CH06模擬集成電路PPT課件

1、6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng) 用電路的影響用電路的影響6.2 差分式放大電路差分式放大電路第1頁(yè)/共59頁(yè)6.1 模擬集成電路中的模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)直流偏置技術(shù)6.1.1 BJT電流源電路電流源電路6.1.2 FET電流源電流源1. 鏡像電流源鏡像電流源2. 微電流源微電流源3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源4. 組合電流源組合電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源

2、2. MOSFET多路電流源多路電流源3. JFET電流源電流源第2頁(yè)/共59頁(yè)6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源BE1BE2=VVE1E2= IIC1C2= IIT T1 1、T T2 2的參數(shù)全同的參數(shù)全同 即即12，ICEO1ICEO2 當(dāng)當(dāng)BJT的的較大時(shí)，基極電流較大時(shí)，基極電流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符號(hào)代表符號(hào)第3頁(yè)/共59頁(yè)動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在幾百千歐以上在幾百千歐以上ce r 第4頁(yè)/共59頁(yè)2. 微電流源微電流源e2BE2BE1RVV E2

3、C2OIII e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小。也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）oR )1(esbeecectoRRrRriR v第5頁(yè)/共59頁(yè)A1和和A3分別是分別是T1和和T3的相對(duì)結(jié)面積的相對(duì)結(jié)面積 動(dòng)態(tài)輸出電阻動(dòng)態(tài)輸出電阻ro遠(yuǎn)比微電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻高遠(yuǎn)比微電流源的動(dòng)態(tài)輸出電阻高3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源RVVVVIEEBE23BECCREF REF13C2oIAAII 第6頁(yè)/共59頁(yè)4. 組合電流源組合電流源T1、R1 和和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電

4、流支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流IREF1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5構(gòu)成鏡像電流源構(gòu)成鏡像電流源T1和和T3，T4和和T6構(gòu)成了微電流源構(gòu)成了微電流源第7頁(yè)/共59頁(yè)6.1.2 FET電流源電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源當(dāng)器件具有不同的寬長(zhǎng)比時(shí)當(dāng)器件具有不同的寬長(zhǎng)比時(shí)RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （ =0=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電流源基本鏡像電流源 第8頁(yè)/共59頁(yè)2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3特性相同，特性相同，且工作在

5、放大區(qū)，當(dāng)且工作在放大區(qū)，當(dāng) =0時(shí)時(shí)，輸出，輸出電流為電流為 常用的鏡像電流源常用的鏡像電流源 第9頁(yè)/共59頁(yè)2. MOSFET多路電流源多路電流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 第10頁(yè)/共59頁(yè)3. JFET電流源電流源(a) 電路電路 (b) 輸出特性輸出特性 第11頁(yè)/共59頁(yè)6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差

6、分式放大電路第12頁(yè)/共59頁(yè)6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路第13頁(yè)/共59頁(yè)2. 有關(guān)概念有關(guān)概念i2i1id=vvv 差模信號(hào)差模信號(hào))(21=i2i1icvvv 共模信號(hào)共模信號(hào)idod=vvv A差模電壓增益差模電壓增益icoc=vvv A共模電壓增益共模電壓增益icciddooo =vvvvvvvAA 總輸出電壓總輸出電壓其中其中ov 差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出ov 共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)反映抑制零漂能力的指標(biāo)cdCMR=v

7、vAAK第14頁(yè)/共59頁(yè)根據(jù)根據(jù)2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有有 共模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入共模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中相同的部分端信號(hào)中相同的部分 差模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入差模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中不同的部分端信號(hào)中不同的部分共模信號(hào)大小相等，相位相同；共模信號(hào)大小相等，相位相同；差模信號(hào)大小相等，相位相反。差模信號(hào)大小相等，相位相反。第15頁(yè)/共59頁(yè)6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理第16頁(yè)/共59頁(yè)靜態(tài)OCC2C121=IIII CE2CE1=VV

8、CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 第17頁(yè)/共59頁(yè)動(dòng)態(tài)僅輸入差模信號(hào)，僅輸入差模信號(hào)， i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，大小相等， 0O2O1o vvv信號(hào)被放大。信號(hào)被放大。相位相反。相位相反。第18頁(yè)/共59頁(yè)2. 抑制零點(diǎn)漂移原理抑制零點(diǎn)漂移原理 溫度變化和電源電壓波溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢(shì)是相生變化。且變化趨勢(shì)是相同的，同的， 其效果相當(dāng)于在兩個(gè)其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。輸入端加入了共模信號(hào)。第19頁(yè)/共59頁(yè) iC1 i

9、C2 溫度溫度 iC1 iE1 iC2 iE2 這一過(guò)程類似于分壓式射這一過(guò)程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過(guò)程。極偏置電路的溫度穩(wěn)定過(guò)程。所以，即使電路處于單端輸出所以，即使電路處于單端輸出方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。能力。 vE （vB1、vB2不變）不變） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用第20頁(yè)/共59頁(yè)3. 主要指標(biāo)計(jì)算主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模情況 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入負(fù)載時(shí)i1o122vv becrR beLcd)21/(=rRRA v

10、以雙倍的元器件換以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 雙入、雙出雙入、雙出第21頁(yè)/共59頁(yè) 雙入、單出雙入、單出 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入負(fù)載時(shí)beLcd2)/(=rRRA v第22頁(yè)/共59頁(yè) 單端輸入單端輸入eorr 等效于雙端輸入等效于雙端輸入 指標(biāo)計(jì)算與雙指標(biāo)計(jì)算與雙端輸入相同。端輸入相同。第23頁(yè)/共59頁(yè)（2）共模情況 雙端輸出雙端輸出 共模信號(hào)的輸入使兩管共模信號(hào)的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。集電極電壓有相同的變化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益第24頁(yè)/共59頁(yè) 單端輸出單端

11、輸出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增強(qiáng)抑制零漂能力增強(qiáng)icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA第25頁(yè)/共59頁(yè)（3）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況 CMRK 單端輸出單端輸出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力 越強(qiáng)單端輸出時(shí)的總輸出電壓?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)的總輸出電壓)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （4）頻率響應(yīng)高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號(hào)。高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號(hào)。第26頁(yè)/共59頁(yè)例例(4)當(dāng)輸出接一個(gè)當(dāng)輸出接

12、一個(gè)12k 負(fù)載負(fù)載時(shí)的差模電壓增益時(shí)的差模電壓增益.解：解：求求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)，均為硅管，均為硅管，、V008050TTTOi321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)?shù)闹档闹导凹?、AAARVVIII(1)靜態(tài)靜態(tài)第27頁(yè)/共59頁(yè) k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)電壓增益電壓增益mA37. 0c2BE3e3E3C2 RVRII V9V )7 . 0(1037. 012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74. 022

13、C2E2E III k2 . 5k 74. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR k78. 3mV26)1(200E22be2Ir 第28頁(yè)/共59頁(yè) k3 .245)1(e33be3i2RrR (3)50)(2)/(b1bei2c22d2 RrRRAv9 . 3)1()/(e33beL3c32 RrRRAv1952d2 vvvAAAmV5 . 2)0mV5(21)(21i2i1ic vvv差分電路的共模增益差分電路的共模增益3 . 0)(2)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvmV972)9 . 3(5 . 2)3 . 0(550)(2icc

14、2idd22O2O vvvvvvvvAAAA共模輸入電壓共模輸入電壓不計(jì)共模輸出電壓時(shí)不計(jì)共模輸出電壓時(shí)mV975O v第29頁(yè)/共59頁(yè)(4)時(shí)時(shí) k12LR95. 1)1()/(e33beL3c32 RrRRAv5 .972d2 vvvAAA第30頁(yè)/共59頁(yè)4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路靜態(tài)靜態(tài) IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5第31頁(yè)/共59頁(yè)差模電壓增益差模電壓增益（負(fù)載開(kāi)路）（負(fù)載開(kāi)路） 0ce4o2ce2o2c2c4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvr

15、v bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 則則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 第32頁(yè)/共59頁(yè)差模輸入電阻差模輸入電阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 輸出電阻輸出電阻第33頁(yè)/共59頁(yè)共模輸入電阻共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro5第34頁(yè)/共59頁(yè)6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路差分式放大電路第35頁(yè)/共59頁(yè)雙端輸出雙端輸出差模電壓增益差模電壓增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvv

16、v 而而: :)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：第36頁(yè)/共59頁(yè)單端輸出單端輸出差模電壓增益差模電壓增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(ro2 / ro4 )與雙端輸出相同與雙端輸出相同第37頁(yè)/共59頁(yè)6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)根據(jù)TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1

17、 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）第38頁(yè)/共59頁(yè)vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線的傳輸特性曲線第39頁(yè)/共59頁(yè)6.4 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.4.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器741第40頁(yè)/共59頁(yè)6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理第41頁(yè)/共59頁(yè)2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算(1)(1)直流分析直流分析REFGS5SSDDREFSG

18、5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根據(jù)各管子的寬長(zhǎng)比根據(jù)各管子的寬長(zhǎng)比 ，可求出其它支路電流。，可求出其它支路電流。第42頁(yè)/共59頁(yè)(2)(2)小信號(hào)分析小信號(hào)分析2idgs1vv 2idgs2vv 設(shè)設(shè) gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv則則)/()/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv )/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv輸入級(jí)電壓增益輸入級(jí)電

19、壓增益 第43頁(yè)/共59頁(yè)總電壓增益總電壓增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級(jí)電壓增益第二級(jí)電壓增益 將參數(shù)代入計(jì)算得將參數(shù)代入計(jì)算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）第44頁(yè)/共59頁(yè)6.4.2 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器741原理電路原理電路 第45頁(yè)/共59頁(yè)簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電路第46頁(yè)/共59頁(yè)6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題第47

20、頁(yè)/共59頁(yè)6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO 在室溫（在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓調(diào)電壓VIO。一般約為。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（。超低失調(diào)運(yùn)放為（120） V。高精度運(yùn)放。高精度運(yùn)放OP-117 VIO=4 V。MOSFET達(dá)達(dá)20 mV。2. 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB 輸入偏

21、置電流是指集成運(yùn)放輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT為為10 nA1 A；MOSFET運(yùn)放運(yùn)放IIB在在pA數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。第48頁(yè)/共59頁(yè)3. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為一般約為1 nA A。 4. 溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂）輸入失調(diào)電壓溫漂 VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂）輸入失調(diào)電流溫漂 IIO /

22、T第49頁(yè)/共59頁(yè)差模特性差模特性1. 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬和帶寬BW 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益AvO開(kāi)環(huán)帶寬開(kāi)環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG (fT)741型運(yùn)放型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) 第50頁(yè)/共59頁(yè)2. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid和輸出電阻和輸出電阻ro BJT輸入級(jí)的運(yùn)放輸入級(jí)的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放為輸入級(jí)的運(yùn)放rid1012超高輸入電阻運(yùn)放超高輸入電阻運(yùn)放rid1013、IIB一般運(yùn)放的一般運(yùn)放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro。3.

23、最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax第51頁(yè)/共59頁(yè)共模特性共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模輸入電阻和共模輸入電阻ric 一般通用型運(yùn)放一般通用型運(yùn)放KCMR為（為（80120）dB，高精度運(yùn)放，高精度運(yùn)放可達(dá)可達(dá)140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá) 13V。第52頁(yè)/共59頁(yè)大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性1. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下

24、，輸入為大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信號(hào)為若信號(hào)為viVimsin2 ft ，則運(yùn)放的，則運(yùn)放的SR必須滿足必須滿足SR2fmaxVom第53頁(yè)/共59頁(yè)2. 全功率帶寬全功率帶寬BWP 指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率，即指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率，即 SR和和BWP是大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的重要指標(biāo)。一般通用是大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的重要指標(biāo)。一般通用型運(yùn)放型運(yùn)放SR在在nV/ s以下，以下，741的的SR s而高速運(yùn)放要求而高速運(yùn)放要求SR30V/ s以以上。目前超高速的運(yùn)放如上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的的SR3500V/ s。omRmaxP2 VSfBW 第54頁(yè)/共59頁(yè)電源特性電源特性1. 電源電壓抑制比電源電壓抑制比KSVR 衡量電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出