大減小。顯然，共模增益越小，即電路對稱性越好時，這種漂移電壓也越小。通常用差模增益Kd和共模增益Kc的比值Kd/Kc來表示差分放大器的性能。這個比值稱為共模抑制比(CMRR)。一般差分放大器的共模抑制比約為幾十分貝，性能較高的可達百分貝以上。分析表明,共模抑制比CMRRRe/hie,式中hie表示晶體管的輸入電阻。因此采用電流放大系數 大的晶體管或復合管，或者采用恒流源電路代替發(fā)射極公共電阻Re都可以提高差分放大器的共模抑制比。圖2是用恒流源代替Re的差分放大器。這種電路已廣泛用于各種集成電路。 晶體三極管 電子管三， 三極晶體管介紹（1）簡介半導體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的PN結，組成一個PNP（或NPN）結構。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開關等作用的半導體電子器件。（2）晶體三極管的工作原理晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數載流子（電子）及基區(qū)的多數載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：1=Ic/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為：= Ic/Ib。式中-稱為交流電流放大倍數，由于低頻時1和的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩＃?）三極晶體管的分類 晶體三極管的種類很多，分類方法也有多種。下面按用途、頻率、功率、材料等進行分類。1）按材料和極性分有硅材料的NPN與PNP三極管，鍺材料的NPN與PNP三極管。2）按用途分有高、中頻放大管、低頻放大管、低噪聲放大管、光電管、開關管、高反壓管、達林頓管、帶阻尼的三極管等。3）按功率分有小功率三極管、中功率三極管、大功率三極管。4）按工作頻率分有低頻三極管、高頻三極管和超高頻三極管。5）按制作工藝分有平面型三極管、合金型三極管、擴散型三極管。6）按外形封裝的不同可分為金屬封裝三極管、玻璃封裝三極管、陶瓷封裝三極管、塑料封裝三極管等。四，電子管介紹（1） 簡介電子管，是一種最早期的電信號放大器件。被封閉在玻璃容器（一般為玻璃管）中的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵極、陽極（屏極）引線被焊在管坐上。利用電場對真空中的控制柵極注入電子調制信號，并在陽極獲得對信號放大或反饋振蕩后的不同參數信號數據。早期應用于電視機、收音機擴音機等電子產品中，近年來逐漸被半導體材料制作的放大器和集成電路取代，但目前在一些高保真的音響器材中，仍然使用低噪聲、穩(wěn)定系數高的電子管作為音頻功率放大器件（香港人稱使用電子管功率放大器為“煲膽”）。（2） 電子管的構造和原理考慮一塊被加熱的金屬板，當它的溫度達到攝氏800度以上時，會形成電子的加速運動，以至能夠擺脫金屬板本身對它們的吸引而逃逸到金屬表面以外的空間。若在這一空間加上一個十幾至幾萬伏的正向電壓（在上面說到的顯像管，陽極上就加有7000-27000伏的高壓），這些電子就會被吸引飛向正向電壓極，流經電源而形成回路電流。二極管把金屬板（陰極），加熱源（燈絲），正向電壓極板（陽極）封裝在一個適當的殼里，即上面說的玻璃（或金屬，陶瓷）封裝殼，再抽成幾近真空，就是電子二極管。需要說明的是由于制造工藝，雜質附著以及材料本身等原因，管內會殘留微量余氣，成品管都在管內涂敷了一層吸氣劑。吸氣劑一般使用摻氮的蒸散型鋯鋁或鋯釩材料。目前除特殊用途外（如超高頻和高壓整流等），為便于使用和增加一至性，均為兩只二極管，或二極三極，或三極三極以及二極五極等合裝在一個管殼內，這就是復合管。三極管二極管的結構決定了它的單向導電的性質，當在陰極與陽極之間再加上一個帶適當電壓的極點，這個電壓就會改變陰極的表面電位，從而影響了陰極熱電子飛向陽極的數量，這就是調制極，一般是用金屬絲做成螺旋狀的柵網，所以又把它稱為柵極。這就是閥門功能了。由此可以知道，當作為被放大的信號電壓加在柵極-陰極之間時，由于它的變化必然會使陽極電流發(fā)生相應的變化，又由于陽極電壓遠高于陰極，因此柵陰極間微小的電壓變化同樣能使陽極產生相應的幾十至上百倍的電壓變化，這就是三極管放大電壓四極管純粹意義的四極管只是在電子管的發(fā)展史上作為驗證管出現過而沒有進入實用，在商品功放里超過半數以上的機種用的是束射四極管。束射四極管全部是功率管，對功率管的要求是產生盡可能大的陽極電流。束射四極管在電極的結構上做了一些特殊的安排，使其在保持和其它功率管體積差別不大的前提下，能夠形成比其它功率管更大的陽極電流。束射四極管的幾個結構特點：1. 陰極為橢圓型，這就增加了陰極的有效發(fā)射面積，從而增加了熱電子的發(fā)射量。2. 和三極管一樣，在抑制柵極和陽極之間加有簾柵極，作用前面說過了。3. 在簾柵極和和陽極之間加了一對弓型金屬板（說到重點了，注意下面的表述），這就是集束屏。集束屏在管內和陰極相連即與陰極等電位，它迫使已經越過簾柵極的電子流只能沿弓型金屬板的開口方向成束狀射向陽極四， 差分放大器的噪聲分析（1）噪聲噪聲是一個隨機信號. 對于電子系統(tǒng)的噪聲,既不能精確地預見,也不能完全消除,但是可以采用適當的方式進行控制。要控制噪聲,首先要了解噪聲的分布和分析噪聲產生的原因,要分析、判斷所遇到的噪聲是干擾引起的,還是基本噪聲引起的. 對于外部源干擾引起的噪聲,可以采取電磁屏蔽等措施予以消除或減弱;對于基本噪聲,則必須分析系統(tǒng)的基本噪聲機制,針對系統(tǒng)本身的噪聲源采取相應的措施進行控制.噪聲機制主要有3 種:熱噪聲、低頻噪聲和散彈噪聲. 其中最常見的是熱噪聲.熱噪聲是導體中的電荷載流子的隨機熱激振動引起的. 任何一個測量系統(tǒng),其分辨力的最終限制將是熱噪聲. 即使放大器能夠做得完全沒有噪聲,信號源的內阻仍將貢獻噪聲. 熱噪聲電壓Et 的均方值可寫為: E2t= 4 kTRf . 式中, k 為波爾茲曼常數, T 代表導體的絕對溫度,f 代表測量系統(tǒng)的噪聲帶寬.低頻噪聲(1/ f 噪聲) 的一個主要特性就是它的譜密度隨頻率降低而無限增大. 菲耶爾和溫斯頓曾對1/ f 噪聲進行過測量,低達6 10 - 5 Hz. 半導體器件中1/ f 噪聲的主要根源歸根結底是材料的表面特性. 在被考慮的頻寬范圍內,相應的噪聲電壓的均方值是E2f Kf / f .在電子管和晶體管中,存在著散彈噪聲的噪聲電流機構. 這些器件中流動的電流不是平滑和連續(xù)的,而是各個攜帶著一個電子電荷的載流子的流動產生的電流脈沖之和.（2）放大噪聲模型任何二端網絡都有通用的噪聲模型. 把網絡看成是無噪聲的方框,其內噪聲源用兩個位于一端而且通常是在輸入端的噪聲發(fā)生器來表示.放大器的噪聲可以用與輸入端串聯的阻抗為零的電壓發(fā)生器En 和與輸入端并聯的阻抗無窮大的電流發(fā)生器In 及一個復雜的相關系數C 完全表示. 信號源的熱噪聲用噪聲發(fā)生器Et表示. 這樣,把全部噪聲都看成是輸入端的,認為放大器與噪聲無關,就便于討論系統(tǒng)的信號和噪聲.五， 差分放大器的噪聲運用差分放大器具有放大差模信號、抑制共模干擾信號和零點漂移的功能,在信號檢測、自動控制電路中應用廣泛. 在實際應用中,差分放大通常處在系統(tǒng)的輸入級因此尤其要注意差分放大電路本身的噪聲,否則將直接影響整個系統(tǒng)的信噪比及其他相關技術指標.由前面對差分放大器的噪聲分析,可以采取以下措施,盡可能減小差分放大器的噪聲.（1）保證兩個通道參數的對稱性. 由前述對差分放大器的噪聲源討論可以看出,兩個通道參數的對稱性是至關重要的. 在挑選元件時,要認真考慮,盡可能保證兩個通道參數的對稱性. 元件的對稱性比較容易保證,用數字萬用表測試電阻的實際阻值,在系列標稱值電阻中挑選、配對時,阻值差異控制在1 %以內,即可滿足一般電路的使用要求. 差分對管配對時,可用晶體管特性圖示儀測試差分對管的輸出特性(雙簇顯示) 和輸入特性,挑選兩個特性都比較一致的管子(值相差1 %) ,即可獲得滿意的對稱性. （2）減小電阻的噪聲貢獻. 電阻產生的熱噪聲是一個重要的噪聲源. 因此,差分放大器的所有電阻都采用低噪聲電阻,調零電位器也應采用線繞多圈電位器,以減小電阻的噪聲貢獻. 另外,在恒流管偏置電阻上并聯一只1F 的電容,也能明顯降低偏置電阻的噪聲貢獻. （3）采用浮地輸入方式,降低等效輸入噪聲. 由前述對差分放大器的等效輸入噪聲的討論看出,采用浮地源接法時,噪聲電流比信號源一端接地的噪聲電流小. 實際應用中可采用不平衡平衡轉換電路構成浮地接法,或者采用兩級差分,第一級單入雙出,第二級雙入. 浮地輸入時,共模抑制比提高了很多.六，差分放大器的應用及發(fā)展趨勢要用于通信設備、視頻系統(tǒng)以及測試與測量儀表等產品;低電壓/低功耗運放主要面向手機、PDA等以電池供電的便攜式電子產品;高精度運放主要針對測試測量儀表、汽車電子以及工業(yè)控制系統(tǒng)等。通用運算放大器應用最廣,幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調理功能的電子系統(tǒng)都可采用通用運放。信息家電、手機、PDA、網絡等新興應用的興起,為運算放大器提供了活躍的舞臺,同時也對其提出新的技術要求。近年來消費電子、通訊、網絡等應用領域的發(fā)展對運放產品也提出新的技術要求，更低功耗、更小封裝以及良好的匹配性能都變得十分重要。為此，設計人員在設計方法上加創(chuàng)新，制造工藝與封裝技術的進步也為提升運放性能提供了一定的保證。在多方因素推動下，下一代運算放大器正朝著速度更快、集成度更高、價格更低的方向發(fā)展。幾乎現階段每個完整的電子產品中都離不開放大器,而放大器性能的提高對電子產品的功能起著重要的決定作用。說不清是放大器的發(fā)展決定了電子產品的發(fā)展進程還是電子產品的發(fā)展需求推動了放大器的發(fā)展空間,從電子產品的發(fā)展需求和放大器的發(fā)展趨勢分析中我們或許可以尋找到答案。 從市場需求的角度看，全球對放大器的需求都保持強勢增長。中國市場也不例外，尤其在消費和通訊領域。凌特公司信號調理產品線總經理 Erik Soule 表示，“通訊和網絡基礎設備市場已經開始復蘇，未來幾年這類設備在中國會有很大增長。而這些應用都需要高速 ADC 驅動器，以及低噪聲、低輸入偏壓運放等產品?！保?）通訊和視頻應用使高速運放成為焦點高速運放泛指頻寬高于 50MHz 的運放，而現在為了與信號鏈后端組件(例如高速 ADC 或處理器)的需求相匹配，運放的頻寬記錄已突破 GHz。這主要源于后端組件的效能近年來顯著提升，因而位居信號鏈前端的運放為了與后端組件相匹配，以避免拖累信號鏈的整體效能表現，于是開始向高速化發(fā)展，未來高速運放可能躍升為主流運放產品。（2）便攜式應用催生低電壓/低功耗運算放大器隨著手機、PMP 等依賴電池供電的便攜式產品出現，強調低功耗、低電壓的運放應運而生。一般定義下的低電壓運放，指工作電壓低于 2.5 伏特，而所謂的低功耗運放，通常指供電電流低于 1mA。這類運放大多用在音頻系統(tǒng)或是電壓比較電路、濾波器等不需要太高頻寬的應用。此外，在測試、測量和醫(yī)療系統(tǒng)，工程師也希望在低功耗水平下獲得改進的性能(例如，更高的帶寬、更快的轉換率和更低的失真度)，所以在這些領域低功耗運放也有創(chuàng)新機會。（3）精密運算放大器 精密放大器最初設計用于測試和測量設備,隨著汽車和生產線上的性能監(jiān)視子系統(tǒng)的需要,具有低輸入偏移電壓和偏移電流以及低溫度系數和噪聲特征的精密放大器開始用于傳感器監(jiān)視。汽車OEM對性價比的要求甚于對使用的精度放大器的要求。這意味著芯片制造商不得不尋找出路,以使用僅僅5V或者甚至3V達到它們使用15V才能得到的精度。這促進了許多架構和微調技術方面的創(chuàng)新,在一定程度上,也促進了裸片上為了處理濾波或者校準、自動置零和數字微調的有關附加電路的集成。CMOS工藝線寬的不斷縮小讓芯片上可以增加額外電源。CT、MRI(核磁共振)和超聲波機等醫(yī)療系統(tǒng)中的通道計數急劇增加讓放大器必須跟上ADC的發(fā)展。就工藝而言,0.25m芯片規(guī)格似乎是最佳點。 高精度運放一般指失調電壓低于1mv的運放。與低電壓/低功耗運放不同,這類產品由于對信號精準度的要求極高,如果將這類運放整合到后端芯片中形成SoC,其他電路的噪聲將嚴重干擾此類運放的正常運作,因此就現階段的技術來看,這類運放將是最不容易被整合的組件。高精度運放可用于工業(yè)自動化、醫(yī)療器材、量測儀器、汽車電子等領域（4）通用運放在傳統(tǒng)應用領域仍有發(fā)展空間雖然隨著應用需求不斷變更,運放供貨商必須順應市場變化推出相應的新產品。然而因為運放在業(yè)界已被廣泛采用數十年之久,有些應用產品的生命周期也長達十多年,因此很多傳統(tǒng)產品仍有其一定的市場需求,例如在汽車與工業(yè)自動化領域,就有很多設備還是需要用到傳統(tǒng)的通用運放。通用運放對工程師而言,可以說是最常用的半導體組件之一。通過外部電阻的不同配置,一顆運放可以對輸入信號進行各種微調后再輸出,以符合信號鏈后端的ADC、電源管理芯片等組件的輸入信號要求。正因為其簡單易用的特性,再加上極為經濟實惠的價格,因而使得這類放大器始終在出貨量上穩(wěn)居運放市場的主流地位。 （5）制造工藝與封裝技術進步提升運放性能新應用對運放提出諸如高速、低功耗、高集成度等新的技術要求。為此,設計人員不斷探索新的設計方法,但只從設計著手不足以實現具有競爭力的產品,只有配合適當的制造工藝和封裝技術才能將不斷優(yōu)化產品性能,適應新的應用需求。 目前運放產品主要采用CMOS、雙極、BiCMOS等工藝制造。許多運算放大器系列都提供單通道、雙通道和四通道三種封裝形式,從而為設計提供了最大的靈活性。各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運算放大器可采用SOT23封裝以及結構相似但外形更加小巧的SC70封裝,雙通道器件有SOT23-8封裝,采用WCSP芯片級封裝的運算放大器的占位面積更小。此外,領先半導體廠商還在不斷研發(fā)新的工藝和封裝技術以進一步提升運放產品的性能。（6）降低噪聲與提高集成度是未來運放發(fā)展的瓶頸眾所周知,噪聲對運放是非常關鍵的指標。在大多數應用中,運放的前面都會有感測組件,其后端則有ADC與處理器,這些組件共同構成一個典型的信號傳輸路徑。由于運放周邊配置的外部組件會帶來噪聲,如果運放本身的噪聲也很大,那么對ADC而言,噪聲將會淹沒有效信號,這樣以來,不管ADC的分辨率與頻寬有多少,它輸出給處理器的就只有噪聲,這極大地影響了系統(tǒng)的正常運作。所以不管是通用型、低電壓/低功耗、還是高精度或高速運放,都需要把組件本身的噪聲抑制到最低程度,才能有效實現信號路徑的整體匹配,達到最佳的應用效果。此外,為滿足日益豐富的應用需求,放大器不再只是單一的產品,而是與其他器件集成在一起以提升性能與產品價值。例如在視頻放大器中整合濾波、多路技術以及DC恢復等功能