模电幻灯片第4章

第4章 模拟集成电路基础,4.1 模拟集成电路概述 4.2 差动放大器 4.3 典型模拟集成电路,4.1 模拟集成电路概述,4.1.1 集成电路分类,图 4-1 单个晶体管与完整的集成电路的比较 (a) 单个晶体三极管； (b) 集成块； (c) 双列直插型； (d) 扁平型,表 4-1 模拟集成电路分类,4.1.2 模拟集成电路特征,表 4-2 部分集成化元器件的参数,4.2 差 动 放 大 器,4.2.1 发射极耦合差动放大器,图 4-2 发射极耦合差动放大器 (a) 原理电路； (b) 差模等效电路,通常Rs/(1+)2Re, UBE=0.7V(硅管)，所以,可见，静态工作电流取决于Ee和Re。同时，由于Uc1=Uc2，故Uo=0，通常称作零输入零输出。信号电压由两管基极输入， 放大后的输出电压可以从两个集电极之间取出(双端输出)，也可以从两管的集电极分别取出(单端输出)。由于这种放大器的输出电压与两个输入端的输入电压之差成正比，所以称为差动放大器或差分放大器。,1. 差模特性,如果两个输入端的信号大小相等、 极性相反， 即,式中,uid称为差模信号或差动输入信号。当输入端在差模信号作用下，V1管的集电极电流增大时，V2管的集电极电流就减小，反之亦然，且,由于两管参数相同，即有hie1=hie2=hie, 1=2=，则,上述利用了对称性，即有Rc1=Rc2=Rc。 综上可得，差模电压放大倍数为,当集电极之间接入负载电阻RL时，在差模信号作用下，RL两端的电位向相反的方向变化，一端增量为正，另一端增量为负， 并且绝对值相等，因而RL的中点电位是交流地电位。这样，差模电压放大倍数为,差动放大器一般用于多级直接耦合放大电路的输入级或中间级，除了双端输入、 双端输出方式之外，有时需要采用双端输入、 单端输出方式，例如从V1集电极至地输出时，其单端输出时的差模电压放大倍数为Ad1，由图 4-2(b)可知,同理,电压与输入电流之比。由图 4-2(b)可知，两个输入端的电压即为差模输入电压(uid=us1-us2)减去信号源内阻上的电压降， 即有,式中, ib=ib1=-ib2。 可见， 差动放大器的差模输入电阻正好是单管基本共射放大器输入电阻的两倍。 差动放大器的输出电阻Ro，由图 4-2(b)不难得出，在双端输出时，为,(设1/hoeRc),而在单端输出时，则为,2. 共模特性 在图4-2(a)所示的差动放大器中， 如果两个输入端信号大小相等、相位相同，即,则称为共模输入信号，记作uic。显然，此时输入的差模信号为 0。,图 4-3 图 4-1(a)的共模等效电路,通常，1，(1+)2Re(Rs+hie)， 故,所以，单端输出时共模电压放大倍数Ac1为,当从两个集电极之间输出时，由于uoc=uc1-uc2 =0，则双端输出时共模电压放大倍数Ac为,为了全面衡量差动放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常用差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值来表示，这个比值称为共模抑制比，记作CMRR(Common Mode Rejection Ratio)，有时记作ACMR。,或,3. 任意信号输入时的特性,令,例如：us1=10 sint(mV), us2=4 sint(mV)，则,图 4-4 任意输入信号时差动放大器 (a) 原电路； (b) 分解为差模和共模信号电路,由图4-4(b)不难求出输出电压uo。假设V1管单端输出(即V1集电极至地)电压为uo1，它为,4.2.2 具有恒流源的差动放大器,图 4-5 具有恒流源的差动放大器 (a) 原理电路； (b) Q点附近的直流电阻和增量电阻,图 4-6 恒流源差动放大器的简化形式,例 4-1 恒流源差动放大器如图 4-7 所示，假设电路两侧完全对称，已知=50，rbb=300， 各管发射结导通电压为0.7 V，试求： (1) 静态时(即输入端接地)IC1, IC2, IC3, UCE1, UCE2, UCE3, UB1和UB2； (2) 双端输出时的差模电压放大倍数； (3) 双端输出时的共模电压放大倍数Ac及共模抑制比CMRR。,解,(1) 静态时电流、 电压计算,图 4-7,(2) 双端输出时差模电压放大倍数计算 求晶体管输入电阻hie。,RP1(RP2)的作用将在差动放大器的传输特性中予以说明。,(3) 由于电路完全对称，因而,共模放大倍数：,共模抑制比：,4.2.3 差动放大器的传输特性,1. 差模传输特性,图 4-8 差动放大器的传输特性 (a) 典型电路； (b) 传输特性,4.2.4 差动放大器的失调及其温度漂移,1. 差动放大器的失调 对于一个理想对称的差动放大器，当输入信号为 0 时，双端输出电压也应为 0。但由于实际工艺水平的限制，电路两侧的晶体管参数和电阻不可能完全相同，因而实际差动放大器中，输入为 0 时， 输出并不为 0，这种输入为 0、输出不为 0 的现象简称为失调。 为使放大器在静态时双端输出电压为 0，就需要人为地在输入端加一补偿电压，所加补偿电压的绝对值称为输入失调电压，用Uos表示(也可用Uio表示),对于实际差动放大器，两管的基极电流也不会相等， 通常定义静态输出电压为 0 时两个基极电流之差的绝对值称为输入失调电流，用Ios表示(也可用Iio表示),Uos, Ios表示差动放大器两侧不对称造成的输入失调量大小，它们也是差动放大器的重要指标。 为了减小差动放大器的失调，除了选用的元件、管子参数要尽可能对称外，一般情况下，还需要加装调零电路予以补偿，达到零输入时零输出的标准。,2. 调零电路,图 4-9 调零电路 (a) 发射极调零； (b) 基极调零； (c) 集电极调零,3. 零点漂移 差动放大器可通过调零电路，使静态时输出失调电压为0。但是失调大小并不是固定不变的，它将随温度、时间、电源电压等外界因素变化而变化， 通常将这种现象称为零点漂移。因为零点漂移是一种无规则变化， 前述的各种调零电路都不能解决零点漂移问题。零点漂移对放大器的影响不只看输出漂移电压大小， 而要看漂移电压与有用信号电压之比。因此，通常把放大器输出端的漂移电压折合成输入端的漂移电压。显然，这个折合到输入端的漂移电压在数值上等于放大器输出漂移电压除以放大器的放大倍数，只有这个漂移电压比有用输入信号电压小得多时， 放大后的有用信号才能很好地被区分出来。,4.3 典型模拟集成电路,4.3.1 集成运算放大器组成,图 4-10 运放组成方框图,4.3.2 恒流源电路与有源负载,1. 恒流源电路,(1) 镜像恒流源电路,图 4-11 镜像恒流源电路,由于V1, V2管特性相同，且UBE1=UBE2， 因而IB1=IB2, Ic1=Ic2。在图 6-11 中,即,当 时,图 4-12 镜像恒流源改进电路,因为,所以,(2) 比例恒流源电路,图4-13 比例恒流源电路,由图 4-13，可列出如下方程：,根据关系式UBE=UTlnIE/Is得到,(4-46),代入式(4-46)， 可得,当两管电流较接近时，上式对数项可忽略， 则,可见，改变R1与R2的比值即可改变IC2与IR的比例关系，因此该电路称作比例恒流源电路。,(3) 微电流恒流源电路,图 4-14 微电流恒流源,令R1=0,例如: Ec=10 V, IR=1mA，要求Ic2=10A，常温下UT=26 mV， 由图可知,根据式(7-49)可得,(4-49),2 . 有源负载 在集成运放电路中，若采用恒流源取代集电极负载电阻， 便构成有源负载放大器。因为集成电路中的恒流源都是用有源器件构成的， 所以这种恒流源负载又称为有源负载。,图 4-15 有源负载放大器,4.3.3 F007型集成运算放大器,图 4-16 F007型集成运放的内部电路,