模电第3章+模拟集成电路基础.ppt

模 拟 电 子 技 术,中南大学信息科学与工程学院,第,3,章 模拟集成电路基础,3.1,概述,3.3,差动放大电路,3.2,电流源电路,3.4,功率放大电路,3.5,集成电路,3.1,概述,集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。,集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。,模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器,(,简称集成运放,),，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成稳压器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、用途最广的一种，,这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、性能指标及常用等效模型。,（,1,）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有良好的,对称性,，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别有,利于实现,需要,对称结构,的,电路,。,（,2,）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电路中的,电阻是使用半导体材料的体电阻制成,的，因而,很难制造大的电阻,，其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间,;,集成电路中的,电容是用,PN,结的结电容作,的。,（,3,）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向,NPN,型管,(,值高、性能好,),、横向,PNP,型管,(,值低、但反向耐压高）和场效应管，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发射极管、多集电极管等。集成二极管、稳压管等一般用,NPN,管的发射结代替。,3.1.1,集成电路中的元器件特点,（,1,）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性,（,2,）,利用有源器件代替无源元件,（,3,）一般采用直接耦合方式,3.1.2,集成电路结构形式上的特点,（,4,）采用较复杂的电路结构,（,5,）适当利用外接分立元件,根据集成工艺的特点，模拟集成放大电路中的,偏置电路、集电极或发射极负载,等，,一般采用晶体管电流源,。这不仅能使电路性能具有不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性,(,做偏置,),，而且能获得高增益、大动态范围的特性,(,做有源负载,),。,3.2,晶体管电流源电路,电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第,1,章晶体管的特性已知，,晶体管,本身便,具有近似恒流,的特性。,在集成电路中，常用的电流源电路有：,镜像电流源,、,精密电流源,、,微电流源,、,比例电流源,和,多路电流源,等。它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，以提高放大电路的放大倍数。,3.2.1,电流源电路,1.,镜像电流源,条件：两管参数对称,2.,改进型镜像电流源,3.,微电流源,3.3,差动放大电路,零点漂移的严重性,根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在,温度漂移,问题。为了抑制,温度漂移,，一种比较有效的电路就是,差动放大电路。,如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。,3.3.1,差动放大电路,(,Differential Amplifier,),1.,电路组成,特点：,a.,两只完全相同的管子；,b.,元件参数对称；,2.,输入输出方式,输入端：,同相输入端、反相输入端,输入方式：,双端输入：,若信号同时加到同相输入端和反相输入端。,单端输入：,若信号仅从一个输入端加入，另一个输入端接地。,输出方式：,双端输出：,若从,C,1,和,C,2,两端输出。,单端输出：,仅从集电极,C,1,或,C,2,对地输出称为单端输出。,输出端：,一个是,T,1,的集电极,C,1,，另一个是,T,2,的集电极,C,2,差动电路的工作模式：,(1),双端输入、双端输出（双入,双出）,(2),双端输入、单端输出（双入,单出）,(3),单端输入、双端输出（单入,双出）,(4),单端输入、单端输出（单入,单出）,3.,差模信号与共模信号,差模输入信号：,差动放大电路两个输入信号之差,差模信号：,指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号,共模信号：,指在两个输入端加上大小相等，极性相同的信号,共模输入信号：,差动放大电路两个输入信号的平均值,4.,抑制零漂的工作原理,原理：,静态时，输入信号为零，即将输入端,和,短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流,I,CQ1,和,I,CQ2,的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位,U,CQ1,、,U,CQ2,始终相等，从而使,U,OQ,=U,CQ1,-U,CQ2,0,，,因此消除了零点漂移。,具体实践：,在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：,可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,5.,信号的输入方式和电路的响应,（,1,）差模输入方式,差模输入信号为,U,i1,U,i2,=,U,Id,差模输入方式,若,U,i1,的瞬时极性与参考极性一致，则,U,i2,的,瞬时极性与参考极性相反。则有：,u,i1,i,b1,i,c1,u,c1,u,i2,i,b2,i,c2,u,c2,输出电压,u,O,=u,C1,u,C2,0,，,而是出现了信号，记为,U,od,。,定义：,A,d,=,U,od,/U,Id,（,2,）共模输入方式,U,i1,=U,i2,=U,IC,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,u,i1,=u,i2,=0,，,u,o,=0,U,i1,=U,i2,=,U,ic,时，,U,oc,=0,。,定义：,Ac=,U,oc,/U,Ic,共模输入方式下的差放电路,Ac,叫做共模电压放大倍数。理论上讲，,Ac,为,0,，实际上,由于电路不完全对称，可能仍会有不大的,U,oc,，,一般,Ac1,。,既然,U,OC,=0,或者,U,OC,很小，为什么还要讨论共模输入呢？,差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时,温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同,的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在,Uic,作用,下，,Uoc,=0,或,Ac=0,，,则说明差放有效地抑制了因温度变化,而引起的零漂。,（,3,）任意输入方式,任意输入方式,输入端分别接,U,i1,和,U,i2,，,这种输入方式带有一般性，,叫“任意输入方式”。,U,ic,=(,U,i1,+,U,i2,)/2,U,i1,=,U,ic,+U,id,U,i2,=,U,ic,+,（,-,U,id,）,若,则,U,id,=(,U,i1,-,U,i2,)/2,例如,：,U,i1,=10mV,U,i2,=6mV,则,U,id,=2mV,U,ic,=8mV,利用叠加原理得到,：,U,o,=A,d,2U,id,+A,c,U,ic,=,A,d,（,U,i1,-,U,i2,）,结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号,U,i1,和,U,i2,的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。,（,4,）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,稳定静态工作点，就是要减小,I,CQ,的变化，而抑制零点漂移也同样是减小,I,CQ,的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的,射极上接一电阻,。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。,在上图电路中，,R,E,越大,，则,工作点越稳定,，,零点漂移也越,小,。但,R,E,太大，在一定的工作电流下，,R,E,上的压降太,大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作,电流和动态范围，而,R,E,又希望取得大些，常采用双电源供,电，用电源,V,EE,提供,R,E,上所需的电压。采用双电源供电,后，输出电压的动态范围大多了。,改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫,长尾,电路。,射极耦合差动放大电路,1,2,2,R,C,R,C,R,1,R,1,T,1,T,2,+,-,U,o,.,R,L,R,W,R,E,C,1,C,2,U,i,.,+,_,V,CC,V,EE,因为有负电源,V,EE,提供发射极正偏所需要的电压，所以,R,B,可以去掉。,T,1,和,T,2,的射极之间还接入了电位器,R,W,，,用于电路调零。,3.3.2,基本性能分析,1.,静态分析,忽略,I,b,，,有：,V,B1,=,V,B2,=0V,2.,动态分析,-,半等效电路分析法,差动放大器共有四种输入输出方式,:,1.,双端输入、双端输出（,双入双出,）,2.,双端输入、单端输出（,双入单出,）,3.,单端输入、双端输出（,单入双出,）,4.,单端输入、单端输出（,单入单出,）,主要讨论的问题有：,差模电压放大倍数,共模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,1.,双端输入双端输出,(1),差模电压放大倍数,（,2,）共模电压放大倍数,（,3,）差模输入电阻,（,4,）输出电阻,输入幅值不同，,如何处理,?,2.,双端输入单端输出,这种方式适用于将,差分信号转换为单端输出,的信号。,(1),差模电压放大倍数,（,2,）差模输入电阻,（,3,）输出电阻,（,4,）共模电压放大倍数,共模等效电路：,3.,单端输入双端输出,-,R,e,化单入为双入,单端输入等效双端输入,:,因为右侧的,R,b,+,r,be,归算到发射极回路的值,(,R,s,+,r,be,)/(1+,)0 T,1,导通,T,2,截止,i,C1,i,o,=,i,E1,=,i,C1,u,O,=,i,C1,R,L,u,i,u,时，,u,o,=,U,omax,u,+,80 dB,7,),最大差模输入电压,U,IdM,共模输入,U,IC,过大，,K,CMR,下降,当,U,Id,过大时，反偏的,PN,结可能因反压过大而被击穿。,NPN,管,U,IdM,=,5 V,横向,PNP,管,U,IdM,=,30 V,CF,741,为,30 V,8,),最大共模输入电压,U,ICM,9,),最大输出电压幅度,U,OPP,输出级为,OCL,电路,一般比电源电压小一个,U,CE(sat),如电源电压,15 V,，,U,OPP,为,13,14 V,CF,741,为,1,3 V,二,、,集成运放使用注意事项,(,一,),集成运放的封装和引脚排列,封装形式,:,金属圆形、双列直插式,、,扁平式,封装材料,:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式,(,DIP,),CF741,DIP,D,ual,I,n-Line,P,akage,(,二,),集成运放使用注意事项,1.,查阅手册了解引脚的排列及功能；,2.,检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电,源短路；,3.,输入信号应远小于,U,IdM,和,U,ICM,，,以防阻塞或损,坏器件；,4.,电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；,5.,输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流,放大需调零。,