4-模拟集成电路基础.

第4章模拟集成电路基础4.1模拟集成电路共性问题4.2晶体管电流源电路及其应用小结4.3差动放大电路4.4功率放大电路4.5多级放大电路4.6集成运算放大电路4.7辅修内容包含集成电路你想知道吗？集成运放包含什么功能的电路？集成运放的特点？作用？集成运放怎么运用？没有集成电路会有当今的计算机吗？电子电路会有当今的手机吗？你知道吗？4.1模拟集成电路共性问题4.1.1模拟集成电路的工艺特点4.1.2集成运算放大电路的结构框图概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、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整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器(简称集成运放)，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成稳压器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、用途最广的一种，这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、性能指标及常用等效模型。4.1.1模拟集成电路的工艺特点（1）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，因而很难制造大的电阻，其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间;集成电路中的电容是用PN结的结电容作的。（3）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向NPN型管(β值高、性能好)、横向PNP型管(β值低、但反向耐压高）和场效应管，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发射极管、多集电极管等。集成二极管、稳压管等一般用NPN管的发射结代替。1.集成电路中的元器件特点（1）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（3）一般采用直接耦合方式2.集成电路结构形式上的特点（4）采用较复杂的电路结构（5）适当利用外接分立元件输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：OCL电路，带负载能力强偏置电路：镜像电流源，微电流源。输入级偏置电路中间级输出级+uouid4.1.2模拟集成电路的结构框图uoAuNuP反相输入端同相输入端4.2晶体管电流源电路及其应用4.2.1晶体管电流源电路4.2.2有源负载放大电路电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章晶体管的特性已知，晶体管本身便具有近似恒流的特性。在集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、比例电流源和多路电流源等。它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，以提高放大电路的放大倍数。4.2.1晶体管电流源电路根据集成工艺的特点，模拟集成放大电路中的偏置电路、集电极或发射极负载等，一般采用晶体管电流源。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(做偏置)，而且能获得高增益、大动态范围的特性(做有源负载)。1.镜像电流源IIIIRRCo2112两管参数对称，工作在临界饱和状态。∵UBE1=UBE2=UBE，β1=β2=β∴IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC=βIB基准电流CCBCBECCRIIIIRUVI22当β2时，RUVIIBECCRoIo基本恒定镜像电流源的温度补偿作用T(OC)↑→IC↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓→IC↓若要求Io大，则IR及R的功耗大；若要求Io小，则IR小，R很大，使R集成困难。RUVIIBECCRo镜像电流源的缺点2.改进型镜像电流源RRCCOIIIII)1(21121T1、T2、T3、完全相同β1=β2=β3IB1=IB2=IBUBE1=UBE2=UBE321BRCCIIII)1(2121133CBEBIIII而整理得IO更接近IR(与IO=βIR/(β+2)相比)精密镜像电流源2.改进型镜像电流源RE3为了避免T3的电流过小而使β3下降，常在T3的射极加一电阻RE3，使IE3增大。3.微电流源eBEeBEBEECORURUUIII2122因ΔUBE很小，使Re及不需很大就可以使Io很小。TBETBEUUSEOUUSEReIIIeIII/22/1121由)ln(ln2121SOSRTBEBEBEIIIIUUUU得一般有IS1=IS2，所以有OReTeBEOIIRURUIlnRUVIIBECCRO，其中可以解出4.比例电流源UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2因UBE1≈UBE2，则IE1Re1≈IE2Re2而IR≈IE1，IO≈IE2ReeOeeROIRRIRRII2121，所以5.多路电流源T1分别与T2、T3、T4组成比例电流源ReeCIRRI212ReeCIRRI313ReeCIRRI414解：例4-1图示为集成运放F007的部分电流源，其各三极管的β均为50，UBE=0.7V。试求出各管的集电极电流。15V3k39k15VmA73.0225RUVIBECCRT10、T11构成微电流源，101041073.0ln326lnCCRTCIIIRUI可解得：μA2810CIT12、T13构成镜像电流源，mA52.021312IIIRCC例A在下图电路中，T1、T2管的特性相同，已知VCC=15Vβ1=β2=β，UBE1=UBE2=0.6V。（1）试证明当β2时，IC2≈IR（2）若要求IC2=28μA，电阻R应取多大？IIIIRRCo2112解：（1）在镜像电流源中已推出当β2时，IC2=IO≈IR（2）IC2=IO≈IR≈IC1)kΩ(51411CBECCIUVR例B:（1）指出电路为何种电流源电路；（2）根据二极管电流方程，导出T1、T2管的工作电流IC1、IC2的关系式；（3）若测得IC2＝28μA，IC1＝0.73mA，估算电阻Re和R的阻值；（4）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。（1）为微电流源解：（2）见微电流源推导过程212lnCCeTCIIRUI（3）)kΩ(3ln212CCCTeIIIUR)kΩ(2011CBECCIUVR在共射放大电路中，为了提高Au，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc。然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大Rc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。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，而且Rc增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，因此Au的增加受到Rc取值的限制。如果用恒流源来代替Rc，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，但恒流源的动态交流电阻很大，该交流电阻与交流通道中的Rc等效，Au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，故称为有源负载。4.2.2有源负载放大电路有源共射放大电路【问题引导】为什么用恒流源来代替Rc?4.3差动放大电路4.3.1差动放大电路结构与抑制零漂的原理4.3.2差动放大电路基本性能分析4.3.3差动放大电路的改进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式一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移问题。为了抑制温度漂移，一种比较有效的电路就是差动放大电路。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。概述差动放大电路(DifferentialAmplifier)1.电路组成4.3.1差动放大电路结构与抑制零漂的原理a.两只完全相同的管子；b.元件参数对称；特点2.输入输出方式输入端：同相输入端、反相输入端输入方式：双端输入：若信号同时加到同相输入端和反相输入端。单端输入：若信号仅从一个输入端加入，另一个输入端接地。输出方式：双端输出：若从C1和C2两端输出。单端输出：仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。输出端：一个是T1的集电极C1，另一个是T2的集电极C2差动电路的工作模式：(1)双端输入、双端输出（双入——双出）(2)双端输入、单端输出（双入——单出）(3)单端输入、双端输出（单入——双出）(4)单端输入、单端输出（单入——单出）3.差模信号与共模信号差模输入信号uId：两输入信号之差差模信号：两大小相等，极性相反的信号（uId1=-uId2）共模信号：两大小相等，极性相同的信号（uIc1=uIc2）共模输入信号uIc：同时接到两个输入端的信号21IdIduu可以将两个普通输入信号uI1、uI2分解为共模分量和差模分量222111IdIcIIdIcIuuuuuu212121)(21IIIdIIIcIcIcuuuuuuuuIdIdIdIduuuu212121注意差模信号与差模输入信号的区别！例CmV6mV1021IIuu+-2211则mV4mV8)(212121IIIdIIIcuuuuuumV2mV221mV812121IdIdIdIdIcIcIcuuuuuuu，8mV==8mV2mV==-2mV10mV6mV4.抑制零漂的工作原理原理：静态时，输入信号为零，即将输入端①和②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ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0，因此消除了零点漂移。具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，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。结论：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，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。5.差动放大电路对差模信号的放大作用在差模信号作用下，ΔiE1=-ΔiE2，ΔiRE=0，RE可视为短路+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uodT1T2ui1+-+-ui2RE视为短路uuii21ui1↑→ib1↑→ic1↑→vc1↓ui2↓→ib2↓→ic2↓→vc2↑输出电压uO=uOd=vC1－vC2≠0。差模放大倍数IdOduduuA6.差动放大电路对共模信号的抑制作用uIC↑→iB1↑→iC1↑→vC1↓uIC↑→iB2↑→iC2↑→vC2↓共模放大倍数IcOcucuuA共模抑制比CMRucudCMRucudCMRKAAKAAK理想情况下，或||lg20||+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uocT1T2uIc+-输出电压uO=uOC=vC1－vC2=07.信号的输入方式（1）差模输入方式差模输入信号为uId=ui1－ui2uuuuIdiIdi212121单边差模信号为+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uodT1T2uId+-+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uodT1T2ui1+-+-ui2谁是同相输入端?谁是反相输入端?谁是同相输出端?谁是反相输出端?（2）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流和电压的变化完全相同。若为双端输出，uoc=0。+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uocT1T2uIc+-+-+-uicuid+--+uicuid+VCCRCRBRER1RCRBR1+-uodT1T2ui1+-+-ui2（3）任意输入方式uic=(ui1+ui2