模拟电子技术：第六章 模拟集成电路

1、6 模拟集成电路6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.3 差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响6.2 差分式放大电路引 言 把整个电路中的元器件制作在一个硅片上，构成特定功能的电子电路，成为集成电路，分为模拟集成电路和数字集成电路。1、电路在一个芯片上，元件参数偏差小，方向一致，温度均一性好。2、电路用半导体来代替，阻值在几十到几十千欧姆，精度低，高阻值用电流源来代替或者外接。3、几十皮法的电容用PN结电工来代替，大电容要外接。4、二极管用三极管来代替。5、芯片面积小，集成度高，电流小，功耗小。6、一般采用直接耦合方式。6

2、.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1 BJT电流源电路6.1.2 FET电流源1. 镜像电流源2. 微电流源3. 高输出阻抗电流源4. 组合电流源1. MOSFET镜像电流源2. MOSFET多路电流源3. JFET电流源6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源T1、T2的参数全同 即12，ICEO1ICEO2 当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符号6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源动态电阻 一般ro在几百千欧以上6.1.1 BJT电流源电路2. 微电流源由于很小，所以IC2也很小。rorce2（1 ） （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻

3、）A1和A3分别是T1和T3的相对结面积 动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高6.1.1 BJT电流源电路3. 高输出阻抗电流源6.1.1 BJT电流源电路4. 组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3，T4和T6构成了微电流源6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时（=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为 常用的镜像电流源 6.1.2 FET电流源2. M

4、OSFET多路电流源6.1.2 FET电流源3. JFET电流源end(a) 电路 (b) 输出特性 6.2 差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构6.2.2 射极耦合差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构1. 用三端器件组成的差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构2. 有关概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益总输出电压其中差模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比反映抑制零漂能力的指标6.2.1 差分式放大电路的一般结构2. 有关概念根据有 共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号

5、中不同的部分 两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。6.2.2 射极耦合差分式放大电路1. 电路组成及工作原理6.2.2 射极耦合差分式放大电路1. 电路组成及工作原理静态动态仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，信号被放大。相位相反。1. 电路组成及工作原理2. 抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的， 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 2. 抑制零点漂移原理差分式放大电路对共模信号有很强抑制

6、作用3. 主要指标计算（1）差模情况接入负载时以双倍的元器件换取抑制零漂的能力 双入、双出3. 主要指标计算（1）差模情况 双入、单出接入负载时3. 主要指标计算（1）差模情况 单端输入等效于双端输入 指标计算与双端输入相同。3. 主要指标计算（2）共模情况 双端输出 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以共模增益 单端输出抑制零漂能力增强3. 主要指标计算（2）共模情况（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压（4）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态(2)电压增

7、益(3)差分电路的共模增益共模输入电压不计共模输出电压时(4)4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 IREFIO IE54. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模电压增益（负载开路） 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益 4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻 Rid2rbe输出电阻4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro56.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路1. CMOS差分式放大电路双端输出差模电压增益而:所以：6.2.3 源极耦合差分式放大电路1.

8、CMOS差分式放大电路单端输出差模电压增益vo2(id4-id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） (ro2/ ro4) gm(ro2 / ro4 )与双端输出相同end6.3 差分式放大电路的传输特性根据iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线end6.4 集成电路运算放大器6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器741集成电路

9、运算放大器内部框图集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小BJTLM741特点：单片高性能内补偿，较宽的共模和差模电压范围，具有短路保护及失调电压调到零的能力。1 82 73 64 5OA1IN-1N+V-NCV+OUTOA2-23374156.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器1. 电路结构和工作原理2. 电路技术指标的分析计算(1)直流分析已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。(2)小信号分析设 gm1 = gm2 = gm 则2. 电路技术指标的分析计算输入级电压增益 (2)小信号分析2. 电路技术指标的分析计算总电压增益

10、 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7 =gm7(rds7/rds8) 第二级电压增益 将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）6.4.2 集成运算放大器741原理电路 6.4.2 集成运算放大器741简化电路end6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）1. 输入失调电压VIO 在室温（25）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VIO。一般约为（

11、110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。2. 输入偏置电流IIB 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 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）3. 输入失调电流IIO 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静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约为1 nA0.1A。 4. 温度漂移（1）输入失调电压温漂VIO / T（2）输入失调电流温漂IIO / T6.5.1 实际集成

12、运放的主要参数差模特性1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO开环带宽BW (fH)单位增益带宽 BWG (fT)741型运放AvO的频率响应 6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3. 最大差模输入电压Vidmax6.5.1 实际集成运放的主要参数共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（8012

13、0）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。 2. 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1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性1. 转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR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SR

14、在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。电源特性1. 电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV 6.5.1 实际集成运放的主要参数1. 集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。 6.5.2 集成运放应用中的实际问题2. 失调

15、电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 6.5.2 集成运放应用中的实际问题输入为零时的等效电路解得误差电压当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时当电路为积分运算时，即 换成电容C，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在end3. 调零补偿6.5.2 集成运放应用中的实际问题（a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路2.1 集成电路运算放大器2 运算放大器2.2 理想运算放大器2.3 基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电 路的其他应用补充第六章2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.1 集成运算放大器的内部结

16、构框图2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.2 运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号2. 运算放大器的电路模型图2.1.3 运算放大器的电路模型通常： 开环电压增益 Avo的105 （很高） 输入电阻 ri 106 （很大） 输出电阻 ro 100 （很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意输入输出的相位关系2. 运算放大器的电路模型当Avo(vPvN) V 时 vO V 当Avo(vPvN) V-时 vO V-电压传输特性 vO f (vPvN)线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率end2.2 理想运

17、算放大器1. vo的饱和极限值等于运放的电源电压V和V 2. 运放的开环电压增益很高 若（vPvN）0 则 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 则 vO= Vom=V 3. 若V vO R3时，（1）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（1）根据虚断有 Ii =0所以 I2 = Is = Vs / R1 例2.3.3直流毫伏表电路（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？ 又根据虚短有 Vp = Vn =0R2和R3相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im )所以当R2 R3时，Vs( R3R1/R2 ) Im

18、（2）代入数据计算即可end2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1 求差电路2.4.2 仪用放大器2.4.3 求和电路2.4.4 积分电路和微分电路2.4.1 求差电路 从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。当则若继续有则 根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：2.4.1 求差电路从放大器角度看时，增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）2.4.1 求差电路一种高输入电阻的差分电路2.4.2 仪用放大器2.4.3 求和电路 根据虚短、虚断和N点的KCL得：若则有（该电路也称为加法电路）2.4.4 积分电路和微分电路1. 积分电路式中，负号表示vO与vI在相位上是相反

19、的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得因此电容器被充电，其充电电流为设电容器C的初始电压为零，则（积分运算）2.4.4 积分电路和微分电路当vI为阶跃电压时，有vO与 t 成线性关系1. 积分电路2.4.4 积分电路和微分电路2. 微分电路end6.6 变跨导式模拟乘法器6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理6.6.2 模拟乘法器的应用6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理1. 变跨导二象限乘法器与差分式放大电路的差别（a）原理电路 （b）同相（或反相）乘法器代表符号电流源iEE受输入电压vY的控制6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理1. 变跨导二象限乘法器单入双出方式即又所以6.6.1

20、 变跨导式模拟乘法器的工作原理1. 变跨导二象限乘法器 对于T3、T4构成的镜像电流源，当vY VBE时所以其中（乘法运算）而由vY 控制跨导gm变化，所以称为变跨导乘法器6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理1. 变跨导二象限乘法器电路的最后输 缺点： 精度差 vY必须大于0V，只能实现两个象限的乘法运算乘法器的符号 6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理2.双平衡四象限乘法器其中（乘法运算）信号大时增加非线性补偿电路1. 运算电路6.6.2 运放模拟乘法器的应用（1）乘方 1. 运算电路6.6.2 运放模拟乘法器的应用（2）除法 只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反馈工

21、作状态，而vX1则可正可负，故属二象限除法器。 利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有1. 运算电路6.6.2 放模拟乘法器的应用（3）开平方 利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有vi必须为负值时，电路才能正常工作。 2. 压控放大器6.6.2 放模拟乘法器的应用 乘法器的一个输入端加一直流控制电压VC，另一输入端加一信号电压vs时，乘法器就成了增益为KVc的放大器。当Vc为可调电压时，就得到可控增益放大器。 调制和解调在通信、广播、电视和遥控等领域中得到广泛的应用。利用模拟乘法器的功能很容易实现调制和解调的功能。3. 调制解调（略）end6.7 放大电路中的噪声与干扰6.7.1 放大电路中

22、的噪声6.7.2 放大电路中的干扰6.7.1 放大电路中的噪声1. 噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声 由电子无规则热运动而产生随时间而变化的电压称为热噪声电压。（2）三极管的噪声 热噪声 由于载流子不规则的热运动通过BJT内三个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb所产生的噪声是主要的。FET主要是沟道电阻的热噪声。 散粒噪声 由于通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动，产生散粒噪声。 闪砾噪声 这种噪声与频率成反比，故又称为1/f 噪声或低频噪声。 JFET的噪声主要来源于沟道电阻热噪声，MOSFET的1/f 噪声较严

23、重，因而低频时MOSFET比JFET的噪声大。一般而言，FET的噪声比BJT小。此外。电阻元件中碳膜电阻的1/f 噪声最大，绕线电阻的1/f 噪声最小。集成运放的噪声，是由组成运放内部电路的元器件产生的噪声源以及内部电路连接的噪声源累计的结果。一般是通过实验方法进行测量。6.7.1 放大电路中的噪声2. 放大电路的噪声指标噪声系数定义其中 AP 为功率增益 放大电路不仅把输入端的噪声进行放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必然小于输入端信噪比。 当NF用分贝（dB）表示时6.7.1 放大电路中的噪声2. 放大电路的噪声指标噪声系数因为当满足 Ri=Ro 时，NF可表示为另一种形式： 一个无噪声放大电路的噪声系数是0dB，一个低噪声放大电路的噪声系数应小于3dB。6.7.1 放大电路中的噪声3. 减小噪声的措施选低噪声集成运放，如OP-27，AD745等；采用滤波处理或引入负反馈以抑制噪声；转换为数字信号后，借助软件方法，对数据进行处理以减小噪声的影响。6.7.2 放大电路中的干扰1. 杂散电磁场干扰和