CHAPTER模拟集成电路实用学习教案

1、会计学1CHAPTER模拟集成电路模拟集成电路(jchng-dinl)实用实用第一页，共58页。6.1.1 BJT电流电流(dinli)源电路源电路1. 镜像电流镜像电流(dinli)源源BE1BE2=VVE1E2= IIC1C2= IIT1T1、T2T2的参数的参数(cnsh)(cnsh)全同全同 即即12，ICEO1ICEO2 当当BJT的的较大时，基极电流较大时，基极电流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符号代表符号第1页/共58页第二页，共58页。6.1.1 BJT电流电流(dinli)源电路源电路1. 镜像电流镜像电流(dinli)

2、源源动态动态(dngti)(dngti)电阻电阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上ce r 第2页/共58页第三页，共58页。6.1.1 BJT电流电流(dinli)源电路源电路2. 微电流微电流(dinli)源源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV 由于由于很小很小，BEV 所以所以(suy)IC2也很小。也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）oR 第3页/共58页第四页，共58页。A1和和A3分别分别(fnbi)是是T1和和T3的相的相对结面积

3、对结面积 动态动态(dngti)输出电阻输出电阻ro远比微电流源的动态远比微电流源的动态(dngti)输出电阻为高输出电阻为高6.1.1 BJT电流电流(dinli)源电路源电路3. 高输出阻抗电流源高输出阻抗电流源RVVVVIEEBE23BECCREF REF13C2oIAAII 第4页/共58页第五页，共58页。6.1.1 BJT电流电流(dinli)源电路源电路4. 组合组合(zh)电流源电流源T1、R1 和和T4支路产生支路产生(chnshng)基准电流基准电流IREF1EB4BE1EECCREFRVVVVI T1和和T2、T4和和T5构成镜像电流源构成镜像电流源T1和和T3，T4和和

4、T6构成了微电流源构成了微电流源第5页/共58页第六页，共58页。6.1.2 FET电流电流(dinli)源源1. MOSFET镜像电流镜像电流(dinli)源源当器件当器件(qjin)具有不同的宽具有不同的宽长比时长比时RVVVIIIGSSSDDREFD2O REF1122O/ILWLWI （ =0=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 第6页/共58页第七页，共58页。6.1.2 FET电流电流(dinli)源源1. MOSFET镜像电流镜像电流(dinli)源源2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用用T3代替代替R，T1T3

5、特性相同，且特性相同，且工作在放大工作在放大(fngd)区，当区，当=0时，时，输出电流为输出电流为 常用的镜像电流源常用的镜像电流源 第7页/共58页第八页，共58页。6.1.2 FET电流电流(dinli)源源2. MOSFET多路电流多路电流(dinli)源源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 第8页/共58页第九页，共58页。6.1.2 FET电流电流(dinli)源源3. JFET电流电流(dinli)源源end(a) 电路电路(dinl) (b) 输出特性输出特性 第9页/

6、共58页第十页，共58页。6.2 差分差分(ch fn)式放大电式放大电路路6.2.1 差分式放大电路的一般差分式放大电路的一般(ybn)结构结构6.2.2 射极耦合差分式放大射极耦合差分式放大(fngd)电电路路6.2.3 源极耦合差分式放大电路源极耦合差分式放大电路第10页/共58页第十一页，共58页。6.2.1 差分式放大电路差分式放大电路(dinl)的一般的一般结构结构1. 用三端器件组成的差分式放大用三端器件组成的差分式放大(fngd)电电路路第11页/共58页第十二页，共58页。6.2.1 差分式放大差分式放大(fngd)电路的一般电路的一般结构结构2. 有关有关(yugun)概概

7、念念i2i1id=vvv 差模信号差模信号(xnho)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号idod=vvv A差模电压增益差模电压增益icoc=vvv A共模电压增益共模电压增益icciddooo =vvvvvvvAA 总输出电压总输出电压其中其中ov 差模信号产生的输出差模信号产生的输出ov 共模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK第12页/共58页第十三页，共58页。6.2.1 差分式放大电路的一般差分式放大电路的一般(ybn)结结构构2. 有关有关(yugun)概念概念根据根据(gnj)2=idic

8、i1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有有 共模信号相当于两个输入共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分端信号中不同的部分 两输入端中的共模信号两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。信号大小相等，相位相反。第13页/共58页第十四页，共58页。6.2.2 射极耦合差分式放大射极耦合差分式放大(fngd)电路电路1. 电路电路(dinl)组成及工作组成及工作原理原理第14页/共58页第十五页，共58页。6.2.

9、2 射极耦合差分式放大射极耦合差分式放大(fngd)电电路路1. 电路组成电路组成(z chn)及及工作原理工作原理静态静态(jngti)OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 第15页/共58页第十六页，共58页。动态动态(dngti)仅输入仅输入(shr)差模信差模信号，号， i2i1vv和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，大小相等， 0O2O1o vvv信号信号(xnho)被放大被放大。相位相反。相位相反。1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理第16页/共58页第十七

10、页，共58页。2. 抑制零点抑制零点(ln din)漂移漂移原理原理 温度温度(wnd)(wnd)变化和电源变化和电源电压波动，都将使集电极电流电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同产生变化。且变化趋势是相同的，的， 其效果其效果(xiogu)(xiogu)相相当于在两个输入端加入了共当于在两个输入端加入了共模信号。模信号。第17页/共58页第十八页，共58页。 iC1 iC2 温度温度 iC1 iE1 iC2 iE2 这一过程类似于分压式射这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出所以，即使电路处于单端输出方 式 时 ，

11、 仍 有 较 强 的 抑 制方 式 时 ， 仍 有 较 强 的 抑 制(yzh)(yzh)零漂能力。零漂能力。 vE （vB1、vB2不变）不变） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 2. 抑制零点抑制零点(ln din)漂移原理漂移原理差分式放大电路差分式放大电路(dinl)(dinl)对共模信号有很强抑对共模信号有很强抑制作用制作用第18页/共58页第十九页，共58页。3. 主要主要(zhyo)指标计指标计算算（1）差模情况）差模情况(qngkung) idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入负载接入负载(fzi)时时i1o122vv becrR beLcd)21/(=rR

12、RA v以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出第19页/共58页第二十页，共58页。3. 主要主要(zhyo)指标计指标计算算（1）差模情况）差模情况(qngkung) 双入、单出双入、单出 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入负载接入负载(fzi)时时beLcd2)/(=rRRA v第20页/共58页第二十一页，共58页。3. 主要主要(zhyo)指标计指标计算算（1）差模情况）差模情况(qngkung) 单 端 输 入单 端 输 入(shr)(shr)eorr 等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双端指标计算

13、与双端输入相同。输入相同。第21页/共58页第二十二页，共58页。3. 主要指标主要指标(zhbio)计算计算（2）共模）共模(n m)情情况况 双 端 输 出双 端 输 出(shch)(shch) 共模信号的输入使两管集共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。电极电压有相同的变化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益共模增益第22页/共58页第二十三页，共58页。 单 端 输 出单 端 输 出(shch)(shch)icoc1c1vvv A抑制抑制(yzh)零漂能力零漂能力增强增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA3. 主要指标

14、主要指标(zhbio)计计算算（2）共模情况）共模情况第23页/共58页第二十四页，共58页。（3）共模）共模(n m)抑制比抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 双端输出双端输出(shch)(shch)，理想情，理想情况况 CMRK 单 端 输 出单 端 输 出(shch)(shch) CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直

15、流信号。第24页/共58页第二十五页，共58页。例例(4)当输出接一个当输出接一个12k负载负载(fzi)时的差模电压增益时的差模电压增益.解解：求求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。时，时，当当，均为硅管，均为硅管，、V008050TTTOi321321 vv?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23C vvvvv时，时，当当的值的值及及、AAARVVIII(1)静态静态(jngti)第25页/共58页第二十六页，共58页。 k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)电压电压(diny)增益增益mA37.

16、 0c2BE3e3E3C2 RVRII V9V )7 . 0(1037. 012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74. 022C2E2E III k2 . 5k 74. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR k78. 3mV26)1(200E22be2Ir 第26页/共58页第二十七页，共58页。 k3 .245)1(e33be3i2RrR (3)50)(2)/(b1bei2c22d2 RrRRAv9 . 3)1()/(e33beL3c32 RrRRAv1952d2 vvvAAAmV5 . 2)0mV5(21)(21i2i1ic vvv差分差分(ch fn)电路

17、的共模增益电路的共模增益3 . 0)(2)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvmV972)9 . 3(5 . 2)3 . 0(550)(2icc2idd22O2O vvvvvvvvAAAA共模输入共模输入(shr)电压电压不计共模不计共模(n m)输出电压时输出电压时mV975O v第27页/共58页第二十八页，共58页。(4)时时 k12LR95. 1)1()/(e33beL3c32 RrRRAv5 .972d2 vvvAAA第28页/共58页第二十九页，共58页。4. 带有源负载的射极耦合差分带有源负载的射极耦合差分(ch fn)式放大电式放大电路路静态静态(jng

18、ti) (jngti) IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5第29页/共58页第三十页，共58页。4. 带有源负载的射极耦合差分式放大带有源负载的射极耦合差分式放大(fngd)电路电路差模电压增益差模电压增益（负载（负载(fzi)(fzi)开开路）路） 0ce4o2ce2o2c2c4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 则则 单端输出单端输出(shch)(shch)的电压增益接近于双端输出的电压增益接近于双端输出(shch)(shch)的电压增益的电压增益 第3

19、0页/共58页第三十一页，共58页。4. 带有源负载的射极耦合差分带有源负载的射极耦合差分(ch fn)式放式放大电路大电路差模输入电阻差模输入电阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 输出电阻输出电阻第31页/共58页第三十二页，共58页。4. 带有源负载带有源负载(fzi)的射极耦合差分式放大的射极耦合差分式放大电路电路共模共模(n m)输入电阻输入电阻 Ricrbe2(1)ro5第32页/共58页第三十三页，共58页。6.2.3 源极耦合差分源极耦合差分(ch fn)式放大式放大电路电路1. CMOS差分式放大差分式放大(fngd)电电路路第33页/共58页第三十四页，共58页。6.2

20、.3 源极耦合差分式放大源极耦合差分式放大(fngd)电路电路1. CMOS差分差分(ch fn)式放大式放大电路电路双端输出差模电压双端输出差模电压(diny)(diny)增益增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvvv 而而: :)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：所以：第34页/共58页第三十五页，共58页。6.2.3 源极耦合差分式放大源极耦合差分式放大(fngd)电路电路1. CMOS差分差分(ch fn)式放大式放大电路电路单端输出差模电压单端输出差模电压(diny)(diny)增

21、益增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(ro2 / ro4 )与双端输出相同与双端输出相同end第35页/共58页第三十六页，共58页。6.3 差分差分(ch fn)式放大电路的传输式放大电路的传输特性特性根据根据TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性可得传输特性(txng)曲线曲线 vO1，vO2f（vi

22、d）第36页/共58页第三十七页，共58页。vO1，vO2f（vid）的传输特性）的传输特性(txng)曲线曲线end第37页/共58页第三十八页，共58页。6.4 集成电路集成电路(jchng-dinl)运算放大器运算放大器6.4.1 集成电路集成电路(jchng-dinl)运算放大器运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成集成(j chn)运算放大器运算放大器741第38页/共58页第三十九页，共58页。6.4.1 CMOS MC14573 集成电路集成电路(jchng-dinl)运算放大器运算放大器1. 电路结构电路结构(jigu)和工作原理和工作原理第39页/共58页第四十

23、页，共58页。2. 电路技术指标的分析电路技术指标的分析(fnx)计算计算( 1 )( 1 ) 直 流 分 析直 流 分 析(fnx)(fnx)REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVVVRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根据根据(gnj)各管子的宽长比各管子的宽长比 ，可求出其它支路，可求出其它支路电流。电流。第40页/共58页第四十一页，共58页。( 2 )( 2 ) 小 信 号小 信 号(xnho)(xnho)分析分析2idgs1vv 2idgs2vv 设设 gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o

24、2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则则)/()/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv 2. 电路电路(dinl)技术指标的分析计算技术指标的分析计算)/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv输入级电压增益输入级电压增益 第41页/共58页第四十二页，共58页。(2)(2)小信号小信号(xnho)(xnho)分析分析2. 电路电路(dinl)技术指标的分析计算技术指标的分析计算总电压增益总电压增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二级电压增益第

25、二级电压增益 将参数代入计算得将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）第42页/共58页第四十三页，共58页。6.4.2 集成集成(j chn)运算放运算放大器大器741原理原理(yunl)(yunl)电电路路 第43页/共58页第四十四页，共58页。6.4.2 集成集成(j chn)运算放运算放大器大器741简化简化(jinhu)(jinhu)电电路路end第44页/共58页第四十五页，共58页。6.5 实际集成实际集成(j chn)运算放大运算放大器的主要参数和对应用电路的影响器的主要参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成实际集成(j chn)运放的主要参数运放

26、的主要参数6.5.2 集成运放应用集成运放应用(yngyng)中的实中的实际问题际问题第45页/共58页第四十六页，共58页。6.5.1 实际集成实际集成(j chn)运放的主要参数运放的主要参数输入直流误差特性输入直流误差特性(txng)（输入失调特性（输入失调特性(txng)）1. 输入输入(shr)失调电失调电压压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压压VIO。一般约为。一般约为（110）mV。超低失调运放

27、为（。超低失调运放为（120） V。高精度运放。高精度运放OP-117 VIO=4 V。MOSFET达达20 mV。2. 输入偏置电流输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT为为10 nA1 A；MOSFET运放运放IIB在在pA数量级。数量级。第46页/共58页第四十七页，共58页。6.5.1 实际集成实际集成(j chn)运放的主要参数运放的主要参数输入直流误差特性输入直流误差特性(txng)（输入失调特性（输入失调特性(txng)）3. 输入输入(shr)失调电失调电流

28、流IIO 输入失调电流输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约为一般约为1 nA0.1 A。 4. 温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO / T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO / T第47页/共58页第四十八页，共58页。6.5.1 实际集成实际集成(j chn)运放的主要参数运放的主要参数差模特性差模特性1. 开环差模电压开环差模电压(diny)增益增益Avo和带宽和带宽BW 开环差模电压开环差模电压(diny)增益增益

29、AvO开环带宽开环带宽BW (fH)单位增益带宽单位增益带宽 BWG (fT)741型运放型运放AvO的频率响应的频率响应 第48页/共58页第四十九页，共58页。6.5.1 实际实际(shj)集成运放的主要参数集成运放的主要参数差模特性差模特性2. 差模输入电阻差模输入电阻rid和输出电阻和输出电阻ro BJT输入输入(shr)级的运放级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入为输入(shr)级的运放级的运放rid1012超高输入超高输入(shr)电阻运放电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的一般运放的ro200，而超高速，而超高速AD961

30、0的的ro0.05。3. 最大差模输入最大差模输入(shr)电压电压Vidmax第49页/共58页第五十页，共58页。6.5.1 实际实际(shj)集成运放的主要参数集成运放的主要参数共模特性共模特性1. 共模共模(n m)抑制比抑制比KCMR和共模和共模(n m)输入电阻输入电阻ric 一般一般(ybn)通用型运放通用型运放KCMR为（为（80120）dB，高精度，高精度运放可达运放可达140dB，ric100M。 2. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的跟随误差的共模输入电压幅值，

31、高质量的运放可达共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。第50页/共58页第五十一页，共58页。6.5.1 实际集成实际集成(j chn)运放的主要参数运放的主要参数大信号动态大信号动态(dngti)特性特性1. 转换转换(zhunhun)速率速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信号为若信号为viVimsin2 ft ，则运放的，则运放的SR必须满足必须满足SR2fmaxVom第51页/共58页第五十二页，共58页。

32、6.5.1 实际实际(shj)集成运放的主要参数集成运放的主要参数大信号大信号(xnho)动态特性动态特性2. 全功率全功率(gngl)带宽带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在在nV/ s以下，以下，741的的SR=0.5V/ s而高速运放要求而高速运放要求SR30V/ s以上。目前超以上。目前超高速的运放如高速的运放如AD9610的的SR3500V/ s。omRmaxP2 VSfBW 第52页/共58页第五十三页，共58页。电源电源(dinyun)特性特性1. 电源电压电源电压(diny)抑制比抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出衡量电源电压波动对输出(shch)(shch)电压的影响电