模拟电子技术基础(第五版)新 课件讲义

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6模拟集成电路6.1模拟集成电路中的直流偏置技术6.316.1模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1BJT电流源电路6.1.2FET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模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1BJT电26.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参数全同即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

Io＝IC2≈IREF＝

代表符号6.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参36.1.1BJT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6.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源动态电阻一般46.1.1BJT电流源电路2.微电流源由于很小，所以IC2也很小。ro≈rce2（1＋）

（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻）6.1.1BJT电流源电路2.微电流源由于很小，所以I5A1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6.1.1BJT电流源电路3.高输出阻抗电流源A1和A3分别是T1和T3的相对结面积动态输出电阻ro远比66.1.2FET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6.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源当器件76.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源用T3代替R，T1~T3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6.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源86.1.2FET电流源2.MOSFET多路电流源6.1.2FET电流源2.MOSFET多路电流源96.2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差分式放大电路6.2.1差分式放大电路的一般结106.2.1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1.用三端器件组成的116.2.1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.有关概念差模信号126.2.1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。6.2.1差分式放大电路的一般结构2.有关概念根据有136.2.2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146.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理静态6.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原15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162.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。2.抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使17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作用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183.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<A>双入、双出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193.主要指标计算（1）差模情况<B>双入、单出接入负载时3.主要指标计算（1）差模情况<B>双入、单出接入负载203.主要指标计算（1）差模情况<C>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（1）差模情况<C>单端输入等效于双端213.主要指标计算（2）共模情况<A>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3.主要指标计算（2）共模情况<A>双端输出共22<B>单端输出抑制零漂能力增强3.主要指标计算（2）共模情况<B>单端输出抑制零漂能力增强3.主要指标计算（2）共23（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。（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24例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(25(2)电压增益(2)电压增益26(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(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27(4)(4)284.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态IE6IREFIO

＝IE54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态IE6I294.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电压增益则单端304.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻Rid＝2rbe输出电阻4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻314.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻

Ric＝rbe＋2(1＋β)ro54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻326.2.3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336.2.3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.CMOS差分式放大346.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路单端输出差模电压增益vo2＝(id4-id2)(ro2//ro4) ＝gmvid（ro2//ro4）

(ro2//ro4) ＝gm(ro2//ro4)与双端输出相同end6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大356.3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vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得传输特性曲线vO1，vO2＝f（vid）6.3差分式放大电路的传输特性根据iC1=iE1，iC36vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线endvO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线end376.4集成电路运算放大器6.4.1集成电路运算放大器CMOSMC145736.4.2集成运算放大器7416.4集成电路运算放大器6.4.1集成电路运算放大器386.4.1CMOSMC14573集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理6.4.1CMOSMC14573集成电路运算放大器1392.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.电路技术指标的分析计算(1)直流分析已知VT和KP540(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)小信号分析设gm1=gm2=gm则2.电41(2)小信号分析2.电路技术指标的分析计算总电压增益Av

=

Av1·Av2

Av2=vo/vgs7

=－gm7(rds7//rds8)

第二级电压增益将参数代入计算得Av

=

40884.8（92.2dB）(2)小信号分析2.电路技术指标的分析计算总电压增益Av426.4.2集成运算放大器741原理电路6.4.2集成运算放大器741原理电路436.4.2集成运算放大器741简化电路end6.4.2集成运算放大器741简化电路end446.5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实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.456.5.1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±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）V。高精度运放OP-117VIO=4V。MOSFET达20mV。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＝（IBN＋IBP）/2BJT为10nA～1A；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466.5.1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＝|IBP－IBN|一般约为1nA～0.1A。

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实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失476.5.1实际集成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1.开环差模电486.5.1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rid＞1012Ω超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.最大差模输入电压Vidmax6.5.1实际集成运放的主要参数差模特性2.差模输入电496.5.1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（80～120）dB，高精度运放可达140dB，ric≥100MΩ。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共模特性1.共模抑制比506.5.1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vi＝Vimsin2ft，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom6.5.1实际集成运放的主要参数大信号动态特性1.转换516.5.1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在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。6.5.1实际集成运放的主要参数大信号动态特性2.全功52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电源特性1.电源电压抑制比KSVR衡量电源电压波动对输出531.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1.集成运放的选用根据技术要求应首选通用型运放，当通542.失调电压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2.失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误55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。引起的误差仍存在解得误差电压当时56end3.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end3.调零补偿6.5.2集成运放应用中的实际问题（576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6模拟集成电路6.1模拟集成电路中的直流偏置技术6.3586.1模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1BJT电流源电路6.1.2FET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模拟集成电路中的直流偏置技术6.1.1BJT电596.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参数全同即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

Io＝IC2≈IREF＝

代表符号6.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参606.1.1BJT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6.1.1BJT电流源电路1.镜像电流源动态电阻一般616.1.1BJT电流源电路2.微电流源由于很小，所以IC2也很小。ro≈rce2（1＋）

（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻）6.1.1BJT电流源电路2.微电流源由于很小，所以I62A1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6.1.1BJT电流源电路3.高输出阻抗电流源A1和A3分别是T1和T3的相对结面积动态输出电阻ro远比636.1.2FET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6.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源当器件646.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源用T3代替R，T1~T3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6.1.2FET电流源1.MOSFET镜像电流源656.1.2FET电流源2.MOSFET多路电流源6.1.2FET电流源2.MOSFET多路电流源666.2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差分式放大电路6.2.1差分式放大电路的一般结676.2.1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1.用三端器件组成的686.2.1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.有关概念差模信号696.2.1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。6.2.1差分式放大电路的一般结构2.有关概念根据有706.2.2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716.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理静态6.2.2射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原72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732.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。2.抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使74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作用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753.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<A>双入、双出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763.主要指标计算（1）差模情况<B>双入、单出接入负载时3.主要指标计算（1）差模情况<B>双入、单出接入负载773.主要指标计算（1）差模情况<C>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（1）差模情况<C>单端输入等效于双端783.主要指标计算（2）共模情况<A>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3.主要指标计算（2）共模情况<A>双端输出共79<B>单端输出抑制零漂能力增强3.主要指标计算（2）共模情况<B>单端输出抑制零漂能力增强3.主要指标计算（2）共80（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。（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81例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(1)静态例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:(82(2)电压增益(2)电压增益83(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(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84(4)(4)854.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态IE6IREFIO

＝IE54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态IE6I864.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电压增益则单端874.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻Rid＝2rbe输出电阻4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路差模输入电阻884.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻

Ric＝rbe＋2(1＋β)ro54.带有源负载的射极耦合差分式放大电路共模输入电阻896.2.3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906.2.3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.CMOS差分式放大916.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大电路单端输出差模电压增益vo2＝(id4-id2)(ro2//ro4) ＝gmvid（ro2//ro4）

(ro2//ro4) ＝gm(ro2//ro4)与双端输出相同end6.2.3源极耦合差分式放大电路1.CMOS差分式放大926.3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vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得传输特性曲线vO1，vO2＝f（vid）6.3差分式放大电路的传输特性根据iC1=iE1，iC93vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线endvO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线end946.4集成电路运算放大器6.4.1集成电路运算放大器CMOSMC145736.4.2集成运算放大器7416.4集成电路运算放大器6.4.1集成电路运算放大器956.4.1CMOSMC14573集成电路运算放大器1.电路结构和工作原理6.4.1CMOSMC14573集成电路运算放大器1962.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.电路技术指标的分析计算(1)直流分析已知VT和KP597(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)小信号分析设gm1=gm2=gm则2.电98(2)小信号分析2.电路技术指标的分析计算总电压增益Av

=

Av1·Av2

Av2=vo/vgs7

=－gm7(rds7//rds8)

第二级电压增益将参数代入计算得Av

=

40884.8（92.2dB）(2)小信号分析2.电路技术指标的分析计算总电压增益Av996.4.2集成运算放大器741原理电路6.4.2集成运算放大器741原理电路1006.4.2集成运算放大器741简化电路end6.4.2集成运算放大器741简化电路end1016.5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实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.1026.5.1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±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）V。高精度运放OP-117VIO=4V。MOSFET达20mV。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＝（IBN＋IBP）/2BJT为10nA～1A；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1036.5.1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＝|IBP－IBN|一般约为1nA～0.1A。

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实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失1046.5.1实际集成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1.开环差模电1056.5.1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rid＞1012Ω超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.