模電課件-第5章PPT課件

1、模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（1）利用元器件參數(shù)的對稱性來提高電路穩(wěn)定性）利用元器件參數(shù)的對稱性來提高電路穩(wěn)定性（2）利用有源器件代替無源元件）利用有源器件代替無源元件（3）一般采用直接耦合方式）一般采用直接耦合方式5.1.2 集成電路結構形式上的特點集成電路結構形式上的特點（4）采用較復雜的電路結構）采用較復雜的電路結構（5）適當利用外接分立元件）適當利用外接分立元

2、件模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 根據(jù)集成工藝的特點，根據(jù)集成工藝的特點， 模擬集成放大電路模擬集成放大電路中的中的偏置電路、偏置電路、 集電極或發(fā)射極負載集電極或發(fā)射極負載等，等， 一般一般采用晶體管電流源采用晶體管電流源。 這不僅能使電路性能具有這不僅能使電路性能具有不隨溫度及電源電壓變化而變化的良好穩(wěn)定性不隨溫度及電源電壓變化而變化的良好穩(wěn)定性(做偏置做偏置)， 而且能獲得高增益、而且能獲得高增益、 大動態(tài)范圍的大動態(tài)范圍的特性特性(做有源負載做有源負載)。5.2 晶體管電流源電路及有源負載放大電路晶體管電流源電路及有源負載放大電路

3、模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 電流源電路是指能夠輸出恒定電流的電路。由第電流源電路是指能夠輸出恒定電流的電路。由第1章章晶體管的特性已知，晶體管的特性已知， 晶體管晶體管本身便本身便具有近似恒流具有近似恒流的特性。的特性。 在集成電路中，在集成電路中， 常用的電流源電路有：常用的電流源電路有： 鏡像電流源鏡像電流源、 精密電流源精密電流源、 微電流源微電流源、 比例電流源比例電流源和和多路電流源多路電流源等。等。 它主要提供集成運放中各級合適的靜態(tài)電流或作為有源它主要提供集成運放中各級合適的靜態(tài)電流或作為有源負載代替高阻值電阻，負載代替

4、高阻值電阻， 以提高放大電路的放大倍數(shù)。以提高放大電路的放大倍數(shù)。 5.2.1 電流源電路電流源電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院1. 鏡像電流源鏡像電流源IIIIRRCo2112兩管參數(shù)對稱，工作在臨界飽和狀態(tài)。兩管參數(shù)對稱，工作在臨界飽和狀態(tài)。UBE1= UBE2 = UBE，1 = 2 = IB1= IB2 = IB， IC1= IC2 = IC = IB基準電流基準電流CCBCBECCRIIIIRUVI22當當2時，時，RUVIIBECCRoIo基本恒定基本恒定模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信

5、息科學與工程學院鏡像電流源的溫度補償作用鏡像電流源的溫度補償作用T(OC) IC IR UR UB IB IC若要求若要求Io大，則大，則IR及及R的功耗大；的功耗大；若要求若要求Io小，則小，則IR小，小，R很大，很大，使使R集成困難。集成困難。RUVIIBECCRo鏡像電流源的缺點鏡像電流源的缺點模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 改進型鏡像電流源改進型鏡像電流源RRCCOIIIII)1 (21121T1、 T2、 T3、完全相同、完全相同1 = 2 = 3IB1= IB2 = IBUBE1= UBE2 = UBE321BRCCIII

6、I)1 (2121133CBEBIIII而整理得整理得IO更接近更接近 IR (與與IO=IR/(+2)相比相比)精密鏡像電流源精密鏡像電流源模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.微電流源微電流源EBEeBEBEECORURUUIII2122因因UBE很小，使很小，使Re及不需很大就及不需很大就可以使可以使Io很小。很小。TBETBEUUSEOUUSEReIIIeIII/22/1121由)ln(ln2121SOSRTBEBEBEIIIIUUUU得一般有一般有IS1 = IS2，所以有，所以有OReTeBEOIIRURUIlnRUVIIBECC

7、RO，其中可以解出模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院4. 比例電流源比例電流源UBE1+IE1Re1 = UBE2+IE2Re2因因 UBE1UBE2 ，則，則IE1Re1 IE2Re2 而而IR IE1 ， IOIE2 ReeOeeROIRRIRRII2121，所以模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5. 多路電流源多路電流源T1分別與分別與 T2、 T3、 T4組成比例電流源組成比例電流源ReeCIRRI212ReeCIRRI313ReeCIRRI414模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中

8、南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例1:1:在下圖電路中，在下圖電路中， T1、T2管的特性相同，管的特性相同， 已知已知V VCC=15V=15V，1 1= =2 2= =，UBE1=UBE2=0.6V=0.6V。 （1 1）試證明當）試證明當 2 2時，時， IC2IR； （2 2）若要求）若要求IC2=28A，電阻，電阻R R應取多大？應取多大？IIIIRRCo2112解：解： （1）在鏡像電流源中已推出）在鏡像電流源中已推出當當2時，時，IC2 = IOIR（2）IC2 = IOIRIC1)(51411kIUVRCBECC模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息

9、科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例2:2:在下圖電路中在下圖電路中（1）指出電路為何種電流源電路；）指出電路為何種電流源電路； （2）根據(jù)二極管電流方程，）根據(jù)二極管電流方程， 導出導出T1、 T2管的工作電流管的工作電流IC1、 IC2的關系式；的關系式； （3）若測得）若測得IC228A，IC10.73mA，估算電阻，估算電阻Re和和R1的阻值；的阻值； （4）說明微電流源和上題所示鏡象電流源的異同。）說明微電流源和上題所示鏡象電流源的異同。（1）為微電流源）為微電流源解：解：（2）見微電流源推導過程）見微電流源推導過程212lnCCeTCIIRUI（3）)(3ln212kIII

10、URCCCTe)(20111kIUVRCBECC模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 在共射放大電路中，為了在共射放大電路中，為了提高提高Au，行之有效的，行之有效的方法是方法是增大增大集電極電阻集電極電阻Rc。 然而，為了維持晶體管的靜態(tài)電流然而，為了維持晶體管的靜態(tài)電流不變，在增大不變，在增大Rc時必須提高電源電壓。當電源電壓增大到時必須提高電源電壓。當電源電壓增大到一定程度時，電路的設計就變得不合理了。另外在集成電一定程度時，電路的設計就變得不合理了。另外在集成電路中，不能使用過大的電阻，而且路中，不能使用過大的電阻，而且Rc增大，直流功

11、耗也增增大，直流功耗也增大，對電源電壓的要求也會提高，因此大，對電源電壓的要求也會提高，因此Au的增加受到的增加受到Rc取值的限制。取值的限制。 如果如果用恒流源來代替用恒流源來代替Rc，則由于恒流源的直流電阻，則由于恒流源的直流電阻不大，故恒流源兩端的直流電壓并不大，但恒流源的動不大，故恒流源兩端的直流電壓并不大，但恒流源的動態(tài)交流電阻很大，該交流電阻與交流通道中的態(tài)交流電阻很大，該交流電阻與交流通道中的Rc等效，等效，Au可以大大提高。由于晶體管和場效應管是有源器件，可以大大提高。由于晶體管和場效應管是有源器件， 而上述電路又以它們?yōu)樨撦d，故稱為而上述電路又以它們?yōu)樨撦d，故稱為有源負載有源

12、負載。5.2.2 有源共射放大電路有源共射放大電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院有源共射放大電路有源共射放大電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5.3 差動放大電路差動放大電路零點漂移的嚴重性零點漂移的嚴重性根據(jù)集成電路結構形式上的特點，集成電路的極間耦合方根據(jù)集成電路結構形式上的特點，集成電路的極間耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在式一般采用直接耦合。直接耦合存在溫度漂移溫度漂移問題。為了問題。為了抑制抑制溫度漂移溫度漂移，一種比較有效的電路就是，一種比較有效的電路就是差動放大電

13、路。差動放大電路。如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點漂移。正常工作，必須有效地抑制零點漂移。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5.3.1 差動放大電路差動放大電路( (Differential Amplifier) )1. 電路組成電路組成 特點：特點： a.兩只完全相同的兩只完全相同的管子；管子； b.元件參數(shù)對稱；元件參數(shù)對稱；模模 擬擬 電電 子子 技技

14、 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 輸入輸出方式輸入輸出方式輸入端：輸入端：同相輸入端、反相輸入端同相輸入端、反相輸入端輸入方式：輸入方式：雙端輸入：雙端輸入：若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端。若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端。單端輸入：單端輸入：若信號僅從一個輸入端加入，若信號僅從一個輸入端加入， 另一個輸入端接地。另一個輸入端接地。輸出方式：輸出方式：雙端輸出：雙端輸出：若從若從C1和和C2兩端輸出。兩端輸出。單端輸出：單端輸出： 僅從集電極僅從集電極C1或或C2對地輸出稱為單端輸出。對地輸出稱為單端輸出。輸出端：輸出端：一個是一個是T1的集電極的集電極

15、C1， 另一個是另一個是T2的集電極的集電極C2差動電路的工作模式：差動電路的工作模式：(1)雙端輸入、雙端輸入、 雙端輸出（雙入雙端輸出（雙入雙出）雙出） (2)雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出（雙入單端輸出（雙入單出）單出） (3)單端輸入、單端輸入、 雙端輸出（單入雙端輸出（單入雙出）雙出） (4)單端輸入、單端輸入、 單端輸出（單入單端輸出（單入單出）單出）模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3. 差模信號與共模信號差模信號與共模信號差模輸入信號差模輸入信號u uIdId：兩輸入信號之差兩輸入信號之差差模信號：差模信號：兩大小相等，兩大小

16、相等， 極性相反的信號（極性相反的信號（uId1= -uId2 ）共模信號：共模信號：兩大小相等，兩大小相等， 極性相同的信號（極性相同的信號（uIc1= uIc2 ）共模輸入信號共模輸入信號u uIcIc：同時接到兩個輸入端的信號同時接到兩個輸入端的信號21IdIduu可以將兩個普通輸入信號可以將兩個普通輸入信號uI1 、 uI2分解為共模分量和差模分量分解為共模分量和差模分量 222111IdIcIIdIcIuuuuuu212121)(21IIIdIIIcIcIcuuuuuuuuIdIdIdIduuuu212121模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學

17、與工程學院例例mV6mV1021IIuu+-2211則mV4mV8)(212121IIIdIIIcuuuuuumV2mV221mV812121IdIdIdIdIcIcIcuuuuuuu，8mV=8mV2mV= -2mV10mV6mV模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院4. 抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 原理：原理：靜態(tài)時，輸入信號為零，即將輸入端靜態(tài)時，輸入信號為零，即將輸入端和和短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外界條短接。由于兩管特性相同，所以當溫度或其他外界條件發(fā)生變化時，兩管的集電極電流件發(fā)生變化時，兩管的集電極電流ICQ

18、1和和ICQ2的變化規(guī)的變化規(guī)律始終相同，結果使兩管的集電極電位律始終相同，結果使兩管的集電極電位UCQ1、UCQ2始終始終相等，從而使相等，從而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零點漂移。，因此消除了零點漂移。具體實踐：具體實踐：在實踐中，兩個特性相同的管子采用在實踐中，兩個特性相同的管子采用“差差分對管分對管”，兩半電路中對應的電阻可用電橋精密選配，兩半電路中對應的電阻可用電橋精密選配，盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。結論：結論：可想而知，即使采取了這些措施，差動放大可想而知，即使采取了這些措施，差動放大電路的兩半電路仍不可能完全對稱，也就是說，

19、零點電路的兩半電路仍不可能完全對稱，也就是說，零點漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院差動放大電路對差模信號的放大作用差動放大電路對差模信號的放大作用RE在差模信號作用下，在差模信號作用下，iE1=-iE2 ， iRE =0 ， RE可視為短路可視為短路差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)IdOdduuA模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院差動放大電路對共模信號的抑制作用差動放大電路對共模信號的抑制作用uiCiB1 iC1、iE1u

20、EuBE1iB1iC1REuiCiB2 iC2、iE2uEuBE2iB2iC2uO =0共模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)ICOCCuuA共模抑制比共模抑制比CMRcdCMRcdCMRKAAKAAK理想情況下，或|lg20|模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5. 信號的輸入方式和電路的響應信號的輸入方式和電路的響應（1）差模輸入方式）差模輸入方式差模輸入信號為差模輸入信號為ui1 ui2= uId差模輸入方式差模輸入方式若若ui1的瞬時極性與參考的瞬時極性與參考極性一致，則極性一致，則ui2的瞬時的瞬時極性與參考極性相反。極性與參考極性相反。則有：則有

21、：ui1ib1 ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 輸出電壓uO= uC1 uC20，而是出現(xiàn)了信號，記為Uod。定義：定義：Ad=uod/uIduuuuIdiIdi21,2121模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院（2）共模輸入方式）共模輸入方式ui1=ui2=uIC在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電流和電壓的變化完全相同。流和電壓的變化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0ui1=ui2=uic時，時，uoc=0。定義：定義：Ac=uoc/uIc共模輸入方式下的差放電路共模輸入方式下的

22、差放電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院Ac叫做共模電壓放大倍數(shù)。理論上講，叫做共模電壓放大倍數(shù)。理論上講，Ac為為0，實際上，實際上由于電路不完全對稱，可能仍會有不大的由于電路不完全對稱，可能仍會有不大的uoc，一般，一般Ac u時，時， uo = Uomaxu+ 80 dB模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院7) ) 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdM共模輸入共模輸入 U IC 過大，過大，K CMR下降下降當當 UId 過大時，反偏的過大時，反偏的 PN 結可能因反壓過大而被擊穿。結可能因反壓過大而被擊穿。