模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（微課版 ）課件 第六章 差分電路

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（華中科技大學(xué)）鄧天平羅杰第一章緒論 第二章集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 第四章雙極結(jié)型三極管及基本放大電路 第五章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及放大電路 第六章模擬集成電路

第七章反饋放大電路 第八章信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路 第九章功率放大器電路 第十章直流穩(wěn)壓電源6模擬集成電路6.1引言6.2差分式放大電路6.3電流源電路及其應(yīng)用6.4典型的集成運(yùn)算放大器6.5集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)6.6單電源供電的集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路6.7模擬乘法器6.1引言6.1.1模擬集成電路的特點(diǎn)6.1.2集成運(yùn)算放大器組成6.1.3直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移

集成電路分類集成電路按其功能分?jǐn)?shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。6.1.1模擬集成電路的特點(diǎn)（2） 為了克服直接耦合電路的溫度漂移，常采用差分放大電路。（3） 在芯片上制作三極管比較方便，盡量采用BJT管或MOS管代替電阻、電容和二極管等元件。（4）單個(gè)元器件的精度不易控制，但在同一硅片上用相同工藝制造出來(lái)的元器件性能比較一致，對(duì)稱性好，相鄰元器件的溫度差別小，因而同一類元器件的溫度特性也基本一致。（1） 電阻和電容的值不宜做得太大，電路結(jié)構(gòu)上采用直接耦合方式?；谥圃旃に?，模擬集成電路有以下特點(diǎn)：6.1.2集成運(yùn)算放大器組成輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。利用電路參數(shù)的對(duì)稱性抑制零點(diǎn)漂移和干擾信號(hào)，以便提高整個(gè)電路的性能。中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。6.1.3直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生零漂的主要原因：溫漂指標(biāo)：（1）溫度變化引起，也稱溫漂（2）電源電壓波動(dòng)溫度每升高1oC，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。零點(diǎn)漂移（簡(jiǎn)稱零漂）：當(dāng)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出端仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生，即輸出電壓偏離原來(lái)的起始點(diǎn)而上下波動(dòng)。6.1.3直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象例6.1.1

有兩個(gè)直接耦合的放大電路A和B，假設(shè)A的電壓增益為1000，B的電壓增益為200，它們?cè)谙嗤沫h(huán)境溫度下工作，其輸出端的零漂均為1V，試問(wèn)哪個(gè)電路的零漂會(huì)更嚴(yán)重？解：因?yàn)閮蓚€(gè)電路工作的環(huán)境溫度相同，所以只需要將輸出漂移電壓折合到輸入端，等效輸入漂移電壓大的電路，其零漂的影響會(huì)更嚴(yán)重。對(duì)于放大電路A，有對(duì)于放大電路B，有可見(jiàn)，在相同的環(huán)境溫度下工作時(shí)，放大電路B的零漂會(huì)更嚴(yán)重。6.2差分式放大電路6.2.1差分式放大電路的組成6.2.2差分式放大電路的輸入和輸出方式6.2.3差模信號(hào)和共模信號(hào)6.2.4差分放大電路的靜態(tài)分析6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.6具有電流源的差分放大電路6.2.7差分放大電路的傳輸特性6.2.8恒流源差分放大電路的Multisim仿真6.2.1基本差分式放大電路的組成雙端輸出雙端輸入6.2.2差分式放大電路的輸入和輸出方式雙端輸出雙端輸出雙端輸入雙端輸入單端輸出單端輸出單端輸入單端輸入6.2.3差模信號(hào)和共模信號(hào)差分式放大電路輸入輸出結(jié)構(gòu)示意圖差模信號(hào)共模信號(hào)差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中——差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出——共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)6.2.3差模信號(hào)和共模信號(hào)根據(jù)有

共模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中相同的部分差模信號(hào)相當(dāng)于兩個(gè)輸入端信號(hào)中不同的部分共模信號(hào)大小相等，相位相同；差模信號(hào)大小相等，相位相反。用vid、vic表示vi1和vi2

6.2.3差模信號(hào)和共模信號(hào)共模信號(hào)大小相等，相位相同；差模信號(hào)大小相等，相位相反。用vid、vic表示vi1和vi2

6.2.4差分放大電路的靜態(tài)分析列輸入回路的電壓方程，有6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析1．差模輸入與差模特性6.2.4差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析（1）差模電壓增益Avd6.2.4差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析（2）差模輸入電阻Rid（3）輸出電阻Ro雙端輸出時(shí)，單端輸出時(shí)，6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析2．共模輸入與共模特性6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析雙端輸出時(shí)，單端輸出時(shí)，6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析（3）共模抑制比KCMR為了提高KCMR，選用的Re阻值要大；在實(shí)際電路中，常采用直流電阻小、交流電阻大的電流源來(lái)代替Re。雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析3．單端輸入特性其電路如右圖6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.5差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析6.2.6具有電流源的差分放大電路6.2.6具有電流源的差分放大電路電路的靜態(tài)工作點(diǎn)6.2.6具有電流源的差分放大電路6.2.6具有電流源的差分放大電路6.2.7BJT差分式放大電路的傳輸特性vid=vBE1-

vBE2根據(jù)可得傳輸特性曲線

iC1，iC2＝f（vid）6.2.7BJT差分式放大電路的傳輸特性6.3電流源電路及其應(yīng)用6.3.1電流源電路6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路6.3.1電流源電路負(fù)載Rc的值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，IC2的電流值將保持不變，反映出IC2的恒流特性。T1、T2的參數(shù)全同1.基本鏡像電流源電路6.3.1電流源電路1.基本鏡像電流源電路動(dòng)態(tài)電阻一般ro在幾百千歐以上6.1.2BJT電流源電路其他形式1.鏡像電流源6.3.1電流源電路2.改進(jìn)型鏡像電流源電路6.3.1電流源電路由于很小，所以IC2也很小。ro≈rce2（1＋）

3.微電流源6.3.1電流源電路6.3.1電流源電路6.3.1BJT電流源電路T1、R1和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)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4.組合電流源*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路靜態(tài)IE6

IREFIO

＝IE5差模電壓增益（負(fù)載開(kāi)路）則單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路差模輸入電阻Rid＝2rbe輸出電阻*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路共模輸入電阻*6.3.2以電流源作為有源負(fù)載的放大電路6.4典型的集成運(yùn)放6.4.1BJT型LM741集成運(yùn)算放大器6.4.2CMOSMC14573型集成運(yùn)放6.4.1BJT型LM741集成運(yùn)算放大器原理電路6.4.1BJT型LM741集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)化電路6.4.2CMOSMC14573型集成運(yùn)放1.電路結(jié)構(gòu)和工作原理引腳排列頂視圖6.5集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)6.5.1輸入直流誤差特性6.5.2差模特性6.5.3共模特性6.5.4大信號(hào)特性

6.5.5電源特性6.5.1輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1.輸入失調(diào)電壓VIO

輸入電壓為零時(shí)，為了使輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓。一般約為±（1～10）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（1～20）

V。高精度運(yùn)放OP-117VIO=4V。MOSFET達(dá)20mV。2.輸入偏置電流IIB

集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值IIB＝（IBN＋I(xiàn)BP）/2BJT為10nA～1

A；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級(jí)。6.5.1輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3.輸入失調(diào)電流IIO

輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO＝|IBP－IBN|。一般約為1nA～0.1

A。

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/

T6.5.2差模特性1.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo開(kāi)環(huán)帶寬BW

(fH)單位增益帶寬

BWG(fT)6.5.2差模特性2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

BJT輸入級(jí)的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放rid＞1012Ω超高輸入電阻運(yùn)放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般運(yùn)放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.最大差模輸入電壓Vidmax集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端之間所能承受的最大電壓。6.5.3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(yùn)放KCMR為（80～120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric≥100MΩ。2.最大共模輸入電壓Vicmax

運(yùn)放作為電壓跟隨器時(shí)，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(yùn)放可達(dá)±

13V。6.5.4大信號(hào)動(dòng)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(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即 若信號(hào)為vi＝Vimsin2

ft

，則運(yùn)放的SR必須滿足

SR≥2πfmaxVom6.5.4大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性2.全功率帶寬BWP

運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率，即SR和BWP是大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的重要指標(biāo)一般通用型運(yùn)放SR在1V/

s以下，741的SR=0.5V/

s高速運(yùn)放要求SR>30V/

s以上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的SR>3500V/

s。6.5.5電源特性1.電源電壓抑制比KSVR

衡量電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響2.靜態(tài)功耗PV

1.電源電壓范圍3.最大輸出電流IOmax

2.最大耗散功耗PCO

極限參數(shù)6.6單電源供電的集成運(yùn)放應(yīng)用電路6.6.1單電源反相放大電路6.6.2單電源同相放大電路6.6.3單電源放大電路的MultiSim仿真6.6.1單電源反相放大電路6.6.1單電源反相放大電路6.6.2單電源同相放大電路6.6.2單電源同相放大電路6.6.3單電源放大電路的MultiSim仿真6.6.3單電源放大電路的MultiSim仿真6.7模擬乘法器6.7.1模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用*6.7.2變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理6.7.1模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用6.7.1模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用1．乘方運(yùn)算電路6.7.1模擬乘法器在運(yùn)算電路中的應(yīng)用

只有當(dāng)vX2為正極性時(shí)，才能保證運(yùn)算放大器是處于負(fù)反饋工作狀態(tài)，而vX1