第5章-模拟集成电路基础教学提纲.ppt

第5章-模拟集成电路基础,（,1,）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。,（,2,）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。,（,3,）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。,5.1.2,集成运放的电路结构特点,（,4,）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。,（,5,）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。,集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以及有源负载的应用。,5.2,集成运放中的电流源电路,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（场效应管）的特性已知，晶体管（场效应管）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。,5.2.1,电流源电路,镜像电流源,分析,条件：两管参数对称,镜像电流源分析,由两只特性完全相同的管子,T,0,和,T,1,构成，,U,CE0,=U,BE0,，从而保证,T,0,工作在放大状态。,集成运放中纵向晶体管的,均在百倍以上。若基本电流源中采用横向,PNP,管，则,只有几倍。,在镜像电流源,T,0,管的集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管,T,2,。利用,T,2,管的电流放大作用，减小了基极电流,I,B0,和,I,B1,对基准电流,I,R,的分流。在实际电路中，有时在,T,0,管和,T,1,管的基极与地之间加电阻,R,e2,，用来增大,T,2,管的工作电流，从而提高,T,2,的,。,改进型镜像电流源,加射极输出器的电流源,比例电流源,分析,比例电流源分析,微电流,输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。,微电流源,分析,微电流源分析,集成运放输入级放大管的集电极（发射极）静态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流，可以将比例电流源中,R,e0,的阻值减小到零。,在已知,R,e,的情况下，上式对输出电流,I,C1,而言是超越方程，可以通过,图解法或累试法解出,I,C1,。,基于比例电流源的多路电流源,集成运放是一个多级放大电路，因而需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。,多集电极管构成的多路电流源,T,多为横向,PNP,型管，,当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。,设各集电区面积分别为,S,0,、,S,1,、,S,2,。,MOS,管多路电流源,由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。,T,0,T,3,均为,N,沟道增强型,MOS,管，它们的开启电压,U,GS(th),等参数相等。,在栅,-,源电压相等时，,MOS,管的漏极电流正比于沟道的宽长比。,设宽长比,W/L=S,，且,T,0,T,3,的宽长比分别为,S,0,、,S,1,、,S,2,、,S,3,。,这样就可以通过改变场效应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。,例一：,图示电路是型号为,F007,的通用型集成运放的电流源部分。其中,T,10,与,T,11,为纵向,NPN,管；,T,12,与,T,13,是横向,PNP,型管，其,均为,5,。各管的,b-e,间电压值均约为,0.7V,。试求出各管的集电极电流。,解：,图中,R,5,上的电流是基准电流，根据,R,5,所在回路可以求出,T,10,与,T,11,构成微电流源,利用累试法或图解法求出,T,12,与,T,13,构成镜像电流源,在电流源电路的分析中，首先应求出基准电流,I,R,，,I,R,常常是集成运放电路中唯一能够通过列回路方程直接求出的电流；然后利用与,I,R,的关系，分别求出各路输出电流。,例二：,多路电流源电路如图所示，已知所有晶体管的特性均相同，,U,BE,均为,0.7V,，,R=136k,。试求,I,C1,、,I,C2,各为多少。,解：,当,(1+)3,时,思考:,在下图电路中，,T,1,、T,2,管的特性相同，已知V,CC,=15V，,1=,2=,，,U,BE1,=U,BE2,=0.6V。,（1）试证明当,2时，,I,C2,I,R,；,（2）若要求,I,C2,=28,A,，电阻R,1,应取多大？,思考,:,在下图电路中,（,1,）指出电路为何种电流源电路；,（,2,）根据二极管电流方程，导出,T1,、,T2,管的工作电流,I,C1,、,I,C2,的关系式；（,3,）若测得,I,C2,28A,，,I,C1,0.73mA,，估算电阻,R,e,和,R,1,的阻值；,（,4,）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。,在共射放大电路中，为了提高,Au,，行之有效的方法是增大集电极电阻,Rc,。然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大,Rc,时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，而且,Rc,增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，因此,Au,的增加受到,Rc,取值的限制。,如果用恒流源来代替,Rc,，则由于恒流源的直流电阻不大，故恒流源两端的直流电压并不大，但恒流源的动态交流电阻很大，该交流电阻与交流通道中的,Rc,等效，,Au,可以大大提高。由于晶体管和场效应管是有源器件，而上述电路又以它们为负载，故称为有源负载。,5.2.2,有源共射放大电路,有源共射放大电路,5.3,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，集成电路的级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。,差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。,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。,5.3.1,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；,差动放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。,所谓“差动”，是指只有当两个输入端,u,I1,与,u,I2,之间有差别（即变化量）时，输出电压才有变动（即变化量）的意思。,对于差动放大电路的分析，多是在理想情况下，即电路参数理想对称情况下进行的。,所谓电路参数理想对称,，,是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只晶体管在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线都完全重合。,应当指出，由于电阻的阻值误差各不相同，特别是晶体管特性的分散性，实际的电路参数不可能理想对称。,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：,差模信号是两个输入端信号之差,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：,共模信号是两个输入端信号的平均值,即：,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,O,=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。,长尾式差分放大电路,电路参数理想对称，,R,b1,=R,b2,=R,b,，,R,c1,=R,c2,=R,c,；,T,1,管与,T,2,管的特性相同，,1,=,2,=,，,r,be1,=r,be2,=r,be,；,R,e,为公共的发射极电阻。,静态分析,共模信号作用,差模信号作用,电压传输特性,一、静态分析,当输入信号,u,I1,=u,I2,=0,时，作静态分析：,在通常情况下，,R,b,阻值很小（很多情况下,R,b,为信号源内阻），而且,I,BQ,也很小，所以,R,b,上的电压可忽略不计。,二、对共模信号的抑制作用,共模放大倍数,由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，,故可以将温度漂移等效成共模信号,，,差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用,。,电路参数的对称性起了相互补偿的作用，抑制了温度漂移。,当电路输入共模信号时，基极电流和集电极电流的变化量相等，因此，集电极电位的变化也相等，从而使得输出电压,u,O,=0,。另外，,还利用了射极电阻,R,e,对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极电位的变化。,三、差模信号的放大作用,由于,E,点电位在差模信号作用下不变，相当于接,“,地,”,；又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变，也相当于接,“,地,”,，因而负载,R,L,被分成相等的两部分，分别接在,T,1,管和,T,2,管的,c-e,之间。,差模信号作用下的动态分析,共模抑制比是考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的一个参数，其值愈大，说明电路性能愈好。,虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单管共射放大电路。因而差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。,差模放大倍数,共模抑制比,四、电压传输特性,放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即,u,O,=f(u,I,),。,从曲线可知，只有在中间一段差模输入与输出才是线性关系，斜率就是差模电压放大倍数。,当输入电压幅值过大时，输出电压就会产生失真，若再加大输入电压，则输出电压将趋于不变，其数值取决于电源电压,V,CC,。,若改变,u,Id,的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。,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,共模抑制比,接法一：,双端输入,-,双端输出差分放大电路,动态参数,Q,点,接法二：,双端输入,-,单端输出差分放大电路,静态分析,差模信号作用,共模信号作用,(1),静态分析,直流通路,(2),对差模信号的放大作用,差模信号作用下的等效电路,(3),对共模信号的抑制作用,将射极电阻,R,e,进行等效变换,共模信号作用下的等效电路,可以看出，,R,e,愈大，,A,c,的值愈小，,K,CMR,愈大，电路的性能也就愈好。因此，增大,R,e,是改善共模抑制比的基本措施。,接法三：,单端输入,-,双端输出差分放大电路,输入差模信号的等效变换,若电路参数理想对称，则共模放大倍数为零，共模抑制比为无穷大。,其,Q,点以及动态参数的分析与双端输入,-,双端输出电路完全相同。,单端输入电路与双端输入电路的区别在于：,在差模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。,因此，在共模放大倍数,A,c,不为零时，输出端不仅有差模信号作用而得到的差模输出电压，而且还有共模信号作用而得到的共模输出电压，即输出电压：,接法四：,单端输入,-,单端输出差分放大电路,四种接法的动态参数特点归纳如下：,输入电阻,R,i,均为,2(R,b,+r,be,),。,A,d,、,A,c,、,R,o,与输出方式有关。双端输出与单端输出不同。,单端输入时，若输入信号为,u,I,，其差模输入电压,u,Id,=u,I,，其共模输入电压,u,Ic,=+u,I,/2,。是输出电压表达式。,具有恒流源的差分放大电路,当,T,3,管输出特性为理想特性时，即当,T,3,在放大区的输出特性曲线是横轴的平行线时，,恒流源的内阻为无穷大，即相当于,T,1,管和,T,2,管的发射极接了一个阻值为无穷大的电阻，对共模信号的负反馈作用无穷大，因此使电路的,A,c,=0,，,K,CMR,=,。,恒流源电路在不高的电源电压下,既为差分放大电路设置了合适的静态工作电流，又大大增强了共模负反馈作用，使电路具有更强的抑制共模信号的能力。,恒流源电路的简化画法及电路调零措施,恒流源电路可用一恒流源取代。在实际电路中，难以做到参数理想对称，常用一阻值很小的电位器加在两只管子发射极之间，称,R,w,为调零电位器。,动态参数,场效应管差分放大电路,为了获得高输入电阻的差分放大电路，可以将前面所讲电路中的差放管用场效应管取代晶体管。这种电路特别适于做直接耦合多级放大电路的输入级。场效应管差分放大电路也有四种接法。,有源负载差分放大电路,由于,T,3,和,T,4,管构成的电流源作为有源负载，将,T,1,集电极电流的变化转换为输出电流，所以使单端输出电路对差模信号的放大能力接近双端输出的情况。,利用镜像电流源作有源负载，不但可将,T,1,管的集电极电流变化转换为输出电流，而且还将使所有变化电流流向负载。,输出电流约为单端输出时的两倍，因而电压放大倍数接近双端输出时的情况。,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(2),共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,差动放大电路动态参数计算总结,(1),差模电压放大倍数,(3),差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻,R,id,是基本放大电路的两倍。,(4),输出电阻,双端输出时：,单端输出时：,(5),共模抑制比,共模抑制比,K,CMR,是差分放大器的一个重要指标。,或,双端输出时,K,CMR,可认为等于无穷大，,单端输出时共模抑制比：,差动放大电路四种输入、输出方式比较,u,id,=u,i,u,ic,=u,i,/2,单入,单出,u,id,=u,i,u,ic,=0,双入,单出,u,id,=u,i,u,ic,=u,i,/2,单入,双出,u,id,=u,i,u,ic,=,0,双入,双出,共模抑制,比,K,CMR,R,o,差模,R,id,差模放大倍数,A,d,差模,u,id,共模,u,ic,输入输出方式,很小,例：,电路如图所示，已知,R,b,=1k,，,R,c,=10k,，,R,L,=5.1k,，,V,CC,=12V,，,V,EE,=6V,；晶体管的,=100,，,r,be,=2k,。（,1,）为使,T,1,管和,T,2,管的发射极静态电流均为,0.5mA,，,R,e,的取值应为多少？,T,1,管和,T,2,管的管压降,U,CEQ,等于多少？（,2,）计算,A,u,、,R,i,和,R,o,的数值；（,3,）若将电路改成单端输出（由,T,1,管的集电极输出），用直流表测得输出电压,u,O,=3V,，试问输入电压,u,I,约为多少？设,I,EQ,=0.5mA,，且共模输出电压可忽略不计。,思考：,图示电路参数理想对称，晶体管的,均为,100,，,=100,，,U,BEQ,=0.7V,。试计算,R,w,滑动端在中点时,T,1,管和,T,2,管的发射极静态电流,I,EQ,，以及动态参数,A,d,和,R,i,。,思考：,电路如图所示，晶体管的,=50,，,=100,。（,1,）计算静态时,T,1,管和,T,2,管的集电极电流和集电极电位；（,2,）用直流表测得,u,O,=2V,，,u,I,=,？若,u,I,=10mV,，则,u,O,=,？,思考：,电路如图所示，,T,1,和,T,2,的低频跨导,g,m,均为,2mS,。试求解差模放大倍数和输入电阻。,5.4.1,集成运放基本知识,一、通用型集成运放,(,Operational Amplifier,),的组成,模拟集成电路的特点,1,),直接耦合：,采用差分电路形式，元件相对误差小；,2,),大电阻用恒流源代替，大电容外接；,3,),二极管用三极管代替,(,B,、,C,极接在一起,),；,4,),高增益、高输入电阻、低输出电阻。,5.4,集成运算放大电路,5.4,集成运算放大电路,集成运放电路的组成及其各部分的作用,偏置电路,用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定合适的静态工作点。,输入级,是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。,中间级,是整个放大电路的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，常采用复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。,输出级,应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。集成运放的输出级多采用互补对称输出电路。,5.4.2,通用型集成运算放大器,F007,电路简介,5.4.2,通用型集成运算放大器,F007,电路简介（,1,）,F007,电路中的偏置电路部分,从,V,CC,经,T,12,、,R,5,和,T,11,到,V,CC,所构成的回路的电流能够直接估算出来，因而,R,5,中的电流为偏置电路的基准电流。,T,10,与,T,11,构成微电流源，而且,T,10,的集电极电流,I,C10,等于,T,9,管集电极电流,I,C9,与,T,3,、,T,4,的基极电流,I,B3,、,I,B4,之和；,T,8,与,T,9,为镜像关系，为第一级提供静态电流；,T,13,与,T,12,为镜像关系，为第二、三级提供静态电流。,F007,电路中的放大电路部分,集成运放的主要性能指标,开环差模增益,A,od,共模抑制比,K,CMR,差模输入电阻,r,id,输入失调电压及其温漂,输入失调电流及其温漂,输入偏置电流,最大共模输入电压,最大差模输入电压,-3dB,带宽,f,H,单位增益带宽,转换速率,在近似分析时，常把集成运放理想化。理想运放的,A,od,、,K,CMR,、,r,id,、,f,H,等参数值均为无穷大，而输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂、输入偏置电流等参数值均为零。,简化的集成运放低频等效电路,如果仅研究对输入信号（即差模信号）的放大问题，而不考虑失调因素对电路的影响，那么可用简化的集成运放低频等效电路。从运放输入端看进去，等效为一个电阻,r,id,；从输出端看进去，等效为一个电压源，内阻为,r,o,。若将集成运放理想化，则,r,o,=0,。,集成运放的电压传输特性,集成运放有两个工作区：,线性区,：在线性放大区域，曲线的斜率为电压放大倍数。,非线性区,：在非线性区，输出电压只有两种可能的情况，,+U,OM,或,-U,OM,。,5.4.3,集成运算放大器电路符号及理想化条件,1.,运放的符号,习惯用符号,u,id,+,V,CC,V,EE,国家标准符号,u,o,u,id,+,V,CC,V,EE,8,(,V,CC,=,V,EE,),等效电路,u,o,u,id,u,i,+,u,+,u,o,R,id,A,o,d,u,id,R,o,i,u,+,同相端输入电压,u,-,反相端输入电压,u,id,差模输入电压,u,id,=,u,u,+,A,o,d,开环差模电压放大倍数,u,o,=,A,o,d,(,u,+,u,),5.4.3,通用型集成运算放大器电路符号及理想化条件（,2,）,1,),A,od,2.,运放特性的理想化,6,),U,IO,0,，,I,IO,0,理想,运放：,4,),K,CMR,5,),f,BW,2,),R,id,3,),R,o,0,电压传输特性,O,u,id,u,o,U,omax,U,omax,理想,线,性,区,实际,3.,理想运放工作在,线性区,的两个特点,1,),u,+,u,(,虚短,),证：,u,o,=,A,o,d,(,u,+,u,)=,A,o,d,u,id,u,+,u,=,u,o,/,A,o,d,0,2,),i,+,i,0,(,虚断,),证：,i,+,=,u,id,/,R,id,0,同理,i,0,u,o,u,id,u,i,+,u,+,u,o,R,id,A,o,d,u,id,R,o,i,.,理想运放工作在,非线性区,的两个特点,1,),u,+,u,时，,u,o,=,U,omax,u,+,80 dB,5.4.3,通用型集成运算放大器电路符号及理想化条件（,8,）,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,CF741,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,CF741,为,13 V,5.4.3,通用型集成运算放大器电路符号及理想化条件（,9,）,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,5.4.3,通用型集成运算放大器电路符号及理想化条件（,10,）,(,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。,5.4.3,通用型集成运算放大器电路符号及理想化条件（,11,）,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,