CHAPTER6模拟集成电路学习教案

1、会计学1CHAPTER6模拟模拟(mn)集成电路集成电路第一页，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T1T1、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 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)源源动态动态(dngti)(dngti)电电阻阻 一般一般ro在几百千欧以上在几百千欧以上第2页/共58页第三页

2、，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的相对的相对结面积结面积 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)输出输出电阻为高电阻为高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

3、流源第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支路支路(zh l)产生基准电产生基准电流流IREFT1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)源源当器件具有当器件具有(jyu)不同的宽不同的宽长比时长比时REF1122O/ILWLWI （ =0=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 第

4、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 用用T3代替代替R，T1T3特性相同特性相同(xin tn)，且工作在放大区，当，且工作在放大区，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

5、出特性 第9页/共58页第十页，共58页。6.2 差分式放大差分式放大(fngd)电路电路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)电路电路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 差分差分(ch fn)式放大电路的一式放大电路的一般结构般结构1. 用三端器件用三端器件(qjin)组成的差分式放大组成的差分式放大电路电路第11页/共58页第十二页，共58页。6.2.1 差分式放大电路差分式放大电路(dinl)的一的一般结构般结构2. 有关有关(

6、yugun)概念概念差模信号差模信号(xnho)共模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益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第12页/共58页第十三页，共58页。6.2.1 差分式放大电路差分式放大电路(dinl)的一般结的一般结构构2. 有关有关(yugun)概念概念根据根据(gnj)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

7、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 射极耦合差分射极耦合差分(ch fn)式式放大电路放大电路1. 电路组成电路组成(z chn)及工作原理及工作原理第14页/共58页第十五页，共58页。6.2.2 射极耦合差分射极耦合差分(ch fn)式式放大电路放大电路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)第15页/共58页第十六页，共58页。动

8、态动态(dngti)仅输入仅输入(shr)差模信号差模信号， 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，信号信号(xnho)被放被放大。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页第十七页，共58页。2. 抑制零点漂移抑制零点漂移(pio y)原原理理 温度变化温度变化(binhu)(binhu)和和电源电压波动，都将使集电电源电压波动，都将使集电极电流产生变化极电流产生变化(binhu)(binhu)。且变化。且变化(binhu)(binhu)趋势是趋势是相同的，相同的， 其 效 果 相 当 于 在

9、两 个其 效 果 相 当 于 在 两 个(lin(lin )输入端加入了共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。 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 于所 以 ， 即 使 电 路 处 于(chy)(chy)单端输出方式时，单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。仍有较强的抑制零漂能力。 2. 抑制零点漂移抑制零点漂移(pio y)原理原理差分式放大差分式放大(fngd)(fngd)电路对共模信号有很强电路对共模信号有很强抑制作用抑制作用第18页/共58页第十九页，共58页。

10、3. 主要指标主要指标(zhbio)计算计算（1）差模情况）差模情况(qngkung)接入负载接入负载(fzi)时时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)指标计算指标计算（1）差模情况）差模情况(qngkung) 双入、单出双入、单出接入负载接入负载(fzi)时时第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)等效于双端输入等效于双端输入 指标计算与双端指标计

11、算与双端输入相同。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)情况情况 双 端 输 出双 端 输 出(shch)(shch) 共模信号的输入使两管集电共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。极电压有相同的变化。所以所以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)抑制零漂能力抑制零漂能力(nngl)增强增强3. 主要主要(zhyo)指标计算指标计算（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cd

12、CMRvvAAK 双端输出双端输出(shch)(shch)，理想情，理想情况况单 端 输 出单 端 输 出(shch)(shch)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（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负负载载(fzi)时的差模电压增时的差模电压增益益.解：解：求求:(1)静态静态(jngti)第25页/共58页第二十六页，共58页。(2)电压电压(diny)增增益益第26页/共58页第二十七页，共5

13、8页。(3)差分电路差分电路(dinl)的共模增益的共模增益共模共模(n m)输入电压输入电压不计共模输出不计共模输出(shch)电压时电压时第27页/共58页第二十八页，共58页。(4)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)式放式放大电路大电路静态静态(jngti) (jngti) IE6 IREFIO 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(zngy)(zngy)（负载开路）（负载开路） bece4ce2i

14、do2d2)/(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30页/共58页第三十一页，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5

15、8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差分差分(ch fn)式放大式放大电路电路第33页/共58页第三十四页，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差分式放大差分式放大(fngd)电路电路双端输出双端输出(shch)(shch)差模差模电压增益电压增益) /(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(f

16、ngd)电电路路1. CMOS差分式放大差分式放大(fngd)电路电路单端输出单端输出(shch)(shch)差差模电压增益模电压增益vo2(id4- -id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) 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 差分式放大电路差分式放大电路(dinl)的传输特的传输特性性根据根据TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又又 vO1VCCi

17、C1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性可得传输特性(txng)曲线曲线 vO1，vO2f（vid）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-di

18、nl)运算放大器运算放大器1. 电路电路(dinl)结构和工作原理结构和工作原理第39页/共58页第四十页，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)已知已知VT 和和KP5 ，可求出，可求出IREF 根据各管子的宽长比根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路，可求出其它支路(zh l)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)分析分析设设 gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则

19、则2. 电路电路(dinl)技术指标的分析计算技术指标的分析计算)/(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. 电路技术指标的分析电路技术指标的分析(fnx)计算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 c

20、hn)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)运算放大器运算放大器的主要参数和对应用电路的影响的主要参数和对应用电路的影响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 实际实际(shj)集成运放的

21、主要参数集成运放的主要参数输入直流误差输入直流误差(wch)特性（输入失调特性（输入失调特性）特性）1. 输入输入(shr)失调电压失调电压VIO 在室温（在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使）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压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VIO。一般约为。一般约为（110）mV。超低失调运放为（。超低失调运放为（120） V。高精。高精度运放度运放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个

22、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输入直流误差(wch)特性（输入失调特性）特性（输入失调特性）3. 输入失调输入失调(shtio)电电流流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，即的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约

23、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 实际集成实际集成(

24、j chn)运放的主要参数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输入级的运放输入级的运放(yn fn)rid一般在几百千欧到数兆欧一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放为输入级的运放(yn fn)rid1012超高输入电阻运放超高输入电阻运放(yn fn)rid1013、IIB0.040pA一般运放一般运放(yn fn)的的ro200，而超高速，而超高速AD9610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

25、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，高精度运放，高精度运放可达可达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%跟随误跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达差的共模输入电压幅值，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

26、要参数大信号大信号(xnho)动态特性动态特性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 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。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

27、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。以上。目前超高速的运放如目前超高速的运放如AD9610的的SR3500V/ s。第52页/共58页第五十三页，共58页。电源电源(dinyun)特性特性1. 电源电源(dinyun)电压抑制比电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动衡量电源电压波动(bdng)(bdng)对输出电压的影响对输出电压的影响 2. 静态功耗静态功耗PV 6.5