國家教學(xué)名師侯建軍-北京交通大學(xué)-模擬電子技術(shù)ch4

1、雙極型模擬集成電路雙極型模擬集成電路電流模電路電流模電路功率輸出級(jí)電路功率輸出級(jí)電路集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路電流模電路電流模電路概述概述鏡像電流源鏡像電流源概概 述述電流模電路電流模電路以電流作為參量來處理模擬信號(hào)的電路以電流作為參量來處理模擬信號(hào)的電路電流模技術(shù)電流模技術(shù) 以電流作為參量來分析、設(shè)計(jì)電路的一種方法。以電流作為參量來分析、設(shè)計(jì)電路的一種方法。1.1.電流源電路是一個(gè)電流負(fù)反饋電路，并利用電流源電路是一個(gè)電流負(fù)反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度結(jié)的溫度特性，對電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對電流的影特性，對電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對電流的影響。響。2.2.電流源電

2、路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這對直接耦合放大器是十分重要的。對直接耦合放大器是十分重要的。3.3.用電流源做有源負(fù)載，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍大的特性用電流源做有源負(fù)載，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍大的特性4.4.在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源、跨導(dǎo)線性電路等。精密電流源、微電流源、多路電流源、跨導(dǎo)線性電路等。鏡像電流源電路鏡像電流源電路T1T2RIrIoEc 基本恒流源基本恒流源Ib1Ic1Ib2Ic2由于兩管特性相同，基射相同由于兩管特

3、性相同，基射相同21 c2c1b2b1 IIIIb2b1c1rIIIIb2c22II/2c2c2rIII)/21 (c2 I由電路可得：由電路可得：RUEIbecr若若 1rc1c2o IIII即從工作管輸出的電流近似恒定的，電路是一恒流源電路。即從工作管輸出的電流近似恒定的，電路是一恒流源電路。在集成電路中基本恒流源由在集成電路中基本恒流源由雙集電極橫向雙集電極橫向PNP管組成。管組成。有兩個(gè)集電極有兩個(gè)集電極且面積相等且面積相等RIrIb1Ic1Ic2Ec工作三極管的集電極電流工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡象是電流源電路的鏡象( (電流相等）電流相等） 在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增

4、加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例比例電流源電流源。因兩三極管基極對地電位相等，于因兩三極管基極對地電位相等，于是有是有: :鏡像電流源鏡像電流源 比例電流源比例電流源Io2e2be21e1be1RIURIUbe2be1UU因2e21e1RIRIrc1e1IIIoc2e2III21e1e2roRRIIIIr21oIRRI 在集成電路中，常用改變在集成電路中，常用改變T1、T2的發(fā)射極面積之比來實(shí)現(xiàn)比例電流源的發(fā)射極面積之比來實(shí)現(xiàn)比例電流源的。不需另外制作電阻。的

5、。不需另外制作電阻。e2e1e2e1c2c1SSIIIIre2e1oISSI Se1、Se2分別為分別為T1、T2管發(fā)射管發(fā)射極的面積。極的面積。鏡像電流源鏡像電流源 微電流源微電流源 通過接入通過接入R2電阻得到一個(gè)比基電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源（準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源（ A A級(jí)級(jí)），適用微功耗的集成電路中。，適用微功耗的集成電路中。IoUbe1=Ube2+Ie2R2Ie2R2 = Ube1 -U be2IoIe2= (Ube1 -U be2)/R2=Ube /R2由由PN結(jié)電流方程可知：結(jié)電流方程可知：Ube1 =UTln (Ie1 /Ies1)Ube2 =UTln (I

6、e2 /Ies2)ln (Ir /Io) =IoR2/UT一般一般Ies1=Ies2由由Ir=(Ec-Ube1)/R,而而Io= Ube/R2,所以所以Io0時(shí)，時(shí)，T1導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通，輸出電壓電壓Uo的最大峰值為：的最大峰值為：Uom=Ec-Uces1 Ec 輸出電壓的有效值為：輸出電壓的有效值為：T1IcQT2Ec- EcUiRLUoR1D1R3IoR22/omoUU 當(dāng)當(dāng)Ui0時(shí)，時(shí)，T1截止，輸出電截止，輸出電壓壓Uo的最大峰值為：的最大峰值為：Uom= -Ec +Uces2 +IcQR2 -Ec輸出電壓的有效值為：輸出電壓的有效值為：2/cE2/omoUU 2/cEUces1(2Ec

7、 -Uces2 -IcQR2)甲類功率輸出級(jí)甲類功率輸出級(jí) 射極跟隨甲類輸出級(jí)的工作原理射極跟隨甲類輸出級(jí)的工作原理輸出功率輸出功率Po:L2oo/RUP L2/2REc直流電源提供的功率直流電源提供的功率PDC:L2cLcccQcDC/2)/(22REREEIEP轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 ：%25/DCoPP（最高）（最高） 效率低原因：靜態(tài)電流造成的管耗較大，如果將效率低原因：靜態(tài)電流造成的管耗較大，如果將Q下移，使信號(hào)等于零時(shí)，電源的輸出等于零或很小，信下移，使信號(hào)等于零時(shí)，電源的輸出等于零或很小，信號(hào)增大時(shí)，電源供給的功率增大，這樣便可解決效率低號(hào)增大時(shí)，電源供給的功率增大，這樣便可解決效率低

8、的問題。的問題。集電極最大功耗：集電極最大功耗：oDCCmax4PPP乙類功率輸出級(jí)乙類功率輸出級(jí) 電路組成電路組成 由一對由一對NPN、PNP特性相同特性相同的互補(bǔ)三極管組成。這種電路也的互補(bǔ)三極管組成。這種電路也稱為稱為 OCL互補(bǔ)功率放大電路?；パa(bǔ)功率放大電路。 電路工作原理電路工作原理當(dāng)當(dāng)Ui=0即靜態(tài)時(shí)，即靜態(tài)時(shí)，Uo=0。當(dāng)當(dāng)Ui 處于正半周時(shí)，處于正半周時(shí)，T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止,流過流過RL的電流為的電流為ie1。ie1ie2當(dāng)當(dāng)Ui 處于負(fù)半周時(shí)，處于負(fù)半周時(shí)，T1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通,流過流過RL的電流為的電流為ie2 。由于管子的對稱性，由于管子的對稱性， ie

9、1 = ie2 ，在負(fù)載上獲得完整的正弦波形。，在負(fù)載上獲得完整的正弦波形。乙類功率輸出級(jí)乙類功率輸出級(jí) 電路工作原理電路工作原理 當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，且當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時(shí)時(shí)NPN型三極管導(dǎo)電。有電流通過型三極管導(dǎo)電。有電流通過負(fù)載負(fù)載RL，按圖中方向由上到下，與，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。假設(shè)正方向相同。 當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，且幅度當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時(shí)遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時(shí)PNP型三極管導(dǎo)電。有電流通過負(fù)型三極管導(dǎo)電。有電流通過負(fù) 載載RL，按圖中方向由下到上，與

10、假設(shè)正方，按圖中方向由下到上，與假設(shè)正方向相反。于是兩個(gè)三極管一個(gè)正半周向相反。于是兩個(gè)三極管一個(gè)正半周，一個(gè)負(fù)半周輪流導(dǎo)電，一個(gè)負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將在負(fù)載上將正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一個(gè)完整的不失真波形。個(gè)完整的不失真波形。ie1ie2ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQQ乙類功率輸出級(jí)乙類功率輸出級(jí) 功率分析功率分析1. 交流輸出功率交流輸出功率Po輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，輸出電壓的峰值輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，輸出電壓的峰值Uom=Ec-Uces1 Ec輸入信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，輸出電壓的峰值輸入信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，輸出電壓的峰值Uom=-Ec-

11、Uces2 -Ec22omomoooIUIUPL2om2RUL2co2(max)REP2. 電源提供的直流功率電源提供的直流功率PDC每管工作半周的平均電流為：每管工作半周的平均電流為：d21om0e1單）DC(ItiIcDC 單DCEIPLcomREU乙類功率輸出級(jí)乙類功率輸出級(jí) 功率分析功率分析2. 電源提供的直流功率電源提供的直流功率PDC 單DCPLcomREU DC 雙PLcom2REUax DC mPL2cRE3. 效率效率maxDCmaxo/PP%5 .784/ 4. 集電極的最大功耗集電極的最大功耗PcmaxoDCcPPPooc22PPE 可推得：可推得：o2oL2c2cmax

12、4 . 042PPREPocmax2 . 0PP單甲類功放甲類功放乙類功放乙類功放oPL2/2REcL2cDC/2REP%25 ocmax4PPL2co2/ REP DCPL2c/ RE%5 . 87 ocmax4 . 0 PPocmax2 . 0PP單例：例：Po=1W甲類：甲類：Pcmax=4W大功率管大功率管必須加散熱片必須加散熱片體積增大體積增大乙類：乙類：Pcmax=0.2W中功率管中功率管0.1W以下以下小功率管小功率管乙類功率輸出級(jí)乙類功率輸出級(jí) 存在問題存在問題 當(dāng)輸入信號(hào)當(dāng)輸入信號(hào)Ui在在0Ube之間變化時(shí)，不足之間變化時(shí)，不足以克服死區(qū)電壓，三極管不導(dǎo)通電。因此以克服死區(qū)電

13、壓，三極管不導(dǎo)通電。因此在正、負(fù)半周交替過零處會(huì)出現(xiàn)一些在正、負(fù)半周交替過零處會(huì)出現(xiàn)一些非線非線性失真性失真，這個(gè)失真稱為，這個(gè)失真稱為交越失真交越失真。MOSMOS模擬集成電路模擬集成電路MOSMOS模擬集成單元電路模擬集成單元電路MOSMOS集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器N1N2MOS電流源電流源 MOS電流鏡電流鏡UDD由兩個(gè)幾何尺寸相同的由兩個(gè)幾何尺寸相同的MOS管組成管組成IRIoIGId1基準(zhǔn)管基準(zhǔn)管輸出管輸出管22T2gs22oxn2d)(2UULWCIN1管的漏電流管的漏電流:N2管的漏電流管的漏電流:)()(22112d1dLWLWII IG=0Id1=IRId2=IOR112

14、2oILWLWIIO = IR21T1gs11oxn1d)(2UULWCIN1N2UDDIRIoIGId1MOS電流源電流源 MOS電流鏡電流鏡N1-基準(zhǔn)管基準(zhǔn)管固定基準(zhǔn)電流固定基準(zhǔn)電流IRN2-輸出管輸出管輸出電流輸出電流IOIO = IR理想電流源理想電流源:內(nèi)阻內(nèi)阻Ri=而而N2的輸出電阻的輸出電阻rds2為有限值為有限值該電流源不是理想電流源該電流源不是理想電流源其輸出電流只是一個(gè)近似恒定值，即存在一個(gè)誤差項(xiàng)其輸出電流只是一個(gè)近似恒定值，即存在一個(gè)誤差項(xiàng),誤差越小，電流源越接近理想電流源。誤差越小，電流源越接近理想電流源。ds2ds2ROrUII誤差項(xiàng)誤差項(xiàng)MOS電流源電流源 威爾遜威

15、爾遜電流源電流源N2N3N1IoIRUOro減小誤差項(xiàng)減小誤差項(xiàng),提高精度提高精度OOROrUIIds2U1OROrAUIIds2Ods2U1OrUrAU即誤差大為減小即誤差大為減小MOS電流源電流源 幾何比幾何比電流源電流源N1NRIRI01N2I02NR、N1、N2的幾何尺寸不同的幾何尺寸不同設(shè)三個(gè)管子的溝長比分別為：設(shè)三個(gè)管子的溝長比分別為：SNR，SN1，SN2仿前面電流鏡推導(dǎo)，可得：仿前面電流鏡推導(dǎo)，可得：NRN1RO1SSIINRN2RO2SSIIN2N1O2O1SSII 由于輸出電流與管子的幾何尺寸成比例，由于輸出電流與管子的幾何尺寸成比例，改變溝長比，可得到與改變溝長比，可得到

16、與IR成任何比例關(guān)系的電成任何比例關(guān)系的電流源。流源。由式可看出：由式可看出：MOS管有源負(fù)載管有源負(fù)載有源負(fù)載：有源負(fù)載：用于代替高阻值電阻的電流源用于代替高阻值電阻的電流源常用的有源負(fù)載：常用的有源負(fù)載：單管增強(qiáng)型單管增強(qiáng)型單管耗盡型單管耗盡型電流鏡電路電流鏡電路注：注：在大規(guī)模電路中，襯底一般不與源極相接，因此在大規(guī)模電路中，襯底一般不與源極相接，因此必須考慮襯底對電路的影響，即所謂的襯稠效應(yīng)必須考慮襯底對電路的影響，即所謂的襯稠效應(yīng)襯底的跨導(dǎo)：襯底的跨導(dǎo)：0d0dGSDSBSDmbUUUIg0d0dBSDSGSDmUUUIg管子的跨導(dǎo)：管子的跨導(dǎo)：跨導(dǎo)比：跨導(dǎo)比：mmbgg 處理方法：

17、處理方法：畫交流等效電路時(shí)，襯底畫交流等效電路時(shí)，襯底B接交流地接交流地GDSB 單管增強(qiáng)型有源負(fù)載單管增強(qiáng)型有源負(fù)載MOS管有源負(fù)載管有源負(fù)載UDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbs由圖可知：由圖可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmUgsgmbUbs+而而Ugs= Ubs= UOrO=1gds+gmgmb+IO用用D與與S間的動(dòng)態(tài)電阻間的動(dòng)態(tài)電阻代替大電阻代替大電阻畫交流通路畫交流通路D G B均接交流地均接交流地減小減小gmb 單管增強(qiáng)型有源負(fù)載單管增強(qiáng)型有源負(fù)載MOS管有源負(fù)載管有源負(fù)載GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1

18、gds+gmgmb+rO1gmgmb+1gm )(1 +=gmb =gmgdsgm和和gmb適量減小適量減小gmro增大增大 單管耗盡型有源負(fù)載單管耗盡型有源負(fù)載MOS管有源負(fù)載管有源負(fù)載GDSBUDDUOroD BG SUOrogdsgmbUbsIO耗盡型：耗盡型： Ugs=0ID=Idss做有源負(fù)載時(shí)做有源負(fù)載時(shí)G與與S短接短接用用D與與S間的動(dòng)態(tài)電阻間的動(dòng)態(tài)電阻代替大電阻代替大電阻畫交流通路畫交流通路D B均接交流地均接交流地G與與S相接相接由圖可知：由圖可知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmbUbs而而Ubs= UOrO=1gdsgmb+ 單管耗盡型有源負(fù)載單管耗盡型有源負(fù)載MOS

19、管有源負(fù)載管有源負(fù)載GDSBUDDUOroD BG SUOrogdsgmbUbsIOrO=1gdsgmb+ 如如gds gmbrO=1gmb耗盡型耗盡型MOS管有源負(fù)載的電阻比增強(qiáng)型的要高管有源負(fù)載的電阻比增強(qiáng)型的要高gmbgmbgdsgm1=gm2=gm3rdsgm11/gm較小較小rogm1 rds1 rds2=AU1rds2AU11威爾遜威爾遜電流源做電流源做有源負(fù)載可得到高阻抗有源負(fù)載可得到高阻抗常常用用的的電電路路形形式式MOS單極放大器單極放大器E/E型型NMOS單極放大器單極放大器E/D型型NMOS單極放大器單極放大器CMOS單極放大器單極放大器推挽式推挽式CMOS單極放大器單極

20、放大器MOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器N2N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1RL2mb2m2L21ggRioUEUUA)/(L2ds1m1Rrg放大管及有源負(fù)載均為放大管及有源負(fù)載均為增強(qiáng)型增強(qiáng)型NMOS管管E/E型便由此得名型便由此得名電壓增益電壓增益MOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器ioUEUUA)/(L2ds1m1Rrg通常通常rds1RL2L2m1Rgmb2m2L21ggRmb2m2m1UEgggAm22m1)(1ggD11D1m122ILWKIKgD22D2m22

21、2ILWKIKg當(dāng)兩管當(dāng)兩管K、ID相等時(shí)相等時(shí)其中其中MOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器n2n12UE11SSASn1Sn2溝長比溝長比如忽略襯稠效應(yīng)如忽略襯稠效應(yīng) 即即 21n2n1UESSA結(jié)論：結(jié)論：1. 電壓增益主要有電壓增益主要有管子尺寸決定，管子尺寸決定，增加溝長比及減增加溝長比及減小小 ，增益將增，增益將增高。高。2. 由于不能無限增由于不能無限增加溝長比，該放加溝長比，該放大器的大器的增益低增益低，約約510倍。倍。MOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1

22、輸入電阻：輸入電阻：N1的柵源絕緣的柵源絕緣電阻，很高，電阻，很高，一般可達(dá)一般可達(dá)1010 。輸出電阻：輸出電阻：2L1dso/ Rrr 2mb2m2ds1ds1gggggds1,gds2gm2, gmb2m22o)(11grMOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器電壓增益電壓增益n2n12UE11SSAn2n1UESSA輸入電阻輸入電阻很高，一般可達(dá)很高，一般可達(dá)1010 。輸出電阻輸出電阻m22o)(11gr 2RL2L2m1Rgmb2L21gR mb2m1UDggAm2m121gg 與與E/E型比較型比較UDAm2m121ggUE221AUE21A通常通常 2

23、1 20.1由此可見：由此可見：AUD比比AUE大一個(gè)數(shù)量級(jí)，約為幾十倍。是主大一個(gè)數(shù)量級(jí)，約為幾十倍。是主要的要的NMOS放大器。放大器。MOS單極放大器單極放大器 E/E型型NMOS單極放大器單極放大器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1輸入電阻：輸入電阻：N1的柵源絕緣的柵源絕緣電阻，很高，電阻，很高，一般可達(dá)一般可達(dá)1010 。輸出電阻：輸出電阻：2L1dso/ Rrr 2mb2m2ds1ds1gggggds1,gds2gmbgds2. 單管耗盡型有源負(fù)載，它采用耗盡型單管耗盡型有源負(fù)載，它采用耗盡型MOS管組成。管組成。 等效交流電阻為：等效交流電阻為： ro=1/(gds+gmb)小小 結(jié)結(jié)小小 結(jié)結(jié) MOS集成電路中普遍采用有源負(fù)載共源放大電路，常用集成電路中普遍采用有源負(fù)載共源放大電路，常用的有四種，即、的有四種，即、EE型，型，ED型，型，CMOS型和型和CMOS互補(bǔ)互補(bǔ)形放大器。形放大器。1. EE型放大電路的放大管和有源負(fù)載管均采用增強(qiáng)型型放大