模擬電子技術(shù) 第6章 模擬集成電路

第六章模擬集成電路6.1模擬集成電路的直流偏置技術(shù)6.2差分式放大電路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(yīng)用電路的影響6.6變跨式模擬乘法器6.7放大電路中的噪聲與干擾集成電路:IntegratedCircuits按功能分,有數(shù)字集成電路和模擬集成電路

模擬集成電路種類繁多,有運算放大器、寬帶放大器、

功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源等等本章主要討論模擬集成電路把整個電路的元件制作在一塊硅片上具有特定功能的電子電路6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)在集成電路中制造三端器件比制造電阻容易,所以常用BJT或MOS的可變電阻區(qū)制造恒流源1、鏡像電流源6.1.1BJT電流源電路(2)代表符號(3)輸出特性:可用范圍擊穿由圖知:輸出特性的電流在一定范圍內(nèi)是恒定的其斜率的倒數(shù)為動態(tài)輸出電阻，即:1、MOSFET鏡像電流源6.1.2FET電流源基本MOSFET鏡像電流源鏡像電流源電路的擴展2、MOSFET多路電流源可用范圍6.2差分式放大電路差分式放大電路在性能上有許多優(yōu)點6.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)輸入端I1、I2分別接輸入信號電壓vi1和vi21.用三端器件組成的差分式放大電路:兩個特性相同的三端器件(BJT或FET）T1、T2公共接點e處連接一電流源IO是模擬集成電路一個重要單元2、差模信號和共模信號的概念兩輸入電壓vi1、vi2之差對于線性放大電路來說，可借助疊加原理來求出總的輸出電壓，即：（1）靜態(tài)分析2、工作原理e點電位：ve

=-0.7V在差分式放大電路中，無論是溫度變化，還是電源電壓的波動都會引起兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓相同的變化兩輸出端輸出的共模電壓相同，即：其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號共模輸入信號被抑制∴差分放大電路可以用來抑制溫度等外界因素的變化對電路性能的影響。差分式放大電路對共模信號有很強的抑制能力，可以改善整個電路的性能?！嗖罘质椒糯箅娐烦Ｓ脕碜鳛槎嗉壷苯玉詈戏糯笃鞯妮斎爰墸?）差模電壓增益3、主要技術(shù)指標的計算A：雙端輸入-雙端輸出的差模電壓增益+vi1-從兩管C極雙端輸出,未接RL時,差模電壓增益與單管共射電路的電壓增益相同:雙端輸入-雙端輸出的差模電壓增益:雙端輸入-單端輸出的差模電壓增益:C:單端輸入的差模電壓增益單端輸入（不對稱輸入）:單端輸入時的交流通路ro為實際電流源的動態(tài)輸出電阻認為ro支路相當(dāng)于開路∴輸入信號電壓vid近似地均分在兩管的輸入回路上與上圖射極耦合差放電路比較,兩電路中作用于be結(jié)上的信號分量基本上是一致的∴單端輸入時的電路的工作狀態(tài)與雙端輸入近似一致其阻值很大有:ro>>rero足夠大,雙端輸出時的差模電壓增益:單端輸出時的差模電壓增益:其他指標也與雙端輸入電路相同（2）共模電壓增益A:雙端輸出的共模電壓增益兩管的電流同時增加或同時減小即對每一BJT而言,相當(dāng)于發(fā)射結(jié)接了2ro電阻可以得其交流通道和共模輸入半邊小信號等效電路:單端輸出的共模電壓增益表示兩個集電極任一端對地的共模輸出電壓與共模信號電壓之比，可得:B:單端輸出的共模電壓增益C:輸入、輸出電阻：1、差模輸入電阻和輸出電阻2、共模輸入電阻和輸出電阻雙端輸入、雙端輸出的差分放大電路，因兩邊電路對稱，因而可用單邊共射極電路來分析(4)頻率響應(yīng)∴差分式放大電路有兩種輸入方式和兩種輸出方式，組合后便有四種典型電路:見課本P270表6.2.1由于存在密勒效應(yīng)，其高頻響應(yīng)與共射極放大電路相同。但因差分式放大電路采用直接耦合方式，因此它具有極好的低頻響應(yīng)。(1)電路組成４、帶有源負載的射極耦合差分式放大電路①②此時:++--差模信號的半邊電路T4,T2的小信號等效電路:(3)電壓增益:用8只增強型MOS管和正、負電源組成6.2.3源極耦合差分式放大電路在高輸入阻抗模擬集成電路中,常采用輸入電阻高、輸入偏置電流很小的源極耦合差分式放大電路。1、CMOS差分式放大電路（1）工作原理畫出上圖的交流通道:畫出差模輸入T2,T4節(jié)點小信號等效電路:2、JFET差分式放大電路6.3差分式放大電路的傳輸特性QVT2VT4VT-4VT-2VT-VTQVT2VT4VT-4VT-2VT-VT）6.4集成電路運算放大器集成電路運算放大器是一種高性能的多級直接耦合放大器由差分輸入級、電壓放大級和帶負載能力強的輸出級組成6.4.1CMOSMC14573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①②（2）小信號分析6.4.2BJTLM741集成運算放大器1、偏置電路2、輸入級3、中間電壓放大級4、輸入級6.5實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響6.5.1實際集成運放的主要參數(shù)差模特性:

是指差模輸入作用下的特性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:集成運放工作在線性區(qū)，在標稱電源電壓接規(guī)定的負載，無負反饋情況下的直流差模電壓增益。電源特性6.5.2集成運放應(yīng)用中的實際問題實際集成運放:6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器模擬集成乘法器是實現(xiàn)兩個模擬量相乘的非線性電子器件,模擬信號的變換與處理,已成為模擬集成電路的重要分支之一。實現(xiàn)模擬量的相乘方法很多，其中變跨導(dǎo)相乘的方法是以差分式電路為基礎(chǔ)，它的電路性能好，又便于集成化。6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理變跨導(dǎo)二象限乘法器:同相(或反相)乘法器符號:雙平衡四象限乘法器:6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用1、運算電路乘方運算電路:四象限乘法器可實現(xiàn)任意次冪運算:除法運算電路開平方電路2、壓控放大器（VCR）3、調(diào)制和解調(diào)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:電子無規(guī)則熱運動而產(chǎn)生的隨時間變化的電壓阻值為R的電阻未接入電路時,在頻帶寬度B內(nèi)所產(chǎn)生熱噪聲電壓均方根值:改寫為功率或電壓形式:由（1）式可的功率密度:由（3）式可得熱聲電壓密度:（2）三極管的噪聲①熱噪聲②散粒噪聲③閃礫噪聲2、放大電路的噪聲指標——噪聲系數(shù)3、減小噪聲的措施引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個無規(guī)則的波動,產(chǎn)生散粒噪聲利用噪聲系數(shù)NF來衡量噪聲的大小,它的定義是:6.7.2放大電路中的干擾1、雜散電磁場干擾和抑制措施（1）合理布局（2）屏蔽2、由直流電源電壓波動引起的干擾和抑制3、由交流電源串入的干擾和抑制4、由接地點安排不正確而引起的干擾和正確接地（1）多級放大電路的接地（2）電子設(shè)備共同端的正確連接6.7.3低噪聲放大電路舉例1、電路結(jié)構(gòu)2、低噪聲分析該電路為帶電流源的共源-共基串接差分式放大電路并將輸入電流iI變換為輸出電壓vo6.8SPICE仿真例題解:(1)設(shè)置靜態(tài)工作點分析,得(2)設(shè)置小信號輸入的動態(tài)分析,得(3)設(shè)置交流掃描分析,得放大電路幅頻和相頻響應(yīng)的波特圖,帶寬約為105kHZ解：為簡便起見，N溝道增強型MOSFET選用MbreakN模型，P溝道增強型MOSFET選用MbreakP模型，本征導(dǎo)電因子就是模型參數(shù)Kp，按題目要求設(shè)置模型參數(shù)如下：第7章反饋放大電路例：7.1.1試判斷7.1.2所示各電器中是否存在反饋解:a所示電路中,輸出與輸入回路間不存在反饋網(wǎng)絡(luò),因而該電路中不存在反饋,為開環(huán)狀態(tài)。b所示電路中，運放A構(gòu)成基本放大電路，電阻和構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，因而該電路中存在反饋。C為共集電極放大電路，由它的交流通路（即將電容視為對交流短路，電源+VCC視為交流的“地”）可知，發(fā)射極電阻和負載電阻即在輸入回路中，又在輸出回路中，它們構(gòu)成了反饋通路，因而該電路中也存在著反饋。d為兩級放大電路，其中每一級都有一條反饋通路，第一級為電壓跟隨器，它的輸出端與反相輸入端之間由導(dǎo)線連接，形成反饋通路，第二級為反相比例運算電路，它的輸出端與反相輸入端之間由電阻R5構(gòu)成反饋通路。此外，從第二級的輸出到第一級的輸入也有一條反饋通路，由R2構(gòu)成。通常，稱每級各自存在的反饋為局部（或本級）反饋，稱跨級的反饋為級間反饋。例:7.1.2試判斷7.1.3所示電路中,哪些元件引入了級間直流反饋?

哪些元件引入了級間交流反饋?解:圖a,b分別是圖7.1.3所示電路的直流通路和交流通路.顯然,電阻和組成的反饋通路引入的是級間直流反饋,而電阻既能引入級間直流反饋,又能引入級間交流反饋.例:7.1.3試判斷7.1.5所示各電路中級間直流反饋的極性

例:7.1.3試判斷7.1.5所示各電路中級間直流反饋的極性

例:7.1.4試判斷7.1.2d和圖7.1.5b所示各電路中級間直流反饋是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋?

例:7.1.5試判斷圖7.1.8所示各電路中的交流反饋是電壓反饋還是電流反饋?

例:7.2.1試判斷7.2.5所示各電路中級間直流反饋的類型.

7.3負反饋放大電路增益的一般表達式

例:7.3.1已知某電壓串聯(lián)負反饋放大電路在中頻區(qū)的反饋系數(shù)

解:方法一:由式可求得該電路的閉環(huán)電壓增益為反饋電壓為凈輸入電壓為由式推出如下關(guān)系式:整理得:由此例可知,在深度反饋條件下,反饋信號與輸入信號的大小相差甚微,凈輸入信號則遠小于輸入信號.7.4.1提高增益的穩(wěn)定性

例:7.4.1設(shè)某放大電路A=1000,由于環(huán)境溫度的變化,使增益下降為900,引入負反饋后,反饋系數(shù)F=0.099，求閉環(huán)增益的相對變化量。

解：無反饋時，增益的相對變化量為

反饋深度為

7.4.3抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲

7.4.4對輸入電阻和輸出電阻的影響

(1)串聯(lián)負反饋對輸入電阻的影響

(2)并聯(lián)負反饋對輸入電阻的影響

2、對輸出電阻的影響

(1)電壓負反饋對輸出電阻的影響

(2)電流負反饋對輸出電阻的影響

7.5深度負反饋條件下的近似計算

例7.5.1設(shè)圖7.5.1所示電路滿足(1+AF)>>1的條件,試寫出該電路的閉環(huán)電壓增益表達式解:電路是一個多級放大電路,按負反饋組態(tài)判別方法可知，Rb2和Rf組成反饋網(wǎng)絡(luò)。在放大電路的輸出回路，反饋網(wǎng)絡(luò)接至信號輸出端，用輸出短路法判斷是電壓反饋；在放大電路的輸入回路，反饋信號加到非信號輸入端（T2基級），是串聯(lián)反饋；用瞬時極性法可判斷該電路為負反饋。由于是串聯(lián)反饋，又是深度電壓負反饋，利用

例7.5.2設(shè)寫出圖7.5.2所示電路的閉環(huán)電壓增益表達式例7.5.3某射極偏置電路的交流通路如圖7.5.3所示,試近似計算它的電壓增益例7.5.4某電路的交流通路如圖7.5.4所示,試近似計算它的電流增益,并定性地分析它的輸入電阻.所以電流增益為

例7.5.5圖7.5.5所示的某反饋放大電路的交流通路.電路的輸出端通過電阻與電路的輸入端相連,形成大環(huán)反饋。（1）試判斷

電路中大環(huán)反饋的組態(tài)；（2）判斷T2和T3之間所引反饋的極性；（3）求大環(huán)反饋的閉環(huán)增益的近似表達式；（4）定性分析該電路的輸入電阻和輸出電阻。

解（1）判斷大環(huán)反饋的組態(tài)：首先用瞬時極性法判斷該反饋的極性。設(shè)電流

的流向如圖中箭頭所示，則由此引起的電路中各支路

電流的流向亦如圖中箭頭所示，而各節(jié)點電位的極性如圖中（+）（-）號所示，由此可知，由

引入的大環(huán)反饋為負反饋，因為它

它凈輸入電流

比沒有該反饋時減小了。由

在該電路輸出端、輸入端的連接方式知，該反饋為電壓并聯(lián)負反饋。

例7.6.1用集成運放設(shè)計一個負反饋放大電路,它的輸入信號來自一個內(nèi)阻

解：(1)

選擇反饋類型。因為所用信號源是內(nèi)阻的電壓源，為減小放大電路對信號源的負載效應(yīng)，待設(shè)計的反饋放大電路必須有很高的輸入電阻，因