1,6 模擬集成電路,Fundamental of Electronic Technology,CTGU,2,要求,*了解運算放大器中的電流源 *掌握差分放大電路的分析和計算 *了解集成電路運算放大器的組成,3,集成電路: 將整個電路的各個元件以及他們之間的連接做在同一個半導體基片上。,集成電路的優點：,工作穩定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。,集成電路的分類：,模擬集成電路、數字集成電路；,小、中、大、超大規模集成電路；, ,集成運放的特點,4,集成電路的工藝特點： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現需要對稱結構的電路。 （2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。 （4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。不能制造電感，如需電感，也只能外接。 （5）電路中二極管作溫度補償和電位移動，一般用三極管發射結構成。,5,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術, 鏡像電流源, 多路電流源, 電流源作有源負載, 微電流源,在模擬集成電路中廣泛使用各種電流源，為各種放大電路提供穩定的偏置電流，或作有源負載。,6,1、三極管基本電流源,(a) (b) 圖06.01 三極管電流源,分壓式偏置電路對工作點具有穩定作用，也就是對IO有穩定作用，IO大小與RC無關，具有恒流特性，呈現一種電流源性質。,電流源的內阻越大恒流特性越好。 理想電流源的內阻無窮大。,7,2. 鏡像電流源,該電路具有恒流特性：,在圖示鏡像電流源電路中，T1和T2參數相同，且很大。,無論Rc的值如何， IC2的電流值將保持不變。,8,2. 鏡像電流源,交流電阻,由于T2的集電極電流基本不變。所以交流量,一般Ro在幾百千歐以上,9,2. 鏡像電流源,在鏡像電流源電路中，當不是很大時， IC2與IREF就存在一定的差別。為彌補這一不足，在電路中接入三極管T3。,鏡像電流源適用于較大的工作電流的場合（毫安數量級）,問題：精度有限，誤差與2IB （或）大小數值有關。,10,精密鏡象電流源,精密鏡象電流源電路如圖06.03所示。,由于有T3存在，IB3將比鏡象電流源的2IB小3倍（ IB3 2IB/ 3） 。因此IC2和IREF更加接近。精度提高了 倍,圖06.03 精密電流源1,11,3. 微電流源,在鏡像電流源的T2管射極加一小電阻值的Re2就構成了微電流源。,由于T1、T2兩管的VBE差值很小，因此只要一個較小阻值的Re2就可獲得很小的電流IC2輸出。,12,4. 多路電流源（比例電流源）,用一個基準電流來獲得多個電流。,由圖可得：,當較大時，有,各管的、VBE相同，則有：,故,當IREF確定后，改變各電流源射極電阻，就可獲得不同比例的輸出電流。,13,5. 電流源作有源負載,共射電路的電壓增益為：,對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，,因此增益為,比用電阻Rc作負載時提高了。,放大管,14,6.2 差分式放大電路, 直接耦合放大電路, 零點漂移, 電路組成及工作原理, 抑制零點漂移原理,6.2.0 概述,6.2.1 基本差分式放大電路,6.2.2 FET差分式放大電路,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性, 差分式放大電路中的一般概念, 主要指標計算, 幾種方式指標比較,15,6.2.0 概述,1. 直接耦合放大電路,可以放大直流信號,2.直接耦合放大電路的零點漂移,零漂：,主要原因：,溫漂指標：,溫度變化引起，也稱溫漂。,溫度每升高1度時，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。,電源電壓波動也是原因之一,16,例如,若第一級漂了100 uV，,則輸出漂移 1 V。,若第二級也漂了100 uV，,則輸出漂移 10 mV。,假設,第一級是關鍵,3. 減小零漂的措施,用非線性元件進行溫度補償,采用差分式放大電路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,17,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標,4. 差分式放大電路中的一般概念,根據1、2兩式又有,差分式放大電路輸入輸出結構示意圖,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,差模信號輸出,共模信號輸出,2019/7/17,圖06.09共模信號和差模信號示意圖,差模信號和共模信號,差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對共模信號不予放大。,溫度對三極管電流的影響相當于加入了共模 信號。,差模信號 共模信號,是指在兩個 輸入端加上幅度 相等，極性相反 的信號。,是指在兩個 輸入端加上幅度 相等，極性相同 的信號。,2019/7/17,6.2 差分放大電路,1、 問題的提出：緩慢變化的信號（例如：溫度變化）如何放大？交流放大器行嗎？為什么？,解決的辦法：直接耦合直流放大器。,新問題出現：“零點飄移”Q點的緩慢移動。,解決的辦法：差分放大器。 特點：對稱結構，相同的參數，Q點的變化相同，互相抵消。,基本差分放大器。 問題：兩邊的漂移并不小，依賴對稱互相抵消。大范圍抵消難達到。,容抗問題！,20,帶公共電阻Re的差分放大器。,思想：由分壓式偏置電路。引入公共Re穩定工作點，減小飄移量，Q點變化范圍小，容易互相抵消。,帶恒流源的差分放大器。,分析：Re對差動信號的放大有什么影響？,無影響！,問題：要穩定Q點，Re必須大，Re大則要求-Vee高，管子要求也高，有時不現實。怎么辦？,恒流源電流數值： IE =(VZ - VBE3 )/ Re 為定值，Ic1 = Ic2 = IE /2電流被固定。,21,圖06.10雙電源差分放大電路,3、差分放大電路的靜態計算,(動畫6-1),（1）直流等效電路,（2）Q點計算,22,圖06.11雙端輸入雙端輸出,(1)差模電壓放大倍數Avd,雙端輸入差放電路如圖06.11所示。負載電阻接在兩集電極之間。vi 接在兩輸入端之間，也可看成 vi /2各接在兩輸入端與地之間。,雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數,23,雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數,這種方式適用于將 差分信號轉換為單端輸出 的信號。,雙端輸入單端輸出因只利 用了一個集電極輸出的變化量， 所以它的差模電壓放大倍數是 雙端輸出的二分之一。,圖06.12雙端輸入單端輸出,24,單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數,單端輸入信號可以轉換為雙端輸入，其轉換過程見圖06.13。右側的Rs+rbe歸算到發射極回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 對 Ie 分流極小，可忽略，于是有,這種方式用于將單 端信號轉換成雙端差分 信號, 可用于輸出負載 不接地的情況。,圖06.13 單端輸入轉換為 雙端輸入,vi1 = vi2 = vi /2,25,單端輸入單端輸出,通過從 T1 或 T2 的集電極輸出，可以得到輸出與輸入之間或電位反相或電位同相的關系。從T1的基極輸入信號，從C1 輸出，為反相；從C2 輸出為同相。,26,(2)差模輸入電阻,不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。,(3)輸出電阻,輸出電阻在 單端輸出時， 雙端輸出時，,27,5、共模狀態動態計算,若輸入信號極性，幅度都相同, 則是純共模信號。,溫漂信號屬典型的共模信號，它對差分放大電路中Ic1和Ic2的影響相同。,若極性相同，幅度不等，則信號既包含共模、又包含差模分量，如圖06.14所示。,28,計算共模放大倍數Avc的微變等效電路，如圖 06.15 所示。其中Re用2Re等效，這與差模時不同。 Avc的大小，取決于差分電路的對稱性，雙端輸出 時可以認為等于零。,(1) 共模放大倍數Avc,圖06.15 共模微變等效電路,29,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標。 單端輸出時為,，或,雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比,(動畫6-2),30,4. 幾種方式指標比較,31,4. 幾種方式指標比較,32,與共源電路相同,6.2.2 FET差分式放大電路,1. 電路組成,2. 差模增益,3. 差模輸入電阻,圖6.2.10,33,？,思 考 題,差分式放大電路如圖所示。分析下列輸入和輸出的相位關系：,反相,vC1與vi1,end,同相,vC2與vi1,同相,vC1與vi2,反相,vC2與vi2,反相,vO與vi1,同相,vO與vi2,3. 靜態時，兩個輸入端是否有靜態偏置電流？,34,6.3 運 算 放 大 器,運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。,35,6.3.1方框圖,集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖所示。,圖 06.16 運算放大器方框圖,36,6.3.2運算放大器的符號,(1)集成放大器的符號 按照國家標準符號如圖06.17所示。,(a) (b) 圖06.17 模擬集成放大器的符號 (a) 國家標準符號 (b)原符號,輸入+表示同相輸入端,輸入-表示反相輸入端,37,6.4.2 通用型集成電路運算放大器,38,1.輸入級使用高性能的差分放大電路，對共模信號有很強的抑制力，采用雙端輸入雙端輸出的形式。,4.偏置電流源可提供穩定的幾乎不隨溫度而 變化的偏置電流，以穩定工作點。,3.互補輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極 管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電 壓或電流。具體電路參閱功率放大器。,2.中間放大級提供高的電壓增益，以保證 運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電 路和帶有源負載的高增益放大器。,39,6.3.4 運算放大器的主要參數,運放的技術指標很多，根據運放本身的特點可分成： （1）參數均比較適中的是通用型運放； （2）對某些指標有特殊要求的特種運放。,40,1.輸入失調電壓Vio ：(input offset voltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。,2.輸入失調電流 Iio ：(input offset current)在 零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之 差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。,3.輸入偏置電流IB ：(input bias current)運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分 放大對管輸入電流的大小。,4.輸入失調電壓溫漂 dVio /dT,5.輸入失調電流溫漂dIio /dT,41,8.開環差模電壓放大倍數 Avd ：(open loop voltage gain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。,9.差模輸入電阻rid ：(input resistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。,10.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益 Avd 與共模電壓增益 Avc 之比，常用分貝數來表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB),42,12.單位增益帶寬 f c (BWG)(unit gain band width) Avd 下降到1時所對應的頻率，定義為單位增益帶寬 f c 。,11.3dB帶寬 f H ： (-3dB band width) 運算 放大器的差模電壓放大倍數在高頻段下降3dB 所定義的帶寬 f H 。,13.轉換速率S R (壓擺率)(slew rate)反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉換速率SR的表達式為。,14.等效輸入噪聲電壓Vn(noise voltage)輸入端短路時，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數值。這一數值往往與一定的頻帶相對應。,43,運算放大器外形圖,44,運算放大器外形圖,45,6.3.5 理想運算放大器,（1）.差模電壓放大倍數Avd=，實際上Avd80dB即可。,1、理想運算放大器的條件,（2）.差模輸入電阻Rid=，實際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個量級即可。,（3）.輸出電阻Ro=0，實際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個量級即可。,（4）.帶寬足夠寬。,（5）.共模抑制比足夠大。,46,理想運放具有“虛短”和“虛斷”特性，這對分析線性