北京交通大學(xué)模擬電子技術(shù)

雙極型模擬集成電路電流模電路功率輸出級電路集成運算放大電路電流模電路概述鏡像電流源概述電流模電路以電流作為參量來處理模擬信號的電路電流模技術(shù)以電流作為參量來分析、設(shè)計電路的一種方法。1.電流源電路是一個電流負反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，以減小溫度對電流的影響。2.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，這對直接耦合放大器是十分重要的。3.用電流源做有源負載，可獲得增益高、動態(tài)范圍大的特性4.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。鏡像電流源電路T1T2RIrIoEc基本恒流源Ib1Ic1Ib2Ic2由于兩管特性相同，基射相同由電路可得：若>>1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雙集電極橫向PNP管組成。有兩個集電極且面積相等RIrIb1Ic1Ic2Ec工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡象(電流相等）

在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。因兩三極管基極對地電位相等，于是有:鏡像電流源比例電流源Io在集成電路中，常用改變T1、T2的發(fā)射極面積之比來實現(xiàn)比例電流源的。不需另外制作電阻。Se1、Se2分別為T1、T2管發(fā)射極的面積。鏡像電流源微電流源通過接入R2電阻得到一個比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源（A級），適用微功耗的集成電路中。IoUbe1=Ube2+Ie2ReIe2Re=Ube1-U

be2Io≈Ie2=(Ube1-U

be2)/R2=Ube/R2由PN結(jié)電流方程可知：Ube1=UTln(Ie1/Ies1)Ube2=UTln(Ie2/Ies2)ln(Ir/Io)=IoR2/UT一般Ies1=Ies2由Ir=(Ec-Ube1)/R,而Io=Ube/R2,所以Io<<Ir且Io比Ir的穩(wěn)定性要好。鏡像電流源威爾遜電流源傳輸精度高Ir=Ic1+Ib3=Ic1+Ic3/3Ic1=Ic2三只管子的特性一致即值相同基本電流源鏡像電流源多路恒流源通過一個基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點電流，即可構(gòu)成多路電流源，一個基準(zhǔn)電流Ir可獲得多個恒定電流Io1、Io2。功率輸出級概述甲類功率輸出級乙類功率輸出級甲乙類功率輸出級概述功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得大的輸出功率，必須使

輸出信號電壓大；

輸出信號電流大；

放大電路的輸出電阻與負載匹配。電壓放大器與功率放大器的區(qū)別：1.任務(wù)不同：電壓放大—不失真地提高輸入信號的幅度，以驅(qū)動后面的功率放大級，通常工作在小信號狀態(tài)。功率放大—信號不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率，通常工作在大信號狀態(tài)。2.分析方法：電壓放大—采用微變等效電路法和圖解法功率放大—圖解法概述實例—典型的收音機電路變頻低放中放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW電源供給的功率：PDC=EcIc=120mW轉(zhuǎn)換效率：電源供給的能量大多數(shù)以管耗的形式消耗掉，通常功放電路中的工作管必須加散熱片。概述功率放大電路中的一些特殊問題1.要求盡可能大的輸出功率。管子工作在極限的工作狀態(tài)。2.效率=負載得到的有用信號功率Po電源供給的直流功率PDC3.非線性失真要小。在大信號狀態(tài)工作必然引起失真的問題，這就存在增大輸出功率和失真嚴重的矛盾，這就要求在電路結(jié)構(gòu)上進行改進，盡可能大的提高輸出功率，減小非線性失真。4.半導(dǎo)體三極管散熱的問題常見功放的靜態(tài)工作狀態(tài)甲類乙類甲乙類甲類功率輸出級T1—射極跟隨輸出。T2—恒流源偏置電路，提供一個固定的偏流，有源負載。

雙電源供電使靜態(tài)工作時Uo=0。靜態(tài)：1.由恒流源提供一個穩(wěn)定的ICQ。2.IBQ=ICQ/3.UCEQ=Ec射極跟隨甲類輸出級的結(jié)構(gòu)T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR2甲類功率輸出級射極跟隨甲類輸出級的工作原理設(shè)輸入Ui為一正弦信號當(dāng)Ui>0時，T1導(dǎo)通，輸出電壓Uo的最大峰值為：Uom=Ec-Uces1≈Ec輸出電壓的有效值為：T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR2當(dāng)Ui<0時，T1截止，輸出電壓Uo的最大峰值為：Uom=-Ec+Uces2+IcQR2≈-Ec輸出電壓的有效值為：Uces1(2Ec-Uces2-IcQR2)甲類功率輸出級射極跟隨甲類輸出級的工作原理輸出功率Po:直流電源提供的功率PDC:轉(zhuǎn)換效率：（最高）效率低原因：靜態(tài)電流造成的管耗較大，如果將Q下移，使信號等于零時，電源的輸出等于零或很小，信號增大時，電源供給的功率增大，這樣便可解決效率低的問題。集電極最大功耗：乙類功率輸出級電路組成由一對NPN、PNP特性相同的互補三極管組成。這種電路也稱為OCL互補功率放大電路。電路工作原理當(dāng)Ui=0即靜態(tài)時，Uo=0。當(dāng)Ui處于正半周時，T1導(dǎo)通，T2截止,流過RL的電流為ie1。ie1ie2當(dāng)Ui處于負半周時，T1截止，T2導(dǎo)通,流過RL的電流為ie2。由于管子的對稱性，ie1=ie2，在負載上獲得完整的正弦波形。乙類功率輸出級電路工作原理當(dāng)輸入信號處于正半周時，且幅度遠大于三極管的開啟電壓，此時NPN型三極管導(dǎo)電。有電流通過負載RL，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。

當(dāng)輸入信號為負半周時，且幅度遠大于三極管的開啟電壓，此時PNP型三極管導(dǎo)電。有電流通過負載RL，按圖中方向由下到上，與假設(shè)正方向相反。于是兩個三極管一個正半周，一個負半周輪流導(dǎo)電，在負載上將正半周和負半周合成在一起，得到一個完整的不失真波形。ie1ie2ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQQ乙類功黎率輸出才級功率分角析1.姜交流輸跑出功率Po輸入信虧號處于遼正半周享時，輸鉤出電壓售的峰值Uom=Ec-Uces1≈Ec輸入信號堂處于負半嘗周時，輸轉(zhuǎn)出電壓的祥峰值Uom=-Ec-Uces級2≈-Ec2.電郊源提供的畜直流功率PDC每管工作對半周的平順均電流為含：乙類功芬率輸出串級功率分林析2.管電源提塊供的直章流功率PDC3.效齊率4.料集電極潑的最大規(guī)功耗Pcmax可推得：甲類功放乙類功櫻放例：Po=1W甲類：Pcma黎x=4W么→大功率采管→必須加濫散熱片→體積剃增大乙類：Pcmax=0.2黃W—中功童率管0.1W以下—小博功率管乙類功綿率輸出遭級存在問題當(dāng)輸入信撈號Ui在0~Ube之間變化屑時，不足萌以克服死枯區(qū)電壓，德三極管不屢導(dǎo)通電。豪因此在正合、負半周趁交替過零警處會出現(xiàn)爹一些非線性怪失真，這個失雞真稱為交越失真。集成運故算放大竿器集成運賺放組成集成運邀放的主乞要參數(shù)集成運放現(xiàn)的組成集成運似算放大偵器是一臭個高增督益直接蟲耦合多睛級放大揮電路。差動放鼓大輸入級U-U+中間放傳大級互補輸出慮級恒流偏允置電路差動輸搶入級有豪兩個輸健入U+、U-，當(dāng)信號恥從U-輸入，輸閱出Uo與U-極性相答反，稱U-反相輸桐入端；當(dāng)信號夸從U+輸入，奴輸出Uo與U+極性相同于，稱U+同相輸蘿入端。增益級一般高隊增益共喬射電路低阻功率歸輸出級，提高負載臨能力。提供穩(wěn)定江合適的偏括流一般由恒裂流源組成Uo集成運緣瑞放的主貞要參數(shù)大體可拆分為三咳大類：歐傳輸參筋數(shù)、誤姿差參數(shù)戚和響應(yīng)戰(zhàn)參數(shù)傳輸參場數(shù)1.差模電壓凍增益Aud運放在無論外加反饋描條件下，篩輸出電壓Uo與輸入植電壓Uid的變化量劑之比。即Aud=Uo/Uid.-UidIid+I+Uori2.輸宣入電阻Rid運放兩個車差分輸入則端之間的矮等效動態(tài)辱電阻稱差租模輸入電仗阻或稱輸收入電阻。Rid=Uid/Iid3.輸寺出電阻Ro運放開環(huán)放工作時的輸出端對培地的電阻稱輸出絞電阻。主要參數(shù)傳輸參伙數(shù)4.共畜模輸入轎電阻Ric運放每個奸輸入端對友地之間的送等效動態(tài)狀電阻。5.共模膽抑制比C股MRRCMRR莊=∣AUd/AUc∣6.頻帶助寬度（-木3dB帶洗寬）運放開環(huán)奸增益下降有到直流增泰益的0.烤707倍休時所對應(yīng)風(fēng)的截止頻幕率，用f0表示，也爛可用頻帶派寬度來表肯示稱-3縣dB帶寬襪，用BW碎或F3dB表示。7.差模能輸入電壓雜范圍Udm運放輸替入端之煤間能承謊受的最棄大差模纖輸入電柳壓。8.共模睡輸入電壓享范圍Ucm超過此秘電壓，號CMR配R將下弓降，甚崖至使放很大器不聽能正常云工作主要參貞數(shù)失調(diào)誤識差參數(shù)1.輸入失誰調(diào)電壓Uos由運放差容放管Ube不相等引旋起的，定慘義為：Uos=Ube1-Ube2。2.輸換入偏置電掠流Ib流入到兩駝輸入端的單靜態(tài)基極識電流的平域均值。3.輸入刷失調(diào)電流Ios:—由兩管值不同引肺起的4.輸歷入失調(diào)電忍壓的溫度請漂移dUos/dt指輸入失鎮(zhèn)調(diào)電壓隨悉溫度變化怎的平均變秤化率。5.緊輸入失咐調(diào)電流切的溫度腎漂移dIos/dt指輸入莫失調(diào)電嫂流隨溫姑度變化冠的平均艇變化率崖。主要參慌數(shù)輸出響應(yīng)清參數(shù)1.筆額定輸愿出電壓UoM在標(biāo)稱電佛源電壓和忌額定電流幣輸出情況膚下，為保哄證輸出不窯出現(xiàn)明顯秩失真，運帽放可提供飄的最大輸誰出電壓。2.額蝦定輸出電山流IoM在UoM作用下疲，運放幻玉可提供小的最大村輸出電葡流。3.剪轉(zhuǎn)換速革率SR烘(又稱失擺率）指運放在啦額定輸出肺電壓時，延輸出電壓緣瑞的最大變傅化速率。SR=UP-P/tUP-P—輸出電循壓的峰—檢峰值。+-UiUoUiUot1t2SR1=UP-P/t1—上升擺鹿率SR2=UP-P/t2—下降手擺率SR值越極大，頻率特詞性越好MOS模以擬集成電通路MOS模踢擬集成單引元電路MOS集村成運算放檢大器MOS乒模擬集匪成單元額電路MOS電馬流源MOS拉有源負違載MOS市單級放視大器N1N2MOS叨電流源MOS電流鏡UDD由兩個幾沉何尺寸相悄同的MO拒S管組成IRIoIGId1基準(zhǔn)管輸出管N1管的漏電診流:N2管的漏艇電流:∵IG=0∴Id1=IRId2=IOIO=IRN1N2UDDIRIoIGId1MOS貸電流源MOS電流鏡N1--基準(zhǔn)消管固定基數(shù)準(zhǔn)電流IRN2--輸專出管輸出電鹽流IOIO=IR理想電流淘源:內(nèi)阻Ri=∞而N2的輸出唱電阻rds2為有限備值該電流敵源不是饅理想電頑流源其輸出殺電流只嫌是一個史近似恒引定值，栗即存在籮一個誤災(zāi)差項,誤差越小擦，電流源活越接近理犁想電流源包。誤差項MOS掠電流源威爾遜電流源N2N3N1IoIRUOro減小誤坑差項,擊提高精歪度即誤差靠大為減巖小MOS慶電流源幾何比電流源N1NRIRI01N2I02NR、N1、N2的幾何尺旁寸不同設(shè)三個管瓣子的溝長諒比分別為戴：SNR，SN1，SN2仿前面電慎流鏡推導(dǎo)幼，可得：由于輸出巨電流與管偷子的幾何企尺寸成比港例，改變分溝長比，究可得到與IR成任何抄比例關(guān)令系的電僚流源。由式可看侵出：MOS管有源酒負載有源負載躁：用于代傳替高阻紀(jì)值電阻踢的電流獵源常用的譽有源負筒載：單管增筍強型單管耗為盡型電流鏡儉電路注：在大規(guī)模滋電路中，傘襯底一般匠不與源極弦相接，因錫此必須考被慮襯底對纏電路的影皮響，即所庭謂的襯稠柏效應(yīng)襯底的撈跨導(dǎo)：管子的跨漏導(dǎo)：跨導(dǎo)比：處理方法令：畫交流等役效電路時歷，襯底B敬接交流地GDSB單管增弱強型有緊源負載MOS管有源譯負載UDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbs由圖可知號：rO=UOIO=UOgdsUO+gmUgsgmbUbs+而Ugs=Ubs=UOrO=1gds+gmgmb+IO用D與S披間的動態(tài)利電阻代替大電爸阻畫交流脂通路DG紀(jì)B均挎接交流介地減小gmb單管增強得型有源負豬載MOS管有源負量載GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1gds+gmgmb+rO≈1gmgmb+1gm)(1隊+=gmb=gmgdsgm和gmb<<適量減小gmro增大單管耗滑盡型有點源負載MOS管有源野負載GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIO耗盡型勝：Ugs=0ID=Idss做有源負樸載時G與S短特接用D與S盛間的動態(tài)隨電阻代替大舌電阻畫交流叔通路DB摔均接交葉流地G與S相接由圖可缸知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmbUbs而Ubs=UOrO=1gdsgmb+單管耗怕盡型有倚源負載MOS管有源胡負載GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIOrO=1gdsgmb+如gds<<gmbrO=1gmb耗盡型齒MOS岸管有源環(huán)負載的耀電阻比斗增強型核的要高gmb<gmN2N3N1IoIRUOro威爾遜電流源有源負載MOS管有源怠負載N3為N2的有源可負載管薦，相當(dāng)艘于N2的源極串返聯(lián)了一個伐電流負反旅饋元件，特以穩(wěn)定輸叢出電流，琴使ro增高。D1G2S1S3gds1gm1Ugs1gm2Ugs2Ugs2Ugs3UoUds2IoG1G3S2D3Uds31/gds3rds21/gm3威爾遜電流源有源負區(qū)載MOS管有源挨負載IoD1G2S1S3gds1gm1Ugs1gm2Ugs2Ugs2Ugs3UoUds2G1G3S2D3Uds31/gds3rds21/gm3Uds1由圖可列視出方程Uds1=-gmUgs1rds1rO=UOIOUo=Uds2+Uds3Ugs2=Uds1-Uds3Uds3=Ugs3=Ugs1=Iogm3+gds3Uds1=-gmUgs1rds1Uo=Uds2+Uds3Ugs2=Uds1-Uds3Uds3=Ugs3=Ugs1=Iogm3+gds3威爾遜電流源有源負載MOS管有源鬼負載gm>>gmb>>gdsgm1=gm2=gm3rdsgm>>11/gm較小ro≈gm1rds1rds2=AU1rds2AU1>>1威爾遜電流源做有源負載你可得到高葡阻抗常用的電路形式MOS單極放大豬器E/E鹿型NM攤OS單的極放大迫器E/D揚型NM卻OS單扯極放大率器CMOS度單極放大州器推挽式竭CMO脂S單極如放大器MOS單極放大拖器E/E型受NMOS伏單極放大鴿器N2N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1RL2放大管及叢有源負載害均為增強型株NMO著S管E/E型集便由此得賽名電壓增益MOS單極放躍大器E/E型礙NMOS臺單極放大寺器通常rds1>>RL2當(dāng)兩管K’、ID相等時其中MOS單極放孤大器E/E型長NMOS葵單極放大踢器Sn1Sn2—溝長比如忽略列襯稠效換應(yīng)即2<<1結(jié)論：1.電壓增咳益主要悅有管子顧尺寸決由定，增加溝長郊比及減小，增益鑄將增高播。2.由于不能冬無限增加掏溝長比，熊該放大器杠的增益低，約5~10顫倍。MOS單極放大銳器E/E雕型NM塌OS單姥極放大拘器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1輸入電儀阻：N1的柵源凈絕緣電擠阻，很幼高，一蜘般可達1010。輸出電阻由：gds1,gds2<<gm2,gmb2MOS單極放苦大器E/E鳴型NM股OS單盞極放大顫器電壓增益輸入電阻很高，一橡般可達1010。輸出電使阻2<<1勝時N2MOS單極放邁大器E/D型嫁NMOS湊單極放大區(qū)器N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1放大管凈為增強糖型NM爺OS管負載管糾為耗盡墓型（稱做D管）E/D挨型便由捏此得名電壓增芒益RL2MOS單極放晶大器E/D型金NMOS章單極放大嬌器通常rds1>>RL2與E/貸E型比滴較通常2<<12≈0.腔1由此可帝見：AUD比AUE大一個桐數(shù)量級菌，約為廢幾十倍障。是主苦要的N村MOS估放大器雨。MOS單極放大符器E/E么型NM防OS單蒸極放大骨器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1輸入電阻創(chuàng)：N1的柵源勸絕緣電碎阻，很耗高，一栽般可達1010。輸出電阻桂：gds1,gds2<<gmb2MOS單極放亭大器E/D型恭NMOS觸單極放大錄器電壓增杠益輸入電市阻很高，一木般可達1010。輸出電仔阻電壓增蒜益約為孔幾十倍尼，是主統(tǒng)要的N蓮MOS府放大器仍。MOS單極放婆大器CMO勵S有源漲負載放州大器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUiUOEGgm1Ugs1IOD1D2rds1rds2G1UO+-Ui+-roS1S2G2電壓增益MOS單極放比大器CMOS畫有源負載餐放大器電壓增烏益gds比gmb2、gm小1~透2個數(shù)蝕量級特點：1.增益高--幾百矩倍乃至上錄千倍；2.可在較吼低的電擁流下工椒作，有煎利于降切低功耗泛；輸入電習(xí)阻很高，蜜一般可描達1010。輸出電沈阻3.輸出電阻累比E/E僻型和E/腳D型高。MOS單極放大斥器CMOS撐互補放大劑器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUOgm1Ugs1D1D2rds1rds2G1G2UO+-Ui+-roS1S2UiId1Id2gm2Ugs2電壓增益由圖可游看出Ugs1=Ugs2=Ui如gm1=gm2=gmro=rds1//rds2MOS單極放塌大器CMOS夠互補放大富器電壓增益特點：1.增益高--是C梢MOS有林源負載放詠大器的2擔(dān)倍；2.輸出電阻河與CMO脊S有源負隸載放大器愧相同。輸出電阻存在問漫題：級聯(lián)存臺在電平超匹配困遙難，因拒此一般壞作輸出杏級。MOS集孝成運算放累大器CMO蹄S四運叔放電路芬(5G誓145朱73)BiMO漂S集成運怨算放大器MOS集白成運算放騾大器常用的MOS運放NMO待S運放側(cè)：優(yōu)點—速排度與集成而度高缺點—押電壓增部益比較拿低，電值路比較腹復(fù)雜。CMO攤S運放美：優(yōu)點—冒電壓增六益高，系電路比閃較簡單缺點—凝速度與列集成度蝕比NM母OS低規(guī)。電路結(jié)構(gòu)伏與雙極型奴運放相似CMOS缸四運放電灑路(5G超1457溪3)IP0MOS集成電路名有NMO勁S、PM集OS和C展MOS等仍工藝類型殲，MOS植集成電擁路中大黨量采用述有源負頓載代替亮實體電菌阻，常鑰用的有戚源負載音有：1.堅單管增敬強型有洞源負載場，它采盾用增強塞型MO撞S管組址成。等效交捕流電阻院為:ro=1/(gds+gm+gmb)式中g(shù)ds—漏源輸驅(qū)出電導(dǎo)；gm—管子南跨導(dǎo)；gmb——管觸子襯底椅跨導(dǎo)。通常gm>gmb>gds2.留單管指耗盡型寬有源負臨載，它隱采用耗直盡型M想OS管宮組成。等效交流膀電阻為：ro=1/(gds+gmb)小冠結(jié)小害結(jié)MOS耐集成電