模电第3章模拟集成电路基础.ppt

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C1和C2两端输出。 单端输出： 仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。,输出端：一个是T1的集电极C1， 另一个是T2的集电极C2,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ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，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Ui1 Ui2= UId,差模输入方式,若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2 ,输出电压uO= uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=Uod/UId,（2）共模输入方式,Ui1=Ui2=UIC,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。,ui1=ui2=0，uo=0,Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。,定义：Ac=Uoc/UIc,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Uoc，一般Ac1。,既然UOC=0或者UOC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Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性， 叫“任意输入方式”。,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2,例如：,Ui1=10mV,Ui2=6mV,则 Uid=2mV Uic=8mV,利用叠加原理得到：,Uo=Ad2Uid+AcUic,= Ad（ Ui1- Ui2 ）,结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号Ui1和Ui2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ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ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，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越 小。但RE太大，在一定的工作电流下，RE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RE又希望取得大些，常采用双电源供 电，用电源VEE提供RE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,因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可以去掉。T1和T2的射极之间还接入了电位器RW，用于电路调零。,3.3.2 基本性能分析,1. 静态分析,忽略Ib，有：VB1=VB2=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- Re化单入为双入,单端输入等效双端输入: 因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,vi1 = vi2 = vi /2,计算同双端输入双端输出：,4. 单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号： 设从T1的基极输入信号，如果从C1 输出，为负号；从C2 输出为正号。,计算同双入单出：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大电路动态参数计算总结,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：,(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Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时， 双端输出时，,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：,四种输入、输出方式比较,很小,差动放大电路的改进,1. 电路的组成和工作原理,KCMR= Ad/Ac,从以上两式看出要减小Ac，提高共模抑制比，应增大RE，但RE不能太大，因为RE上的压降由VEE提供。在保持VT1、VT2两管的工作电流为一定值时，要加大RE，必须提高VEE，这是有困难的。能不能找到这样一种元器件，它的直流电阻很小，而它的交流电阻却很大，这样静态时不需要很大的VEE，动态时的AC却很小，KCMR很大？,3.4 功率放大电路,3.4.2 互补对称功率放大电路,3.4.1 概述,*3.4.3 集成功放及其应用,概述,3.4.1 功率放大的特点及主要性能指标,Pomax 大，三极管工作在极限状态, = Pom / PV 要高,非线性失真要小,特点：,晶体管的散热与保护问题,分析方法-图解法,3.1.2 功率放大电路的分类,甲类：,乙类：,甲乙类：,分类：,Q,Q,Q,乙类工作状态失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。,甲乙类工作状态失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。,甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。,3.4.2 OCL电路的组成与工作原理 (OCL Output Capacitorless),电路组成及工作原理,ui 0 T1 导通 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 导通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,电路存在的问题： 当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起 交越失真。,交越失真,输入信号幅度越小失真越明显。,3.2.3 OCL电路的输出功率与效率,1. 最大不失真输出功率Pomax= Pom,2. 电源功率PV,3. 效率,3.5.1 集成运放基本知识,一、通用型集成运放(Operational Amplifier)的组成,1. 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。,3.5 集成运算放大电路,2. 组成方框图,输入级：,差分电路，大大减少温漂。,中间级：,采用有源负载的共发射极电路，增益大。,输出级：,OCL 电路，带负载能力强,偏置电路：,镜像电流源，微电流源。,输入级,T1T7 共集-共基组合差分电路,3.5. 2 通用型集成运算放大器 F007 电路简介,T5-T7,有源负载,构成双端变单端电路,中间级,T16、T17,复合管，共发射极,具有高增益,输出级,甲乙类互补对称功率放大电路 (OCL),T18 T19、 T14,偏置电路,T11 T12,F007的结构框图,F007的偏置电路,3.5.2 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,国家标准符号,(VCC = VEE ),等效电路,u+ 同相端输入电压,u- 反相端输入电压,uid 差模输入电压,uid = u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo = Aud(u+ u),1) Aud ,2. 运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想运放：,4) KCMR ,5)BW ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,理想,线 性 区,1) Aud ,2. 运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想 运放：,4) KCMR ,5)fBW ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,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：,uo = Aud (u+ u) = Aud uid,u+ u = uo/Aud 0,2) i+ i 0 (虚断),证：,i+ = uid / Rid 0,同理 i 0,4. 理想运放工作在非线性区的两个特点,1)u+ u时， uo = Uomax,u+ u 时, uo= UOmax,2)i+ i 0 (虚断),5.4.3通用型集成运算放大器的组成及基本特性,一、集成电路器件命名及主要性能指标,1. 国标 GB-3430-82 对集成电路的规定,2. 主要参数,1) 输入失调电压 U IO,使 UO = 0，输入端施加