1、,6 模擬集成電路,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術,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和對應用電路 的影響,6.2 差分式放大電路,6.6 變跨導式模擬乘法器,6.7 放大器中的噪聲和干擾,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術,6.1.1 BJT電流源電路,6.1.2 FET電流源,1. 鏡像電流源,2. 微電流源,3. 高輸出阻抗電流源,4. 組合電流源,1. MOSFET鏡像電流源,2. MOSFET多路電流源,3. JFET電流源,6.1.1 BJT電流源電路,1. 鏡像電流源,T1、T2的參數全同,即12，ICEO1

2、ICEO2,當BJT的較大時，基極電流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符號,6.1.1 BJT電流源電路,1. 鏡像電流源,動態電阻,一般ro在幾百千歐以上,6.1.1 BJT電流源電路,2. 微電流源,所以IC2也很小。,rorce2（1 ）,（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）,A1和A3分別是T1和T3的相對結面積,動態輸出電阻ro遠比微電流源的動態輸出電阻為高,6.1.1 BJT電流源電路,3. 高輸出阻抗電流源,6.1.1 BJT電流源電路,4. 組合電流源,T1、R1 和T4支路產生基準電流IREF,T1和T2、T4和T5構成鏡像電流源,T1和T3，T4和T6構成了微電流

3、源,6.1.2 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,當器件具有不同的寬長比時,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本鏡像電路流,6.1.2 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區，當=0時，輸出電流為,常用的鏡像電流源,6.1.2 FET電流源,2. MOSFET多路電流源,6.1.2 FET電流源,3. JFET電流源,end,(a) 電路 (b) 輸出特性,6.2 差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結構,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,6.2.1 差分式放大電路的一般結構

4、,1. 用三端器件組成的差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結構,2. 有關概念,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,共模信號產生的輸出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標,6.2.1 差分式放大電路的一般結構,2. 有關概念,根據,有,共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分 差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分,兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,靜態,動態,僅輸入差模信號，,大小相等，相位相反

5、。,大小相等，,信號被放大。,相位相反。,1. 電路組成及工作原理,2. 抑制零點漂移原理,溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產生變化。且變化趨勢是相同的，,其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。,這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。,2. 抑制零點漂移原理,差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用,3. 主要指標計算,（1）差模情況,接入負載時, 雙入、雙出,3. 主要指標計算,（1）差模情況, 雙入、單出,接入負載時,3. 主要指標計算,（1）差模情況, 單端輸入,等效于雙端輸入,指標計算與雙端輸入相同。,3. 主

6、要指標計算,（2）共模情況, 雙端輸出,共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。,所以,共模增益, 單端輸出,抑制零漂能力增強,3. 主要指標計算,（2）共模情況,（3）共模抑制比,雙端輸出，理想情況,單端輸出,抑制零漂能力,越強,單端輸出時的總輸出電壓,（4）頻率響應,高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。,例,(4)當輸出接一個12k負載時的差模電壓增益。,解：,求:,(1)靜態,(2)電壓增益,(3),差分電路的共模增益,共模輸入電壓,不計共模輸出電壓時,(4),4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,靜態,IE6 IREF,IO IE5,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大

7、電路,差模電壓增益 （負載開路）,則,單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,差模輸入電阻 Rid2rbe,輸出電阻,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,共模輸入電阻 Ric1/2(rbe2(1)ro5),6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,雙端輸出差模電壓增益,而:,所以：,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,單端輸出差模電壓增益,vo2(id4-id2)(ro2| ro4),gm vid（ro2 | ro4）,(r

8、o2| ro4), gm(ro2 | ro4 ),與雙端輸出相同,end, gm(rds2 | rds4 ),6.3 差分式放大電路的傳輸特性,根據,iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線,end,6.4 集成電路運算放大器,6.4.1 CMOS MC14573集成電路運算放大器,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器,1.

9、 電路結構和工作原理,2. 電路技術指標的分析計算,(1)直流分析,已知VT 和KP5 ，可求出IREF,根據各管子的寬長比 ，可求出其他支路電流。,(2)小信號分析,設 gm1 = gm2 = gm,則,2. 電路技術指標的分析計算,輸入級電壓增益,(2)小信號分析,2. 電路技術指標的分析計算,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,原理電路,簡化電路,end,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,6.5 實際集成運算放大器的主要參數和對應用電路的影響,6.5.1 實際集成運放的主要參數,6.5.2 集成運放應用中的實際問題,6.5.1 實際集成運放的主要參數,輸入直流誤差特性（

10、輸入失調特性）,1. 輸入失調電壓VIO,在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓VIO。一般約為（110）mV。超低失調運放為（120）V。高精度運放OP-117 VIO=4V。MOSFET達20 mV。,2. 輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態電流的平均值,IIB（IBNIBP）/2,BJT為10 nA1A；MOSFET運放IIB在pA數量級。,6.5.1 實際集成運放的主要參數,輸入直流誤差特性（輸入失調特性）,3. 輸入失調電流IIO,輸入失調電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的

11、靜態基極電流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 一般約為1 nA0.1A。,4. 溫度漂移,（1）輸入失調電壓溫漂VIO / T,（2）輸入失調電流溫漂IIO / T,6.5.1 實際集成運放的主要參數,差模特性,1. 開環差模電壓增益Avo和帶寬BW,開環差模電壓增益Avo,開環帶寬BW (fH),單位增益帶寬 BWG (fT),741型運放AvO的頻率響應,6.5.1 實際集成運放的主要參數,差模特性,2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro,BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數兆歐 MOSFET為輸入級的運放rid1012 超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA 一般

12、運放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模輸入電壓Vidmax,6.5.1 實際集成運放的主要參數,共模特性,1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric,一般通用型運放KCMR為（80120）dB，高精度運放可達140dB，ric100M。,2. 最大共模輸入電壓Vicmax,一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達 13V。,6.5.1 實際集成運放的主要參數,大信號動態特性,1. 轉換速率SR,放大電路在閉環狀態下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即,若信號為viVimsin2ft

13、 ，則運放的SR必須滿足SR2fmaxVom,6.5.1 實際集成運放的主要參數,大信號動態特性,2. 全功率帶寬BWP,指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即,SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/s。,電源特性,1. 電源電壓抑制比KSVR,衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響,2. 靜態功耗PV,6.5.1 實際集成運放的主要參數,1. 集成運放的選用,根據技術要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為

14、通用型器件的各項參數比較均衡，做到技術性與經濟性的統一。至于專用型運放，雖然某項技術參數很突出，但其他參數則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成運放應用中的實際問題,2. 失調電壓VIO、失調電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差,6.5.2 集成運放應用中的實際問題,輸入為零時的等效電路,解得誤差電壓,當 時，可以 消除偏置電流 引起的 誤差，此時,當電路為積分運算時，,即 換成電容C，則,時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態。,引起的誤差仍存在,end,3. 調零補償,6.5.2 集成運放應用中的實際問題,（a）調零電路

15、 （b）反相端加入補償電路,6.6 變跨導式模擬乘法器,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,6.6.2 放模擬乘法器的應用,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導二象限乘法器,與差分式放大電路的差別：,（a）原理電路 （b）同相（或反相）乘法器代表符號,電流源iEE受輸入電壓vY的控制,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導二象限乘法器,單入雙出方式,即,又,所以,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導二象限乘法器,對于T3、T4構成的鏡像電流源，當vY VBE時,所以,其中,（乘法運算）,而,由vY 控制跨導gm變化，所以稱為變跨導乘法器

16、,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導二象限乘法器,電路的最后輸,缺點：,精度差,vY必須大于0V，只能實現兩個象限的乘法運算,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,T1、T2和T3、T4為兩個并聯的差分式電路， T5、T6為壓控電流源電路。,由于,所以,而 iC1iC2iC5 ，iC4iC3iC6,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,同理,又 i1,3iC1iC3，i2,4iC2iC4,6.6.1 變跨導式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,最后可得,當vX 2VT、vY 2VT時,其中,（乘法運算）,信號

17、大時增加非線性補償電路,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應用,乘方,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應用,除法,只有當vX2為正極性時，才能保證運算放大器是處于負反饋工作狀態，而vX1則可正可負，故屬二象限除法器。,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應用,開平方,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,vi必須為負值時，電路才能正常工作。,2. 壓控放大器,6.6.2 放模擬乘法器的應用,乘法器的一個輸入端加一直流控制電壓VC，另一輸入端加一信號電壓vs時，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當Vc為可調電壓時，就得到可

18、控增益放大器。,調制和解調在通信、廣播、電視和遙控等領域中得到廣泛的應用。利用模擬乘法器的功能很容易實現調制和解調的功能。,3. 調制解調,end,6.7 放大電路中的噪聲與干擾,6.7.1 放大電路中的噪聲,6.7.2 放大電路中的干擾,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質,（1）電阻的熱噪聲,由電子無規則熱運動而產生隨時間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。,一個阻值為R（）的電阻未接入電路時，在頻帶寬度B內所產生的熱噪聲電壓均方值為,K 玻耳茲曼常數，T 熱力學溫度（K），B 頻帶寬度（Hz）。,功率和電壓的形式分別為,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質,具有均

19、勻的功率頻譜的噪聲稱為白噪聲,熱噪聲電壓密度,熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數，它的頻率范圍是很寬廣的。因而噪聲電壓Vn將隨放大電路帶寬的增加而增加。所以在設計放大電路時要綜合考慮增益、帶寬等諸多因素。,熱噪聲的功率頻譜密度,（1）電阻的熱噪聲,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質, 熱噪聲 由于載流子不規則的熱運動通過BJT內三個區的體電阻及相應的引線電阻時而產生。其中rbb所產生的噪聲是主要的。FET主要是溝道電阻的熱噪聲。,（2）三極管的噪聲,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質,（2）三極管的噪聲, 散粒噪聲 由于通過發射結注入到基區的載流子數目

20、，在各個瞬時都不相同，因而引起發射極電流或集電極電流有一個無規則的波動，產生散粒噪聲。散粒噪聲電流為,q 每個載流子所帶電荷量的絕對值，I 通過PN結電流的平均值，B 頻帶寬度。,散粒噪聲具有白噪聲的性質,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質,（2）三極管的噪聲, 閃礫噪聲 這種噪聲與頻率成反比，故又稱為1/f 噪聲或低頻噪聲。 JFET的噪聲主要來源于溝道電阻熱噪聲，MOSFET的1/f 噪聲較嚴重，因而低頻時MOSFET比JFET的噪聲大。一般而言，FET的噪聲比BJT小。此外。電阻元件中碳膜電阻的1/f 噪聲最大，繞線電阻的1/f 噪聲最小。 集成運放的噪聲，是由組成運放內部電路的元器件產生的噪聲源以及內部電路連接的噪聲源累計的結果。一般是通過實驗方法進行測量。,6.7.1 放大電路中的噪聲,2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數,定義,其中 AP 為功率增益,放大電路不僅把輸入端的噪聲進行放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸