模擬電子技術(shù)：第六章 模擬集成電路

1、6 模擬集成電路6.1 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6.4 集成電路運算放大器6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應 用電路的影響6.2 差分式放大電路引 言 把整個電路中的元器件制作在一個硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，成為集成電路，分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路。1、電路在一個芯片上，元件參數(shù)偏差小，方向一致，溫度均一性好。2、電路用半導體來代替，阻值在幾十到幾十千歐姆，精度低，高阻值用電流源來代替或者外接。3、幾十皮法的電容用PN結(jié)電工來代替，大電容要外接。4、二極管用三極管來代替。5、芯片面積小，集成度高，電流小，功耗小。6、一般采用直接耦合方式。6

2、.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.1.1 BJT電流源電路6.1.2 FET電流源1. 鏡像電流源2. 微電流源3. 高輸出阻抗電流源4. 組合電流源1. MOSFET鏡像電流源2. MOSFET多路電流源3. JFET電流源6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同 即12，ICEO1ICEO2 當BJT的較大時，基極電流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符號6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源動態(tài)電阻 一般ro在幾百千歐以上6.1.1 BJT電流源電路2. 微電流源由于很小，所以IC2也很小。rorce2（1 ） （參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻

3、）A1和A3分別是T1和T3的相對結(jié)面積 動態(tài)輸出電阻ro遠比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路3. 高輸出阻抗電流源6.1.1 BJT電流源電路4. 組合電流源T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準電流IREFT1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流源6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時（=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流 6.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當=0時，輸出電流為 常用的鏡像電流源 6.1.2 FET電流源2. M

4、OSFET多路電流源6.1.2 FET電流源3. JFET電流源end(a) 電路 (b) 輸出特性 6.2 差分式放大電路6.2.1 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6.2.3 源極耦合差分式放大電路6.2.1 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6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中差模信號產(chǎn)生的輸出共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念根據(jù)有 共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分 差模信號相當于兩個輸入端信號

5、中不同的部分 兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理靜態(tài)動態(tài)僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。1. 電路組成及工作原理2. 抑制零點漂移原理 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的， 其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。 這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。 2. 抑制零點漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強抑制

6、作用3. 主要指標計算（1）差模情況接入負載時以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力 雙入、雙出3. 主要指標計算（1）差模情況 雙入、單出接入負載時3. 主要指標計算（1）差模情況 單端輸入等效于雙端輸入 指標計算與雙端輸入相同。3. 主要指標計算（2）共模情況 雙端輸出 共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益 單端輸出抑制零漂能力增強3. 主要指標計算（2）共模情況（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強單端輸出時的總輸出電壓（4）頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。例(4)當輸出接一個12k負載時的差模電壓增益.解：求:(1)靜態(tài)(2)電壓增

7、益(3)差分電路的共模增益共模輸入電壓不計共模輸出電壓時(4)4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路靜態(tài) IE6 IREFIO IE54. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模電壓增益（負載開路） 則 單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益 4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路差模輸入電阻 Rid2rbe輸出電阻4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro56.2.3 源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路1. CMOS差分式放大電路雙端輸出差模電壓增益而:所以：6.2.3 源極耦合差分式放大電路1.

8、CMOS差分式放大電路單端輸出差模電壓增益vo2(id4-id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） (ro2/ ro4) gm(ro2 / ro4 )與雙端輸出相同end6.3 差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線end6.4 集成電路運算放大器6.4.1 集成電路運算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成運算放大器741集成電路

9、運算放大器內(nèi)部框圖集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小BJTLM741特點：單片高性能內(nèi)補償，較寬的共模和差模電壓范圍，具有短路保護及失調(diào)電壓調(diào)到零的能力。1 82 73 64 5OA1IN-1N+V-NCV+OUTOA2-23374156.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理2. 電路技術(shù)指標的分析計算(1)直流分析已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。(2)小信號分析設 gm1 = gm2 = gm 則2. 電路技術(shù)指標的分析計算輸入級電壓增益 (2)小信號分析2. 電路技術(shù)指標的分析計算總電壓增益

10、 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二級電壓增益 將參數(shù)代入計算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）6.4.2 集成運算放大器741原理電路 6.4.2 集成運算放大器741簡化電路end6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應用電路的影響6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)6.5.2 集成運放應用中的實際問題6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓VIO 在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（

11、110）mV。超低失調(diào)運放為（120）V。高精度運放OP-117 VIO=4V。MOSFET達20 mV。2. 輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT為10 nA1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3. 輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為1 nA0.1A。 4. 溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO / T6.5.1 實際集成

12、運放的主要參數(shù)差模特性1. 開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW 開環(huán)差模電壓增益AvO開環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬 BWG (fT)741型運放AvO的頻率響應 6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)差模特性2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運放rid1012超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA一般運放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3. 最大差模輸入電壓Vidmax6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric 一般通用型運放KCMR為（8012

13、0）dB，高精度運放可達140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達 13V。6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性1. 轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即 若信號為viVimsin2ft ，則運放的SR必須滿足SR2fmaxVom6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性2. 全功率帶寬BWP 指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即 SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR

14、在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/s。電源特性1. 電源電壓抑制比KSVR 衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響 2. 靜態(tài)功耗PV 6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)1. 集成運放的選用 根據(jù)技術(shù)要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。 6.5.2 集成運放應用中的實際問題2. 失調(diào)

15、電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差 6.5.2 集成運放應用中的實際問題輸入為零時的等效電路解得誤差電壓當 時，可以消除偏置電流 引起的誤差，此時當電路為積分運算時，即 換成電容C，則時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態(tài)。引起的誤差仍存在end3. 調(diào)零補償6.5.2 集成運放應用中的實際問題（a）調(diào)零電路 （b）反相端加入補償電路2.1 集成電路運算放大器2 運算放大器2.2 理想運算放大器2.3 基本線性運放電路2.4 同相輸入和反相輸入放大電 路的其他應用補充第六章2.1 集成電路運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1 集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)

16、構(gòu)框圖2.1 集成電路運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.2 運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號 （b）國內(nèi)外常用符號2. 運算放大器的電路模型圖2.1.3 運算放大器的電路模型通常： 開環(huán)電壓增益 Avo的105 （很高） 輸入電阻 ri 106 （很大） 輸出電阻 ro 100 （很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)系2. 運算放大器的電路模型當Avo(vPvN) V 時 vO V 當Avo(vPvN) V-時 vO V-電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率end2.2 理想運

17、算放大器1. vo的飽和極限值等于運放的電源電壓V和V 2. 運放的開環(huán)電壓增益很高 若（vPvN）0 則 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 則 vO= Vom=V 3. 若V vO R3時，（1）試證明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（1）根據(jù)虛斷有 Ii =0所以 I2 = Is = Vs / R1 例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1R2150k，R31k，輸入信號電壓Vs100mV時，通過毫伏表的最大電流Im(max)？ 又根據(jù)虛短有 Vp = Vn =0R2和R3相當于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im )所以當R2 R3時，Vs( R3R1/R2 ) Im

18、（2）代入數(shù)據(jù)計算即可end2.4 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用2.4.1 求差電路2.4.2 儀用放大器2.4.3 求和電路2.4.4 積分電路和微分電路2.4.1 求差電路 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。當則若繼續(xù)有則 根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的KCL得：2.4.1 求差電路從放大器角度看時，增益為（該電路也稱為差分電路或減法電路）2.4.1 求差電路一種高輸入電阻的差分電路2.4.2 儀用放大器2.4.3 求和電路 根據(jù)虛短、虛斷和N點的KCL得：若則有（該電路也稱為加法電路）2.4.4 積分電路和微分電路1. 積分電路式中，負號表示vO與vI在相位上是相反

19、的。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得因此電容器被充電，其充電電流為設電容器C的初始電壓為零，則（積分運算）2.4.4 積分電路和微分電路當vI為階躍電壓時，有vO與 t 成線性關(guān)系1. 積分電路2.4.4 積分電路和微分電路2. 微分電路end6.6 變跨導式模擬乘法器6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理6.6.2 模擬乘法器的應用6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導二象限乘法器與差分式放大電路的差別（a）原理電路 （b）同相（或反相）乘法器代表符號電流源iEE受輸入電壓vY的控制6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導二象限乘法器單入雙出方式即又所以6.6.1

20、 變跨導式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導二象限乘法器 對于T3、T4構(gòu)成的鏡像電流源，當vY VBE時所以其中（乘法運算）而由vY 控制跨導gm變化，所以稱為變跨導乘法器6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理1. 變跨導二象限乘法器電路的最后輸 缺點： 精度差 vY必須大于0V，只能實現(xiàn)兩個象限的乘法運算乘法器的符號 6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理2.雙平衡四象限乘法器其中（乘法運算）信號大時增加非線性補償電路1. 運算電路6.6.2 運放模擬乘法器的應用（1）乘方 1. 運算電路6.6.2 運放模擬乘法器的應用（2）除法 只有當vX2為正極性時，才能保證運算放大器是處于負反饋工

21、作狀態(tài)，而vX1則可正可負，故屬二象限除法器。 利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有1. 運算電路6.6.2 放模擬乘法器的應用（3）開平方 利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有vi必須為負值時，電路才能正常工作。 2. 壓控放大器6.6.2 放模擬乘法器的應用 乘法器的一個輸入端加一直流控制電壓VC，另一輸入端加一信號電壓vs時，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當Vc為可調(diào)電壓時，就得到可控增益放大器。 調(diào)制和解調(diào)在通信、廣播、電視和遙控等領域中得到廣泛的應用。利用模擬乘法器的功能很容易實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的功能。3. 調(diào)制解調(diào)（略）end6.7 放大電路中的噪聲與干擾6.7.1 放大電路中

22、的噪聲6.7.2 放大電路中的干擾6.7.1 放大電路中的噪聲1. 噪聲的種類及性質(zhì)（1）電阻的熱噪聲 由電子無規(guī)則熱運動而產(chǎn)生隨時間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。（2）三極管的噪聲 熱噪聲 由于載流子不規(guī)則的熱運動通過BJT內(nèi)三個區(qū)的體電阻及相應的引線電阻時而產(chǎn)生。其中rbb所產(chǎn)生的噪聲是主要的。FET主要是溝道電阻的熱噪聲。 散粒噪聲 由于通過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個瞬時都不相同，因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個無規(guī)則的波動，產(chǎn)生散粒噪聲。 閃礫噪聲 這種噪聲與頻率成反比，故又稱為1/f 噪聲或低頻噪聲。 JFET的噪聲主要來源于溝道電阻熱噪聲，MOSFET的1/f 噪聲較嚴

23、重，因而低頻時MOSFET比JFET的噪聲大。一般而言，F(xiàn)ET的噪聲比BJT小。此外。電阻元件中碳膜電阻的1/f 噪聲最大，繞線電阻的1/f 噪聲最小。集成運放的噪聲，是由組成運放內(nèi)部電路的元器件產(chǎn)生的噪聲源以及內(nèi)部電路連接的噪聲源累計的結(jié)果。一般是通過實驗方法進行測量。6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數(shù)定義其中 AP 為功率增益 放大電路不僅把輸入端的噪聲進行放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸出端的信噪比必然小于輸入端信噪比。 當NF用分貝（dB）表示時6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數(shù)因為當滿足 Ri=Ro 時，NF可表示為另一種形式： 一個無噪聲放大電路的噪聲系數(shù)是0dB，一個低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)應小于3dB。6.7.1 放大電路中的噪聲3. 減小噪聲的措施選低噪聲集成運放，如OP-27，AD745等；采用濾波處理或引入負反饋以抑制噪聲；轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，借助軟件方法，對數(shù)據(jù)進行處理以減小噪聲的影響。6.7.2 放大電路中的干擾1. 雜散電磁場干擾和