模擬電路第五版第六章課件

6

模擬集成電路6.1

模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.2

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(yùn)算放大器6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)

BJT電流源電路

FET電流源1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCET1與T2參數(shù)完全相同T1對(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用IC2↑→IC1↑→R壓降↑→VBE↓→IC2↓1.鏡像電流源(mirrorcurrentsources

)

6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1iC22IB-VEEvCEIO與IREF相等，構(gòu)成鏡像關(guān)系，改變R值，可以獲得不同的IO，不受T2負(fù)載變動(dòng)的影響較小時(shí)，IB對(duì)IREF的分流作用影響鏡像對(duì)稱度。若需減小輸出電流，必要求R的值很大動(dòng)態(tài)輸出電阻2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路利用發(fā)射結(jié)電壓對(duì)集電極電流的影響作用。T2的射極電阻使其發(fā)射結(jié)電壓減小，從而減小其集電極電流IC2

+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB-VEE2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB例題：VCC=30V，現(xiàn)要求IC2

＝10μA。若采用鏡像電流源：2.微電流源(widlarcurrentsource)6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RRe2IREFIC1IC22IB選Re2

＝11.97kΩ，利用公式：若采用微電流源：代入數(shù)據(jù)，多路電流源(multipleoutputs)又稱比例電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T1RRe1IREFIC1IC1IBReT0IC2Re2T2T3Re3IC33.高輸出阻抗電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2RIREFIC1IC22IB-VEET3IC3威爾遜電流源電路利用電流負(fù)反饋原理來進(jìn)一步提高鏡像輸出電流的溫度穩(wěn)定性和增大動(dòng)態(tài)輸出電阻A1、A3為T1、T3得相對(duì)結(jié)面積當(dāng)溫度或負(fù)載變化使IO(IC2)增大時(shí)，IE2隨之增大，IC3及其鏡像電流IC1亦隨之增大，促使VC1(VB2)減小、IB2減小，IO減小，穩(wěn)定了IO4.組合電流源6.1.1BJT電流源電路+VCCT1T2R1IREFI2I3R3T3-VEET4T5I5I6R2T6電流源電流阱5.電流源作有源負(fù)載6.1.1BJT電流源電路IREFT2T3T1RvOvi+VCC可使電路在不提高電源電壓的條件下，獲得較高的電壓增益與較大的動(dòng)態(tài)范圍有源負(fù)載是模擬集成電路的重要特征。采用有源負(fù)載的運(yùn)放，有時(shí)中間只需兩級(jí)放大，就可以滿足高增益的要求。這樣，放大器級(jí)數(shù)減少，有利于提高多級(jí)放大器的穩(wěn)定性鏡像電流源作為T1的集電極負(fù)載1.MOSFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路+-+-+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSVDS2VDS1d1d2gRNMOSID2=IO1.MOSFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路+-+VDDT1T2IREF-VSSVGSID2=IOT3T1~T3特性相同，工作在放大區(qū)，=02.MOSFET多路電流源6.1.2FET電流源電路+-+VDDT1T2ID0=IREF-VSSVGS1ID2T0T3ID3T4ID4+-+-+-VGS2VGS3VGS4+-VGS1NMOSNMOS3.JFET鏡像電流源6.1.2FET電流源電路gID＝IO+-vDSds-VSSiDvDSIOvGS=0oV(BR)DS可用范圍ro=1/斜率6.2差分式放大電路

直流信號(hào)放大中存在的問題

基本電路

6.2.0

概述

6.2.1

差分式放大電路一般結(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差分式放大電路中的一般概念主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路

工作原理§

6.2.0概述(1)級(jí)間耦合不能采用阻容耦合方式(2)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移直流放大器直流信號(hào)放大中存在的問題tvo零漂現(xiàn)象：輸入vi=0時(shí)，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)，這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓。假設(shè)第一級(jí)是關(guān)鍵減小零漂的措施：用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用差動(dòng)放大電路。等效100uV漂移1V+++-Re1b1Rc1RT1ovviTV2CCRe2VCC§

6.2.0概述§

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a.差分放大電路一般有兩個(gè)輸入端：雙端輸入—從兩輸入端同時(shí)加信號(hào)單端輸入—僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加信號(hào)b.差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端：雙端輸出—從vO1

和vO2輸出單端輸出—從vO1或vO2對(duì)地輸出vi1R1T1R2vi2V+V-vO1vO2IOroT2O1O2I1I2+-+-e差模輸入電流共模輸入電流共模輸入電流差模(difference–mode)信號(hào)：大小相等相位相反的兩個(gè)信號(hào)：vid共模(common-mode)信號(hào)：大小相等相位相同的兩個(gè)信號(hào)：vic任意兩個(gè)信號(hào)總可以分解成差模與共模兩個(gè)分量：差模電壓增益共模電壓增益2.差模信號(hào)和共模信號(hào)的概念§

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1.基本電路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動(dòng)畫演示射極耦合（Emitter-coupled)方式§

6.2.2射極耦合差分式放大電路2.工作原理靜態(tài)分析：++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動(dòng)畫演示動(dòng)態(tài)分析：動(dòng)畫演示流過恒流源的電流不變，故BJT的射極電位不變；負(fù)載中點(diǎn)電位不變，以上各點(diǎn)對(duì)差模信號(hào)視為短路。（1）差模電壓放大倍數(shù)－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－§

6.2.2射極耦合差分式電路++_－－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRc－cV+i2v－vi1oidv2idv2－I0Eo2v++vo1動(dòng)畫演示3.主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算有負(fù)載時(shí)：無負(fù)載時(shí)：RL/2rbeRCrbeRCRL/2§

6.2.2射極耦合差分式電路－+－2+REidb2TvTi1idb－－1RRvcc+i22vRvvEv++o1ovo2－－（２）共模電壓放大倍數(shù)i2－v++_－－rRT+RbTCC1REEvOb2VRccV+vi1oicv2icv2I0Eo2v++vo1LR－－vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC§

6.2.2射極耦合差分式電路動(dòng)畫演示rbeRC2rorbeRC2ro§

6.2.2射極耦合差分式電路vvcic－b－1Ricci1T2RRRvvT+i2bR+LOr2Or2+－vOC衡量差分式放大電路抑制共模信號(hào)的能力。差分式放大電路雙端輸出時(shí)：KCMR為無窮大；單端輸出時(shí)：（３）共模抑制比§

6.2.2射極耦合差分式放大電路高頻響應(yīng)同共射極放大電路，由于采用了直接耦合，故低頻響應(yīng)很好。不同輸入輸出方式下的差分放大電路的性能比較，見p.270表。（４）頻率響應(yīng)§

6.2.1基本差分式放大電路§

6.2.1基本差分式放大電路(1)恒流源相當(dāng)于阻值很大的交流電阻，直流電阻并不大(2)恒流源不影響差模放大倍數(shù)(3)恒流源影響共模放大倍數(shù)，使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比，理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比是無窮大恒流源的作用§

6.2.2射極耦合差分式放大電路

單端輸入等效雙端輸入:

因?yàn)閞o＞＞從T2發(fā)射結(jié)電阻，故ro可視為開路，于是有vi1=－vi2=vid/2

計(jì)算同雙端輸入雙端輸出：?jiǎn)味溯斎搿㈦p端輸出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRcc動(dòng)畫演示§

6.2.2射極耦合差分式放大電路單端輸入、雙端輸出的方式rRT+RbT1Ob2－idviei1v+-i2v+-RRccvid/2vid/2vid/2幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－幾種方式指標(biāo)比較輸出方式雙出單出雙出單出++_－－－rT+RbTCC1REEvO2VRc－cV+i2v－vi1oidvIOEo2v++vo1+－－++_－－－rTRbTCC1REEO2VRccVvoidvIOEo2v++vo1+－－例1：＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'=300，VBEQ=0.6V求：靜態(tài)時(shí)IB1、IC1、VCE1；雙端輸出時(shí)Avd、Avc、KCMR、差模輸入輸出電阻ans：浮地入、浮地出的工作狀態(tài)。靜態(tài)時(shí)，兩只BJT的集電極電位相等，RL對(duì)靜態(tài)無影響；Re中電流為2IE，差模信號(hào)下，Re相當(dāng)于短路；差模交流負(fù)載為RL的一半vovi+12VRcRbRcRbRe–12Vvovi+12VRcRbRcRbRe–12V＝50，

Rb=20k，Rc=RL=Re=20k，rbb'

=300，VBEQ=0.6V例2：R1=R6=1k，R2=2k，RL=4k，R4=48k，R5=32k，

=100，rbb'=300，VBEQ=0.7V恒流源負(fù)載Ro3=1M分析電路的直流工作狀態(tài)；雙、單差模增益；單端共模抑制比；差模輸入輸出電阻分壓求VB3恒流源電流IC3差分管集電極電流IC1差分管VCE=VC-VE雙、單差模增益求算同前vi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2單出共模增益：負(fù)載對(duì)共模相當(dāng)于開路單端輸出共模抑制比加大Ro3，可以提高共模抑制比。為此用恒流源T3來代替Revi+12VR2R1R2R1R6–12VRLR5R4mAT1T3T2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式eRRe6Re5T6-VEE(-6V)T5IREFIC5=IOIE6IE5vid/2VCC(6V)iOT1T2iC1vO2iC3iC2iC4-vid/2T3T42N39062N3904511004.7kIC6vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2§

6.2.2射極耦合差分式放大電路4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式vid/2ioT1T2ic1=gmvid/2vo2ic3ic4-vid/2T3T4ic2=-gmvid/2e4e2c2rce4ic4=gmvid/2rce2vo2e4e2c2ic2=-gmvid/2ic4ic2+-§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路+-T7T8-VSS(-5V)VGS7iD2T1iD3T3iS3+-+-+-VGS8vGS1-VGS3NMOS+-T6VGS6+-T5-VGS5+-T2vGS2+-T4-VGS4iS5=IREFiS4NMOSPMOSvO1vO2iD1+VDD(+5V)iD6+-VDS5+-VDS6+-VDS7vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-iO雙入雙出§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路id2=-gmvid/2T1id3=id1T3+-T2vGS2T4vo2s3vs+-vi2=-vid/2vi1=vid/2+-s4d4d2id1=gmvid/2id4=id1=-gmvid/2ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-雙入單出§

6.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路ro4id4=gmvid/2ro2vo2s4s2d2id2=-gmvid/2+-雙入單出P.209P.208§

6.2.3源極耦合差分式放大電路2.JFET差分式放大電路vi1+VDD+15VRd1Rg1Rd2T1T2Rg2-VSS-12VvO2vi2T3IOVs+-vGS1+-vGS2vO1Rd1Rd2Rg1Rg2特點(diǎn)：輸入電阻高、輸入偏置電流小§

6.3差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性描述電路的輸出量隨輸入量變化的函數(shù)關(guān)系。由此了解差放電路在大信號(hào)輸入和小信號(hào)輸入時(shí)的輸出量的變化。定性分析：2VT-2VT4VT6VT-4VT-6VTvidiC/I00.10.30.50.70.9線性過渡限幅定量分析請(qǐng)參閱有關(guān)參考書動(dòng)畫演示6.4集成電路運(yùn)算放大器

6.4.1

CMOSMC14573運(yùn)算放大器

6.4.2

BJTLM741集成運(yùn)算放大器§

6.4集成電路運(yùn)算放大器uuu電壓放大級(jí)輸出級(jí)偏置電路vo+差分輸入級(jí)vid－§

6.4.1CMOSMC14573運(yùn)算放大器-VSS(-5V)NMOS+VDD(+5V)vO+-vO2iOT1T3T6T5T2T4T8T7-+vidIREFID6PMOSPMOSPMOSID8Ccs1s2g1g2d1d2RREF輸入級(jí)偏置電流源源極耦合差分放大輸入級(jí)共源放大輸出級(jí)§

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器ABAB分析：1.偏置電路：

T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。

T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。

T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置?！?/p>

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器2.輸入級(jí)：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能?！?/p>

6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器3.中間級(jí)：

T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。

T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時(shí)不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過大時(shí)不致燒壞。4.輸出級(jí)：5.相位分析：用“瞬時(shí)極性法”判定，3號(hào)腿為同相端；2號(hào)腿為反相端?！?/p>

6.4.2BJTLM741集成運(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)用電路的影響

6.5.1

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)際問題§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。輸入直流誤差特性、差模特性、共模特性、大信號(hào)特性、電源特性VOIBNIBPIBNIBP

2.輸入偏置電流IIB

輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小?！?/p>

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)3.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)4.溫度漂移輸入失調(diào)電壓溫漂

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。輸入失調(diào)電流溫漂在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值?！?/p>

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)

5.開環(huán)差模電壓增益

AVO和帶寬BW

：

無反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Avo在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)開環(huán)帶寬BW(

fH)

：

運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所對(duì)應(yīng)的帶寬fH

。fHf/Hz20lgAVO/dB02040608010102103104105106fT100-10-20

dB

/十倍頻程106dB§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)單位增益帶寬BWG(f

T)：AVO=1時(shí)的頻率。

6.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

：

雙極型管輸入級(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。

ro

=幾-幾十。7.最大差模輸入電壓Vidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí)，差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象?！?/p>

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)9.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。通用型運(yùn)放在(80~120)dB8.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)§

6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)10.轉(zhuǎn)換速率SR

閉環(huán)狀態(tài)時(shí)：反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。通常要求運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率大于信號(hào)變化斜率的絕對(duì)值。11.全功率帶寬BWP電源電壓抑制比KSVR、靜態(tài)功耗PV§

6.5.1集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)AVO、rid、BW、SR、KCMR視為無窮大；VIO、ro、IIO、IIB及溫漂視為零；理想運(yùn)放

infinite-gainopamp.6.5.2