模拟电路与数字电路5章1.

1、5.1 5.1 集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源5.2 5.2 差分式放大电路差分式放大电路5.3 5.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器5.4集成运放的线性应用集成运放基本计算电路5.5 集成运放的非线性应用比较器和非正弦波发生电路在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块制作在一块 硅基片上，构成特定功能的电子电路，硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。它的体积小，而性能却很好。集成电称为集成电路。它的体积小，而性能却很好。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。路按其功能来分，

2、有数字集成电路和模拟集成电路。在模拟集成电路中，集成运算放大器在模拟集成电路中，集成运算放大器( (简称集成简称集成运放运放) )是应用极为广泛的一种。是应用极为广泛的一种。模拟集成电路 运算放大器运算放大器 宽频带放大器宽频带放大器 功率放大器功率放大器 模拟乘法器模拟乘法器 模拟锁相环模拟锁相环 模数和数模转换器模数和数模转换器 稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等电路等。模拟集成电路一般是由一块厚约模拟集成电路一般是由一块厚约0.2-0.25mm0.2-0.25mm的的P P型型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可硅片制成，这种硅片是

3、集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的以做出包含有数十个或更多的BJTBJT或或FETFET、电阻和连、电阻和连接导线的电路。外型一般用金属圆壳或双列直插式接导线的电路。外型一般用金属圆壳或双列直插式结构结构. .模拟集成电路的特点(1)(1)电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性(2)(2)用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件 电路中的电阻元件是由硅半导体的体电阻构成，范围电路中的电阻元件是由硅半导体的体电阻构成，范围一般为几十欧到一般为几十欧到20 k20 k左右，且精度不易控制，误差左右，且精度不易控制，误差可达可达10102020左右，高阻值的电阻

4、多用左右，高阻值的电阻多用BJTBJT或或FETFET等等有源器件组成的恒流源电路来代替。有源器件组成的恒流源电路来代替。(3)(3)采用复合结构的电路采用复合结构的电路 由于复合结构电路的性能较佳，而制作又不增由于复合结构电路的性能较佳，而制作又不增加多少困难，因而在集成电路中多采用复合管、加多少困难，因而在集成电路中多采用复合管、共射共射- -共基、共集共基、共集- -共基等组合电路。共基等组合电路。(4)(4)级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式 电路中的电容量约在几十皮法以下，常用电路中的电容量约在几十皮法以下，常用PNPN结结结电容构成，误差也较大。结电容构成，误差也较大。 (5

5、)(5)电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用电位移动电路，大都采用BJTBJT的发射结构成。的发射结构成。模拟集成电路的种类繁多，电路功能也千差万别，模拟集成电路的种类繁多，电路功能也千差万别，但它的基本组成十分相似但它的基本组成十分相似. .首先讨论组成集成运放的基本单元电路首先讨论组成集成运放的基本单元电路电流源电流源和差分式放大电路。和差分式放大电路。5.15.1集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源 (1) (1) 电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PNPN结结

6、的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。对电流的影响。5.1.1 5.1.1 电流源概述电流源概述电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。相对应。(2) (2) 电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。 (5) (5)电流源还可单独制成稳流电源使用。电流源还可单独制成稳流电源使用。(3) (3) 用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围用电流源做

7、有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。大的特性。 (4) (4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(6)(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。5.1.2 5.1.2 集成电路电流源集成电路电流源电流源为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电流源为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。电路的有源负载。BJTBJT的输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电的输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电

8、路可以使其恒流特性更接近于理想情况。路可以使其恒流特性更接近于理想情况。5.1.2.1 5.1.2.1 镜像电流源镜像电流源 条件：条件：BJTBJT的的较大时，较大时，基极电流基极电流I IB B可以忽略。可以忽略。T T2 2的集电极电流的集电极电流I IC2C2近似等近似等于基准电流于基准电流I IREFREF T T1 1管对管对T T2 2管具有温度补偿管具有温度补偿作用，作用，I IC2C2的温度稳定性的温度稳定性也较好。也较好。 缺点：缺点：I IREFREF受电源变化的受电源变化的影响大，要求电源十分影响大，要求电源十分稳定。稳定。RVRVVIICCBECCREFC2镜像电流源

9、电路的特点是工作三极镜像电流源电路的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流管的集电极电流是电流源电路电流的镜像的镜像( (相等）。相等）。BE2BE1BE21,VVV三极管三极管T T1 1、T T2 2匹配，则：匹配，则：)21 (222CB2CB1CEFRIIIIIIIVVRRCCBEEF，当 2时，IICR2EF，IC2和 IREF是镜像关系。5.1.2.2 5.1.2.2 精密电流源精密电流源精密镜像电流源和普通镜精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其精度提像电流源相比，其精度提高了高了 倍。倍。由于有由于有T T3 3存在，存在，I IB3B3将比镜像电将比镜像电流源的流源的2

10、 2I IB B小小3 3倍，因此倍，因此I IC2C2和和I IREFREF更加接近。更加接近。镜像电流源电路适用于镜像电流源电路适用于较大工作电流较大工作电流( (毫安数量级毫安数量级) )的场合的场合5.1.2.3 Widlar5.1.2.3 Widlar电流源电流源微电流源电路通过接入微电流源电路通过接入R Re e电电阻得到一个比基准电流小许阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用于微多倍的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。功耗的集成电路中。eE2BE2BE1=RIVVBEBE2BE1eE2VVVRIeBEE2O/ RVIII I O O与与I IREFREF的关系：的关系：)

11、ln(lneeS2oS1REFTBE2BE1BE/S2E2C2O/S1E1REFT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV一般有一般有I IS1S1= = I IS2S2，所以，所以TeOOREFOREFe2Te2BEOlnlnVRIIIIIRVRVI因因 V VBEBE小，小，I IO O I IREFREF。同时。同时I IO O的稳定性也比的稳定性也比I IREFREF好。好。在镜像电流源电路中，若增加在镜像电流源电路中，若增加两个发射极电阻，使两个发射两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。关系，即可构成比例电

12、流源。5.1.2.4 5.1.2.4 比例电流源比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有因两三极管基极对地电位相等，于是有e2E2BE2e1E1BE1=RIVRIVe2e1REFOe2E2e1E1BE2BE1 ,RRIIRIRIVV通过一个基准电流通过一个基准电流源稳定多个三极管源稳定多个三极管的工作点电流，即的工作点电流，即可构成多路电流源，可构成多路电流源，一个基准电流一个基准电流I IREFREF可可获得多个恒定电流获得多个恒定电流I IC2C2、I IC3C3。5.1.2.5 5.1.2.5 多电流源多电流源5.1.3 5.1.3 电流源作有源负载电流源作有源负载 电流源直流电阻小

13、，交电流源直流电阻小，交流电阻很大，常作为负流电阻很大，常作为负载使用，称为有源负载。载使用，称为有源负载。 T T1 1是放大管，是放大管，T T2 2、T T3 3组成组成镜像电流源作为镜像电流源作为T1T1的集的集电极有源负载。电极有源负载。 电流源亦常用作射极负电流源亦常用作射极负载。载。电流源作集电极负载电流源作集电极负载5.2 差分式放大电路 差分式放大电路差分式放大电路放大两个输入信号之差。在放大两个输入信号之差。在电路和性能方面有许多优点，成为集成运放的主电路和性能方面有许多优点，成为集成运放的主要组成单元。要组成单元。)(21iiVDovvAv差分放大电路是由对称的两个基本放

14、大电路，通过射极公差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的共电阻耦合构成的. .对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等. . 1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO Rc1=Rc2= Rc Rb1=Rb2= Rb5.2.15.2.1差分放大电路组成差分放大电路组成差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C C1 1，另一个是，另一个是集电极集电极C C2 2。从。从C C1 1和和C C2 2输

15、出称为双端输出，仅从集电极输出称为双端输出，仅从集电极C C1 1或或C C2 2对地对地输出称为单端输出。输出称为单端输出。5.2.2 5.2.2 差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路一般有两个输入端差分放大电路一般有两个输入端同同相输入端，反相输入端相输入端，反相输入端根据规定的正方向，在一个输入端加上一根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端性与其相同，则该输入端称为同相输入端。 反之，如果所得到的输出信号的极性反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，

16、则该输入端称为反相输入端。与其相反，则该输入端称为反相输入端。信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；为双端输入； 若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。差模信号差模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号；共模信号共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。5.2.3 5.2.3 差模信号和共模信号差模信号和共模信号差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号

17、不差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。予放大。差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路形式。形式。共模信号和差模信号共模信号和差模信号 差模信号是两个输入信号之差，共模信号是二者的算术平差模信号是两个输入信号之差，共模信号是二者的算术平均值。均值。？21iiidvvv)(2121iiicvvv 用共模和差模信号用共模和差模信号表示两个输入电压：表示两个输入电压：2/1idicivvv2/2idicivvv 总的输出电压：总的输出电压：icVCidVDovAvAvi1i2icic00-+ididttvvvvvvVi

18、d /2Vid /25.2.4 5.2.4 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 由两个特性相同的由两个特性相同的BJT BJT T T1 1、T T2 2组成对称电路，电组成对称电路，电路参数对称路参数对称, R, RC1C1=R=RC2C2=R=RC C。 该电路有两个输入端和该电路有两个输入端和两个输出端，称双端输两个输出端，称双端输入、双端输出电路。入、双端输出电路。什么是零点漂移什么是零点漂移( (简称零简称零漂漂)?)?在直流放大电路中，我在直流放大电路中，我们把输入信号为零时，们把输入信号为零时，输出电压偏离其初始值输出电压偏离其初始值的现象称为零点漂移。的现象称为零点漂移。 （

19、1 1）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端漂移现象越严重。漂移现象越严重。（2 2）第一级的零漂影响最大。）第一级的零漂影响最大。 u uo ot t0 0有时会将有时会将信号淹没信号淹没5.2.4.1 5.2.4.1 抑制零点漂移抑制零点漂移产生零漂的原因产生零漂的原因（1 1） 温度的变化温度的变化最主要。最主要。（2 2）电流电压的波动。电流电压的波动。（3 3） 电路元件参数的变化。电路元件参数的变化。减少零漂的措施减少零漂的措施（1 1） 选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。（2 2） 采用差分放大电

20、路。采用差分放大电路。 差分式电路中，无论温差分式电路中，无论温度变化，还是电源电压度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。入端加入了共模信号。 由于电路的对称性和恒由于电路的对称性和恒流源偏置，理想情况下，流源偏置，理想情况下，可使输出电压不变，从可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。而抑制了零点漂移。 实际情况下，要做到实际情况下，要做到两管电路完全对称和两管电路完全对称和理想恒流源比较困难，理想恒流源比较困难，但输出漂移电压将大但

21、输出漂移电压将大为减小。为减小。 差分式放大电路特别差分式放大电路特别适用于作多级直接耦适用于作多级直接耦合放大电路的输入级。合放大电路的输入级。拟制零漂：拟制零漂： 电路参数的对称性电路参数的对称性 R RE E的负反馈作用的负反馈作用零漂产生原因：零漂产生原因：三极管的温度敏感特性三极管的温度敏感特性归纳：归纳：5.2.4.2 5.2.4.2 差分放大电路的静态分析差分放大电路的静态分析为使差分放大电路在静态时，输入端基本上是零电位，将为使差分放大电路在静态时，输入端基本上是零电位，将R Re e从从接地改为接负电源接地改为接负电源V VEEEE，偏置电阻，偏置电阻R Rb b可以取消，改

22、为可以取消，改为V VEEEE和和R Re e提供基极偏置电流。提供基极偏置电流。( (长尾电路长尾电路) )R Re e起电流负反馈作用，可以克服电路不对称引起的零漂，起电流负反馈作用，可以克服电路不对称引起的零漂，并减小每管集电极对地的漂移电压。并减小每管集电极对地的漂移电压。R Re e对共模信号有负反馈，对差模信对共模信号有负反馈，对差模信号没有负反馈，使共模电压增益减号没有负反馈，使共模电压增益减小，对差模电压增益没有影响，能小，对差模电压增益没有影响，能有效地提高有效地提高共模拟制比共模拟制比。对于差模信号，由于两管的输入信号对于差模信号，由于两管的输入信号使两管电流异向变化，只要

23、电路对称使两管电流异向变化，只要电路对称性足够好，两管的电流总量保持不变，性足够好，两管的电流总量保持不变， R Re e两端没有差模信号压降，两端没有差模信号压降， 故故R Re e对对于差模信号没有负反馈。于差模信号没有负反馈。当当V VCCCC一定时，一定时， R Re e阻值越大，阻值越大，其上的直流压降增大，集电其上的直流压降增大，集电极电流减小，将影响静态工极电流减小，将影响静态工作点和电压增益。因此引入作点和电压增益。因此引入负电源，来补偿负电源，来补偿R Re e上的直流上的直流压降，避免输出电压变化范压降，避免输出电压变化范围太小，同时也为电路提供围太小，同时也为电路提供合适

24、的静态电流。合适的静态电流。R Re e阻值越大，共模负反阻值越大，共模负反馈作用越强，零漂越小。馈作用越强，零漂越小。esBEEEB2)1 (=RRVVIBEEBECCEEEeCEcCCCCBC+=2=VVVVVVVRIVRIVVII5.2.4.3 差分放大电路的动态分析差分放大电路的动态分析在电路的两个输入端各在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性加一个大小相等、极性相反的信号电压，即相反的信号电压，即vi1=-vi2vid/2时，一管电时，一管电流将增加，另一管电流流将增加，另一管电流则减小，输出信号电压则减小，输出信号电压vovc1-vc20，即在两输，即在两输出端间有信号电压输出出

25、端间有信号电压输出。vid=vi1-vi2 即为即为差模信差模信号。号。5.2.5 5.2.5 差分式放大电路的动态计算差分式放大电路的动态计算差分放大电路的四种差模工作状态：差分放大电路的四种差模工作状态：1. 1. 双端输入、双端输出（双双端输入、双端输出（双-双）双）2. 2. 双端输入、单端输出（双双端输入、单端输出（双-单）单）3. 3. 单端输入、双端输出（单单端输入、双端输出（单-双）双） 4. 4. 单端输入、单端输出（单单端输入、单端输出（单-单）单） vi1 vi2 R R Rc Rc vc1 vc2 vod= vc1- vc2 T1 T2 +VCC -VEE t vod

26、vi1 t vi2 t vc1 t vc2 Re IRe vi1 vi2 Rs Rs Rc Rc + + + vc1 vc2 vo vid/2 Rs Rc Rc vc1 vc2 + - E E B C C ib ib ib ib Rs B vod vo1 vo2 + + - - + - - + vid/2 (1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数A Av vd d 双端输入差分放大电路的负载电阻接在两集电极之间双端输入差分放大电路的负载电阻接在两集电极之间，vi接在两输入端之间，也可看成接在两输入端之间，也可看成vi /2各接在两输入端各接在两输入端与地之间。与地之间。双端输入、双端输出差

27、模电压放大倍数双端输入、双端输出差模电压放大倍数这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的情况。情况。i1i2i1i2=vvvvo1o2o1o2=vvvvbesLc1i1o1i1o2i1i2o1oiovd2/22rRRRvvvvvvvvvvA双端输入、单端输出差模电压放大倍数双端输入、单端输出差模电压放大倍数beLcd2/rRRRAsv双端输入单端输出因只双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端模电压放大倍数是双端输出的二分之一。这种输出的二分之一。

28、这种方式适用于将差分信号方式适用于将差分信号转换为单端输出信号。转换为单端输出信号。 单端输入信号可以转换为单端输入信号可以转换为双端输入，右侧的双端输入，右侧的Rs+rbe归归算 到 发 射 极 回 路 的 值 为算 到 发 射 极 回 路 的 值 为(Rs+rbe)/（1+ ）vI VL时，时，vO1为为低电平低电平，vO2为为低电平低电平，D3、D4截止，截止，vO=低电平。低电平。高电平信号的电位水平高电平信号的电位水平高于某规定值高于某规定值VH的情况的情况，相当比较电路正饱和，相当比较电路正饱和输出。输出。低电平信号的电位水平低电平信号的电位水平低于某规定值低于某规定值VL的情况的

29、情况，相当比较电路负饱和，相当比较电路负饱和输出。输出。该比较器有两个阈值，该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。，故称为窗口比较器。(4)(4)比较器的应用比较器的应用比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出波形整形为方波输出,(a) 正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰的正弦波变换为方波有干扰的正弦波变换为方波 5.5.2 非正弦波发生电路5.5.2.15.5.2.1方波发生器方波发生器方波发生器是由滞回比较器和方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构

30、成的定时电路构成的.21Z2PZOC, 0RRVRVVvv 电源刚接通时,电容C充电， VC升高NCVv PVZoVv)ln(f12212RRCRT电容电容C放电放电， VC下降下降NCVv PV返回初态返回初态21Z2PRRVRVZOVv(2) 占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电路为了改变输出方波的占空比，应改变电容器为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时的充电和放电时间常数。间常数。C充电时，充电电流经电位器的上半充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管部、二极管D1、R1；C放电时，放电电流经放电时，放电电流经R1、二极管、二极管D2、电位器的下半部。、电位器的下

31、半部。改变改变Rw的中点位置，占空比就可改变。的中点位置，占空比就可改变。占空比为：占空比为：2111TTCRrR111dwCRrRR122dw w5.5.2.2 5.5.2.2 三角波发生器三角波发生器 三角波发生器由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分三角波发生器由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的VREF 。当当vO1=+VZ时时,电容电容C充电充电, 同同时时vO按线性逐渐下降，当使按线性逐渐下降，当使A1的的Vp略低于略低于VN 时，时，vO1 从从+VZ跳变为跳变为- -VZ。在在vO1= -

32、 - VZ后，电容后，电容C开始放开始放电，电， vO按线性上升，当使按线性上升，当使A1的的Vp的略大于零时，的略大于零时， vO1从从- -VZ跳变为跳变为+VZ ，如此周而复，如此周而复始，产生振荡。始，产生振荡。 vO的上升、的上升、下降时间相等，下降时间相等， vO斜率绝对斜率绝对值也相等，故为三角波。值也相等，故为三角波。5.5.2.3 5.5.2.3 锯齿波发生器锯齿波发生器为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管极管D和和R 将使充电时间常数减小为将使充电时间常数减小为(RR )C，而放电时间常数，而放电时