电子科大课堂讲义-模拟电路-第5章.PPT.ppt

第五章模拟集成单元电路5-1概述1、集成电路中的元器件特性（1）元器件相对误差小，绝对误差大；（2）电阻、电容数值有限；（3）无法集成电感；（4）制做器件比制做元件容易，且占用芯片面积最小；（5）NPN型管比PNP型管制做容易，且PNP管受限。,模拟集成电路中的几种单元电路5-2恒流源一、电路功能（1）作各级的偏置电路（2）作有源负载,2、集成电路特点（1）采用直接耦合方式（2）输入级电路采用差动放大电路以抑制零点漂移；（3）各级偏置电路采用电流源（恒流源）；（4）用有源负载代替电阻负载。,二、恒流源模型和恒流源电路原理,实现恒流源的电路原理（1）固定基流恒流源此时ro0.5rce,（2）固定发射结电压恒流源此时rorce,（3）加射极电阻的恒流源,rorce,三、模拟IC中的恒流源（实用恒流源电路）1、基本镜象恒流源（属于UBE固定的恒流源）,电路形式,IC2：恒流源提供的偏置电流IR：参考电流,推导IC2与IR关系：,当,当不大时，IC2的镜象精度较差，可采用2、带共集管的镜象恒流源,IC2与IR关系：,内阻ro=rce2,为提高电流源ro及减小基区宽度调制效应对电流精度的影响，改进电路为,3、微电流恒流源（IC2IR）,电路形式,推导IC2与IR关系式,4、比例电流源,电路形式,作业：5-1，5-2,5、作有源负载的恒流源,电路形式,等效电路,交流通路,练习1（单选）如图两电流间关系是（）（1）Io1Io2（2）Io1Io2（3）Io1Io2,Io1Io2,练习2（多选）电路（）（1）称为基本镜象恒流源（2）称为比例恒流源（3）Io=0.5mA（4）Io=1mA（5）Io=2mA,比例恒流源；Io=0.5mA,练习3电路中T1T3均为Si管，求IC1。（1）,解：T2、T3、Rr构成基本镜象电流源，作有源负载。IC2=IR又IC1=IC2IC1=IR由KVL：UBE3+IRRr=15+15,练习4：设计一个微电流输出的电流源，若VCC=15V，R=19k，要求输出电流IC2=10A，R2应选多大，若IC2=0.1mA，R2又为多大？,解：采用微电流源。,IC2=10-2mA,R2=11.2kIC2=10-1mA,R2=520,直接耦合放大电路最主要的问题是零点漂移，而且以第一级的零漂影响最大，为此IC在输入级采用差动放大电路以抑制零漂。,5-3差动放大电路,抑制原理：（1）利用电路结构及元件参数的对称性；（2）利用发射极电阻的负反馈作用来抑制零漂。,一、差动放大电路特点和性能指标1、电路组成（长尾式差动放大电路）,要求T1、T2参数对称，元件对称，电路对称。差放电路有两个对地输入端（b1、b2）；两个对地输出端（c1、c2）。,故有两种输入方式单端输入：从一个输入端与地之间输入双端输入：从两个输入端浮地输入两种输出方式单端输出：从一个输出端与地之间输出双端输入：从两个输出端浮地输出共有四种组合方式双入双出：（a）图双入单出：（b）图单入双出：（c）图单入单出：（d）图,2、差模信号与共模信号,定义差模信号：一对大小相等、极性相反的输入信号。用uid表示差模输入电压，并设两管输入信号电压分别为us1、us2，,它们为一对差模信号，即uS1=uid1=uid，uS2=uid2=-uid。,当us1=-us2即,定义共模信号：一对大小相等、极性相同的输入信号。用uic表示共模输入电压，当us1=us2=uic时，为一对共模信号。,对任意两输入信号us1、us2（uS1uS2），可认为它们是某差模信号分量和某共模信号分量的组合：,从而解出,差模输入电压分量：共模输入电压分量：,图（a）共模输入（并联输入）（b）差模输入（双端浮动输入）方式。,（2）差模输入电阻,（1）差模电压增益分为Aud（双出），Aud（单出）,3、差动放大电路性能指标,（3）共模电压增益,（4）共模输入电阻,（5）共模抑制比,二、差动放大电路的分析方法和工作特点1、静态Q点求解(us1=us2=0)由IEUCE（或UC）,由于电路对称,元器件对称，故两管对应的电流电压对称,只需对半边电路列方程求解。,（1）画出直流通路，标出各管电流、电压；（2）对一半电路(直流通路)列电路方程求解。,uS1=uS2=0（不作用）,工程估算法：若令UB1=0，则UE1=-UBE，可直接求出上式。对输出回路：UCE1=UCE2=UCC+UEE-IE(RC+2Rcm)或UC1=UC2=UCC-ICRC,2、动态特性分析（1）对差模信号的放大特性差模输入电压Uid加在两管输入端（双端输入）,两管各分得一大小相等、极性相反的差模信号。,公共电阻Rcm、RL对差模信号的等效：Uid引起两管电流、电压的变化是大小相等，极性相反（a）Rcm对差模信号短路；（b）交流地电位在RL处。,得差模等效电路（VEE、VCC对信号短路）,由半边小信号等效电路,Rod（双出）=2RC,差模半边等效电路,对单端输出,Au（半）=,若从C2单端输出，仅Aud（单出）改变符号，其余均不变。结论：差动电路对差模信号的放大能力强。,c1,（2）对共模信号的抑制特性,公共电阻Rcm、RL对共模信号的等效：共模信号引起两管电流、电压增量的大小、极性相同，（a）Rcm对共模信号相当于2Rcm；（b）RL两端等电位（电压为零）。,故双端输出的共模信号为零，利用对称性抑制了共模信号。,AC（单出）的求解先画共模交流等效电路（VCC、VEE仍为短路处理）：,再画共模半边等效电路,AC（单出）=,可见由于2Rcm的存在，使Au（单出）很小，即抑制了单端输出的共模增益。归纳：差动放大电路依靠对称性抑制了双端输出的共模信号，依靠发射极电阻Rcm抑制了单端输出的共模信号。,3、差放电路能放大有用信号而抑制零点漂移的原因,由于差放电路能区别对待差模信号（放大）共模信号（抑制），故放大有用信号要以差模方式输入（对地浮动输入）或者单端输入；而零点漂移可等效为共模信号输入。共模抑制比（KCMR）是专门表征差放电路这一性能的指标，其值越大，差放电路性能越好。差放电路正是利用比单管电路多一倍的元器件为代价，换来了抑制零点漂移的能力。,1、抑制原理电路区别对待差模、共模信号（有用信号、零漂），利用对称性和射极电阻抑制零漂。,小结,Au（半）=,或Au（半）=,（1）画出差模等效电路（VCC、VEE、Rcm短路）；（2）画出对应差模半边电路的小信号等效电路；（3）根据输出（双出、单出）写出Au（半）定义式并求解；,2、差模增益Aud的求解,（4）根据Aud（双出）、Aud（单出）定义式与u（半）的关系求出Aud。对Aud（单出）符号的确定方法：同一管输入、输出时，Aud（单出）为负；不同管输入、输出时，Aud（单出）为正。,（1）画出共模等效电路（VCC、VEE短路，各管射极电阻为2Rcm）；（2）画出对应的共模半边小信号等效电路；（3）求解此时的Au（半）；（4）Auc（单出）=Au（半）且符号与输出端无关。,2、共模增益Auc（单出）的求解（KCMR）,（3）Ui1=5mV，Ui2=1mV时从c1输出的电压Uo1；（4）接射极调零电位器（Rw=200欧）滑动端在中间位置时的Ad（单）。,Ui1、Ui2为一对差模输入信号，求下列问题：(1)求Ad（双出）；(2)从c1输出时的Ad（单出）；,例题：已知,解：(1)Ui1=Uid，Ui2=-UidUid=Ui1-Ui2,若从C2单端输出，则Ad(单出)变号。,(2)Ad(单出),AC(单出)=,(3)此时为任意输入，将Ui1、Ui2分解，Uid=Ui1-Ui2=5-1=4mV；Uic=(Ui1+Ui2)=3mV；Uoc(单出)=Uoc1+Uod1=Ac(单出)Uic+Ad(单出)Uid=(-0.732)3+(-83.3)4=-335.4mV=-0.335V,共模抑制比,（4）此时电路为,差模半边小信号等效电路,差模半边小信号等效电路,5-4功率输出级实用放大电路一般结构框图,工作任务放大电压信号放大信号功率工作范围小信号大信号分析方法微变等效电路法图解法或折线模型管子工作状态甲类甲乙类分析内容Au、Ri、RoPom、效率、PCM、及频率响应BUCEO、及失真度,比较：电压放大器功率放大器,1、特点（1）要求输出功率Po尽可能大Pomax（2）具有较高效率,一、功率放大器的特点、指标和分类,（3）尽量减小非线性失真（4）保证功放管使用安全和采取散热措施要求：PcmaxPCM；UCEmaxBUCEO；IcmaxICM,2、功率放大器的分类按功放管静态Q点位置可分为：甲类乙类甲乙类丙类,甲类：Q点选在输入特性曲线直线部分，在Ui整个周期内，管子处于导通。缺点：效率低（理想的omax50%）。,乙类：Q点选在输入特性截止点，只在Ui正半周管子导通。,效率max78.5%,甲乙类：Q点选择比乙类稍高、低于甲类位置，在Ui大半个周期管子导通。,丙类：Q点选在输入特性截止点左边，只在Ui正半周部分时间内管子导通。,四种工作状态中，甲类功放的效率最低，丙类最高。三极管的静态电流造成了电路静态时的管耗，是影响电路转换效率的主要因素。管子导通时间越短，管子的功耗越小。,丙类用于高频大功率放大电路，而低频功率放大电路常用乙类或甲乙类。,功率放大电路的主要作用：向负载提供足够大的功率，电源的利用率高，而不要求有很高的电压放大倍数；具有较低的输出电阻以增强带负载能力；有较高的输入电阻以减小对前级电路电压放大倍数的影响；,低频功率放大电路的引出,采用共C组态的放大电路、乙类偏置状态构成的互补对称电路可实现上述要求。,二、双电源互补推挽乙类功率放大器1、原理性电路电路形式要求：T1、T2为参数对称的异型管（特性互补）,静态时Ue=0,每管为共C组态,工作原理：Ui正半周Ui0.6V时，T1导通，T2截止，Uo=iE1RL0（正半周）；Ui负半周Ui-0.6V时，T2导通，T1截止，Uo=-iE2RL0（负半周）；故输出合成一完整正弦波形。,ui正半周T1导通,Ui负半周T2导通,无论T1或T2导电，放大电路均工作在射极输出器状态，故输出电阻低（带负载能力强），输入电阻高（对前级影响小）。,电路缺点：存在交越失真。,改进：T1、T2管由零偏（乙类）微导通(甲乙类),2、实用双电源互补推挽功放电路（OCL电路）即outputcapacitorless：无输出电容的功放电路,电路特点：(1)有偏置电路(R,D1,D2)(2)两组直流电源供电，(3)静态时UE1=UE2=0UCE1=UCC=UEC2,提供功放管微导通的偏置电路形式有多种,3、功放电路交流指标估算(图解分析法)（按乙类状态分析，对甲乙类仍适用）,最大不失真输出功率,满激励时，UomUCC-UCES；Icm=(UCC-UCES)/RL,两电源提供(消耗)的最大功率,效率,乙类功放输出幅度越大，越高。,即理想情况下最大效率,满激励时，IcmVCC/RL，=max,最大平均管耗（每只）,4、功放管的选择(1)当电路指标一定，选管应：,(2)当管子选定，电路设计应遵循：,三、单电源互补推挽功放电路（OTL功放）,电路特点：（1）单电源供电（2）射极接大电容（3）静态UE1=UE2=UCCUCE1=UCE2=UCC,交流指标的估算：只要用UCC代替OCL电路中有关公式中的UCC，就可得到相应的OTL功放指标。,例1OCL、OTL电路如下，设EC=20V，RL=16欧UCES=2V，分别估算两电路最大输出功率Pomax。,OCL电路较OTL电路应用更广，集成电路中的功放电路均采用OCL电路；相同的电路参数OCL电路的Pomax大于OTL的Pomax。,对比OCLOTLPomPVUBR(CEO)2VCCVCCICMVCC/RLVCC/2RL,故当Po=41%Pomax时，管耗最大，结温最高。,（3）由Pomax公式，使用4欧负载输出功率大。,故增加功率为0.21Pomax，即210/0Pomax。,（2）已知UCC=1.1UCC，,练习互补对称功放电路为（）电路，T1为（）管，T2为（）管，T1、T2为（）极输出，每管Ucemax=（）V，电路Pomax=（）W，两管工作在（）类工作状态，选管应满足PCM（）W，BUCEO（）V，ICM（）A,复合管（达林顿管）：是由两只或两只以上管子连接在一起组成。采用复合管可提高管子值及改变管子类型。复合管的：为两管的乘积=12类型：由前面管子类型决定；功率：由后面管子功率决定；,四、复合BJT及准互补功放电路,内部电极相连处不能有电流流向的冲突；外电流必须为两电极电流之和；复合功放管时，小功放管在前，大功放在后。,复合原则：,(1)同类型管复合举例,(2)不同类型管复合举例,例1四种复合管中,()不合理，标出合理复合管的类型及各极。,解：(a)IE1与IB2方向矛盾，该复合不正确。(b)合理，为PNP型管，各极与前面管子各极对应。,(c)IC1与IB2方向矛盾，不正确。(d)从外电流要求可判定电流不合理,复合不正确。,例2四种复合管中，（）不合理，标出合理复合管的类型及各极。,解：图(c)(d)不合理，(a)为NPN型；(b)为PNP型。,复合管的电流放大倍数、输入电阻：