[工学]模电课件第5章.ppt

1、模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院第第5 5章章 模拟集成电路基础模拟集成电路基础5.1概述概述5.3 差动放大电路差动放大电路5.2晶体管电流源电路及有源负载放大电路晶体管电流源电路及有源负载放大电路5.4 集成运算放大电路集成运算放大电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.1概述概述 集成电路是一种将集成电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合的器件，紧密结合的器件，它以半它以半导体单晶硅为芯片，导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，采用专门的制造工艺，把晶体管、把晶体管、场效应场效应

2、管、管、二极管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，整电路制作在一起，使之具有特定的功能。使之具有特定的功能。集成电路体积小、集成电路体积小、重量轻、重量轻、耗电少、耗电少、可靠性高，可靠性高，已成为现代电子器件的主体。已成为现代电子器件的主体。集集成电路分数字与模拟两大类。成电路分数字与模拟两大类。集成电路体积小、集成电路体积小、重量轻、重量轻、耗电少、耗电少、可靠性高，可靠性高，已成为现已成为现代电子器件的主体。代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多，模拟

3、集成电路的种类很多，有集成运算放大器有集成运算放大器(简称集成运放简称集成运放)，集成功率放大器，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成锁相环，集成稳压器等。集成稳压器等。在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、集成运算放大器是最为重要、用途最广的一用途最广的一种，种，这里主要介绍集成运放的内部电路、这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、工作原理、性能指标及性能指标及常用等效模型。常用等效模型。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，）集成电路中

4、的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近邻近的器件具有良好的的器件具有良好的对称性对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，化也相同，因而特别有因而特别有利于实现利于实现需要需要对称结构对称结构的的电路电路。（2）集成工艺制造的电阻、）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电电容数值范围有一定的限制。集成电路中的路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，的，因而因而很难制造大很难制造大的电阻的电阻，其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间;集成电路中的集成电路中的电容是用电容是用

5、PN结的结电容作结的结电容作的。的。（3）集成工艺制造晶体管、）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，场效应管最容易，众多数量的晶体管众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向集成晶体管有纵向NPN型管型管(值高、性能值高、性能好好)、横向横向PNP 型管型管(值低、但反向耐压高）和场效应管，值低、但反向耐压高）和场效应管，另外，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发射极管、如多发射极管、多集电极管等。多集电极管等。集成二极管、集成二极管、稳压管等一般用稳压管等一般用NPN管的发射结代替。管的发射结代替。5.1.1 集成电路

6、中的元器件特点集成电路中的元器件特点模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（1）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性）利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性（2）利用有源器件代替无源元件）利用有源器件代替无源元件（3）一般采用直接耦合方式）一般采用直接耦合方式5.1.2 集成电路结构形式上的特点集成电路结构形式上的特点（4）采用较复杂的电路结构）采用较复杂的电路结构（5）适当利用外接分立元件）适当利用外接分立元件模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 根据集成工艺的特点，根据集成工艺的特点，模拟集

7、成放大电路模拟集成放大电路中的中的偏置电路、偏置电路、集电极或发射极负载集电极或发射极负载等，等，一般一般采用晶体管电流源采用晶体管电流源。这不仅能使电路性能具有这不仅能使电路性能具有不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性不随温度及电源电压变化而变化的良好稳定性(做偏置做偏置)，而且能获得高增益、而且能获得高增益、大动态范围的大动态范围的特性特性(做有源负载做有源负载)。5.2 晶体管电流源电路及有源负载放大电路晶体管电流源电路及有源负载放大电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第电流源电路是指能够

8、输出恒定电流的电路。由第1章章晶体管的特性已知，晶体管的特性已知，晶体管晶体管本身便本身便具有近似恒流具有近似恒流的特性。的特性。在集成电路中，在集成电路中，常用的电流源电路有：常用的电流源电路有：镜像电流源镜像电流源、精密电流源精密电流源、微电流源微电流源、比例电流源比例电流源和和多路电流源多路电流源等。等。它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，负载代替高阻值电阻，以提高放大电路的放大倍数。以提高放大电路的放大倍数。5.2.1 电流源电路电流源电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学

9、信息科学与工程学院1.镜像电流源镜像电流源IIIIRRCo2112两管参数对称，工作在临界饱和状态。两管参数对称，工作在临界饱和状态。UBE1=UBE2=UBE，1=2=IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC=IB基准电流基准电流CCBCBECCRIIIIRUVI22当当2时，时，RUVIIBECCRoIo基本恒定基本恒定模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院镜像电流源的温度补偿作用镜像电流源的温度补偿作用T(OC)IC IR UR UB IB IC若要求若要求Io大，则大，则IR及及R的功耗大；的功耗大；若要求若要求Io小，则小，则IR小，

10、小，R很大，很大，使使R集成困难。集成困难。RUVIIBECCRo镜像电流源的缺点镜像电流源的缺点模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.改进型镜像电流源改进型镜像电流源RRCCOIIIII)1(21121T1、T2、T3、完全相同、完全相同1=2=3IB1=IB2=IBUBE1=UBE2=UBE321BRCCIIII)1(2121133CBEBIIII而整理得整理得IO更接近更接近 IR(与与IO=IR/(+2)相比相比)精密镜像电流源精密镜像电流源模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.微电

11、流源微电流源EBEeBEBEECORURUUIII2122因因UBE很小，使很小，使Re及不需很大就及不需很大就可以使可以使Io很小。很小。TBETBEUUSEOUUSEReIIIeIII/22/1121由)ln(ln2121SOSRTBEBEBEIIIIUUUU得一般有一般有IS1=IS2，所以有，所以有OReTeBEOIIRURUIlnRUVIIBECCRO，其中可以解出模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院4.比例电流源比例电流源UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2因因 UBE1UBE2，则，则IE1Re1 IE2Re2 而而IR

12、 IE1，IOIE2 ReeOeeROIRRIRRII2121，所以模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.多路电流源多路电流源T1分别与分别与 T2、T3、T4组成比例电流源组成比例电流源ReeCIRRI212ReeCIRRI313ReeCIRRI414模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院例例1:1:在在下下图电路中，图电路中，T1、T2管的特性相同，管的特性相同，已知已知V VCCCC=15V=15V，1 1=2 2=，UBE1=UBE2=0.6V=0.6V。（1 1）试证明当）试证明当 2

13、 2时，时，IC2IR；（2 2）若要求）若要求IC2=28A，电阻，电阻R R应取多大？应取多大？IIIIRRCo2112解：解：（1）在镜像电流源中已推出）在镜像电流源中已推出当当2时，时，IC2=IOIR（2）IC2=IOIRIC1)(51411kIUVRCBECC模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院例例2:2:在下图电路中在下图电路中（1）指出电路为何种电流源电路；）指出电路为何种电流源电路；（2）根据二极管电流方程，）根据二极管电流方程，导出导出T1、T2管的工作电流管的工作电流IC1、IC2的关系式；的关系式；（3）若测得）若测得I

14、C228A，IC10.73mA，估算电阻，估算电阻Re和和R1的阻值；的阻值；（4）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。（1）为微电流源）为微电流源解：解：（2）见微电流源推导过程）见微电流源推导过程212lnCCeTCIIRUI（3）)(3ln212kIIIURCCCTe)(20111kIUVRCBECC模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院 在共射放大电路中，为了在共射放大电路中，为了提高提高Au，行之有效的，行之有效的方法是方法是增大增大集电极电阻集电极电阻Rc。然而，为了维持晶体管的静态电流然

15、而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大不变，在增大Rc时必须提高电源电压。当电源电压增大到时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。另外在集成电一定程度时，电路的设计就变得不合理了。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，而且路中，不能使用过大的电阻，而且Rc增大，直流功耗也增增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，因此大，对电源电压的要求也会提高，因此Au的增加受到的增加受到Rc取值的限制。取值的限制。如果如果用恒流源来代替用恒流源来代替Rc，则由于恒流源的直流电阻，则由于恒流源的直流电阻不大，故恒流源两端的直流电压并不大，但恒流源的动不大，故恒流源两

16、端的直流电压并不大，但恒流源的动态交流电阻很大，该交流电阻与交流通道中的态交流电阻很大，该交流电阻与交流通道中的Rc等效，等效，Au可以大大提高。由于晶体管和场效应管是有源器件，可以大大提高。由于晶体管和场效应管是有源器件，而上述电路又以它们为负载，故称为而上述电路又以它们为负载，故称为有源负载有源负载。5.2.2 有源共射放大电路有源共射放大电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院有源共射放大电路有源共射放大电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.3 差动放大电路差动放大电路零点漂移的严重

17、性零点漂移的严重性根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的极间耦合方式一般采用直接耦合。直接耦合存在式一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移温度漂移问题。为了问题。为了抑制抑制温度漂移温度漂移，一种比较有效的电路就是，一种比较有效的电路就是差动放大电路。差动放大电路。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。正常工作，必须有效地抑制零点漂移。模模 拟拟 电电 子子

18、 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.3.1 差动放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)1.电路组成电路组成 特点：特点：a.两只完全相同的两只完全相同的管子；管子；b.元件参数对称；元件参数对称；模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院2.输入输出方式输入输出方式输入端：输入端：同相输入端、反相输入端同相输入端、反相输入端输入方式：输入方式：双端输入：双端输入：若信号同时加到同相输入端和反相输入端。若信号同时加到同相输入端和反相输入端。单端输入：单端输入：若信号仅从一个输入端加入，若信号

19、仅从一个输入端加入，另一个输入端接地。另一个输入端接地。输出方式：输出方式：双端输出：双端输出：若从若从C1和和C2两端输出。两端输出。单端输出：单端输出：仅从集电极仅从集电极C1或或C2对地输出称为单端输出。对地输出称为单端输出。输出端：输出端：一个是一个是T1的集电极的集电极C1，另一个是另一个是T2的集电极的集电极C2差动电路的工作模式：差动电路的工作模式：(1)双端输入、双端输入、双端输出（双入双端输出（双入双出）双出）(2)双端输入、双端输入、单端输出（双入单端输出（双入单出）单出）(3)单端输入、单端输入、双端输出（单入双端输出（单入双出）双出）(4)单端输入、单端输入、单端输出（

20、单入单端输出（单入单出）单出）模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院3.差模信号与共模信号差模信号与共模信号差模输入信号差模输入信号u uIdId：两输入信号之差两输入信号之差差模信号：差模信号：两大小相等，两大小相等，极性相反的信号（极性相反的信号（uId1=-uId2）共模信号：共模信号：两大小相等，两大小相等，极性相同的信号（极性相同的信号（uIc1=uIc2）共模输入信号共模输入信号u uIcIc：同时接到两个输入端的信号同时接到两个输入端的信号21IdIduu可以将两个普通输入信号可以将两个普通输入信号uI1、uI2分解为共模分量和差模

21、分量分解为共模分量和差模分量 222111IdIcIIdIcIuuuuuu212121)(21IIIdIIIcIcIcuuuuuuuuIdIdIdIduuuu212121模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院例例mV6mV1021IIuu+-2211则mV4mV8)(212121IIIdIIIcuuuuuumV2mV221mV812121IdIdIdIdIcIcIcuuuuuuu，8mV=8mV2mV=-2mV10mV6mV模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院4.抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原

22、理 原理：原理：静态时，输入信号为零，即将输入端静态时，输入信号为零，即将输入端和和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和和ICQ2的变化规的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终始终相等，从而使相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。，因此消除了零点漂移。具体实践：具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用在实践中，两个特性相同的管子采用“差差分对管分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密

23、选配，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。尽可能保证阻值对称性精度满足要求。结论：结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院差动放大电路对差模信号的放大作用差动放大电路对差模信号的放大作用RE在差模信号作用下，在差模信号作用下，iE1=-iE2，iRE=0，RE可视为短

24、路可视为短路差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuA模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院差动放大电路对共模信号的抑制作用差动放大电路对共模信号的抑制作用uiCiB1 iC1、iE1uEuBE1iB1iC1REuiCiB2 iC2、iE2uEuBE2iB2iC2uO=0共模放大倍数共模放大倍数ICOCCuuA共模抑制比共模抑制比CMRcdCMRcdCMRKAAKAAK理想情况下，或|lg20|模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院5.信号的输入方式和电路的响应信号的输入方式和电路的响应（1）差模输入

25、方式）差模输入方式差模输入信号为差模输入信号为ui1 ui2=uId差模输入方式差模输入方式若若ui1的瞬时极性与参考的瞬时极性与参考极性一致，则极性一致，则ui2的瞬时的瞬时极性与参考极性相反。极性与参考极性相反。则有：则有：ui1ib1 ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 输出电压uO=uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。定义：定义：Ad=uod/uIduuuuIdiIdi21,2121模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院（2）共模输入方式）共模输入方式ui1=ui2=uIC在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电在共模

26、输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。流和电压的变化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0ui1=ui2=uic时，时，uoc=0。定义：定义：Ac=uoc/uIc共模输入方式下的差放电路共模输入方式下的差放电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为为0，实际上，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的由于电路不完全对称，可能仍会有不大的uoc，一般，一般Ac u时，时，uo=Uomaxu+80 dB模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与

27、工程学院中南大学信息科学与工程学院7)最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdM共模输入共模输入 U IC 过大，过大，K CMR下降下降当当 UId 过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿。结可能因反压过大而被击穿。NPN 管管 UIdM=5 V横向横向 PNP 管管 UIdM=30 VCF741 为为 30 V8)最大共模输入电压最大共模输入电压 UICM9)最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP输出级为输出级为 OCL 电路电路一般比电源电压小一个一般比电源电压小一个 UCE(sat)如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VCF741 为

28、为 13 V模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院二二、集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项(一一)集成运放的封装和引脚排列集成运放的封装和引脚排列封装形式封装形式:金属圆形、双列直插式、扁平式金属圆形、双列直插式、扁平式封装材料封装材料:陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料例例:塑封双列直插式塑封双列直插式(DIP)CF741DIPDual In-Line Pakage模模 拟拟 电电 子子 技技 术术中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院(二二)集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项1.查阅手册了解引脚的排列及功能；查阅手册了解引脚的排列及功能；2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电 源短路；源短路；3.输入信号应远小于输入信号应远小于 UIdM 和和 UICM，以防阻塞或损，以防阻塞或损 坏器件；坏器件；4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。放大需调零。