模拟电子技术(第2版)高吉祥课件chapter-4

一、集成电路（IC）概述在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。它体积小、性能很好，能完成一定的功能。二、模拟集成电路的分类（三种分类方法）1、按结构工艺分：半导体集成电路、混合集成电路、电子管集成电路；2、按集成度分：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路；3、按功能分：模拟集成电路、数字集成电路.§4.1集成电路的特点及基本电路结构三、模拟集成电路的特点1.同在一块硅片上制造，元件参数的一致性很好。2.电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻构成，阻值范围为几十欧~20千欧左右，另外电阻值的精度不易控制，误差在20%~30%左右。3.电路中电容值也不大(几十PF)。4.集成电路存在温漂。5.电路中的二极管多用作温度补偿或电位移动.运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。集成电路中第一级常采用差动电路。(为克服或减小温漂)基本恒电流源(镜象电流源)电路§4.2电流源电路三极管T1、T2匹配21则,21BEBEEBUUU)21(22221CBCBCRIIIIII.,2,2是镜象关系和即与晶体管参数无关时当RCRORRBEBECCRIIIIRVI，IU、VRVVI21ROII动态输出电阻：221oeceohrr在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路下图所示。比例电流源4.2.1比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有：e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV微电流源电路如图04.05所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。微电流源4.2.2微电流源e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVV由图可得：Io与IR的关系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV一般有IS1=IS2，所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI因小，。同时的稳定性也比好。VBEIoIRIoIR微电流源精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其精度提高了倍。电路如下图所示。由于有T3存在，IB3比基本镜象电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。4.2.3精密镜像恒流源电路精密电流源321311BBRBRCOIIIIIII322111CCROIIII2212ROII4.2.4威尔逊电流源电路威尔逊电流源331OBCRIIII21CCII3331EOII)2/(212ROII22ceorr可见，威尔逊电流源精度很高。而且其输出电阻也很高，约为：电流源的应用电流源即可用做偏置电路，又可以用做有源负载。例：用电流源做有源负载，可提高电路放大倍数。共射放大管基本恒电流源做VT1的负载1211)////(beLceceurRrrA一、结构:对称性结构即：1=2=UBE1=UBE2=UBErbe1=rbe2=rbeRC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb§4.3差动放大电路1.差动放大电路一般有两个输入端：双端输入--从两输入端同时加信号。单端输入--仅从一个输入端对地加信号。二、几个基本概念四种工作方式：双端输入双端输出；双端输入单端输出；单端输入双端输出；单端输入单端输出。2.差动放大电路可以有两个输出端：双端输出--从C1和C2输出。单端输出--从C1或C2对地输出。4.3.1差动放大电路的静态分析+_+_++－－VCCuuci1i2TT12RcRbRbRouREEeV02EEEEBEBBVRIVRIEBBEEEBRRVVI)1(2CCCCCRIVU)2(ECCEECCCERRIVVU输出回路：输入回路：4.3.2差动放大电路对差模信号的放大作用差模信号：是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。即ui1=-ui2。由于电路对称，在电路的对称点上信号总是大小相等，极性相反。故信号输出的地电位在RL的中点；发射极间的连线也是信号的地电位。因此可将差动放大电路的交流通路分成两个独立的部分.对于双端输入/双端输出的差动放大电路：1212oooouuuu1212uiiiiuuubeBLCuioiodurRRRAUUuuA2//2211)(22beBiidrRRRCOodRRR22差模放大倍数差模输入电阻差模输出电阻双端输入、双端输出差动电路的差模电压放大倍数等于单管放大倍数。其差模输入、输出电阻是单管电路的2倍。4.3.3差动放大电路对共模信号的抑制作用共模信号：是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。即ui1=ui2。由于电路对称，双端输出时RL上流过的电流为零。在RE上两者作用的电流方向相同。因此可将差动放大电路的交流通路分成两个独立的部分.一、双端输出半电路的电压放大倍数为：EEbeB1iO122)1(=RRRrRRvvACCu由于左右两个电路完全一样，所以该放大倍数就是差动电路的共模放大倍数。输出电压：)(21iiucouuAu当电路完全对称时输出电压：0)(21iiucouuAu0cuA当电路不完全对称时，由于2RERC，共模放大倍数Auc≈0。可见在双端输出情况下差模放大电路对共模信号抑制作用：1.依靠电路的对称性；2.依靠RE的负反馈作用。差动放大电路抑制共模能力用共模抑制比KCMR来衡量。ucudCMRAAKucudCMRAAKlog20通常也用分贝(dB)表示：共模抑制比越大，抑制能力越强。双端输出电路输出电阻：RO=2RC二、单端输出负载接在差动放大电路的一个集电极和地之间，称为~。半电路电压放大倍数：beBLCiourRRRuuA)//(1122111uioioudAuuuuA单端输出差模电压放大倍数：单端输出差模电压放大倍数是双端输出电路的一半。差模放大倍数通常以总输入ui(包括和)求解，共模放大倍数通常以单边输入求解。其实单端输出时差模和共模放大倍数都为单边放大倍数，但由于求解总差模或共模电压放大倍数时对输入信号的约定不一样，所以有：单端输出总电路的差模电压放大倍数是单边电路自身电压放大倍数的一半；单端输出总电路的共模电压放大倍数是单边电路自身电压放大倍数。iu21iu21ELEbeBLCucRRRrRRRA22)1()//(单端输出电路输出电阻：RO=RC在单端输出情况下，抑制共模仅靠RE的负反馈作用。4.3.4单端输入差动放大电路输入信号加在差动放大电路一边，另一边输入端接地，称为~。单端输入等效成双端输入。差模放大倍数，共模放大倍数都只取决输出电路形式。输入电阻与双端输入时一样：)(22beBiidrRRR(1)差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关:差动放大器动态参数计算总结双端输出时：beLcdu)2//(rRRRAb单端输出时：beLcud2//rRRRAb(2)共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关:双端输出时：单端输出时：0ucAeLuc2'RRA(3)差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。单端输出时：coRRco2RRbeid2rRRb(4)输出电阻双端输出时：4.3.5具有恒流源的差动电路RE越大，抑制共模能力越强。但RE增大受直流电压VEE有限制。4321CCEEIIII由于恒流源有直流电阻较小、动态电阻大的特点，用恒流源取代RE，可以提高电路的共模抑制比。§4.4直流电平移动电路直接耦合电路中，如采用NPN共射放大，则VCVB，多级电路时，从前至后各级VC将依次上升，最终使输出直流电平比输入直流电平高很多。对供电电源要求高，所以必须进行直流电平移动。方法一：利用恒流源直流电阻小，动态电阻大特点，用电阻与恒流源串联分压降低电平，同时保障交流信号电压不受大的影响。方法二：利用NPN和PNP管配合实现电平转移。因为NPN管VCVB，PNP管VBVC。利用它们互补来完成电平转移。§4.5复合管结构一、结构二、参数复合管的等效类型(NPN或PNP)由输入管确定。构成管合管的原则是内部电流方向一致。becβ1IB1(1+β1)IB1IB1(1+β1)(1+β2)IB1(1+β1)β2IB1IC12112211])1([BBBCIIII212111)1(BCII复合管输入电阻：211)1(bebeberrr§4.6集成运算放大器的输出电路工作原理：b)ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。1.互补对称射极输出电路＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLRa)由于电路对称，当ui=0时，uo=0。输入输出波形图交越失真死区电压＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLRuiuououo2.克服交越失真的互补对电路静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态,以消除交越失真。电路中增加D1、D2uu－＋２ＴRoLi2R1DD2VCC１1ＴRVCC工作原理：§4.7集成运算放大电路简介集成运放：高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻采用直接耦合，存大零点漂移问题，输入级都采用差动放大电路；为了取得大的电压放大倍数，中间级常采用共射放大电路；为了提高带负载能力，输出级常采用互补功率放大电路。+++++T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反相输入端同相输入端输入级中间级输出级偏置电路4.7.1F007双极型集成运算放大器17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB（动画演示）4.7.2COMS集成运算放大器1.C14573集成运算放大电路2.5G7650集成运算放大电路运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。§4.8集成运算放大器的主要参数1.输入直流参数(1)输入失调电压UIO：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。(3)输入偏置电流IIB：(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。(2)输入失调电压温漂aUIO：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值dUIO/dT。(4)输入失调电流IIO：(inputoffsetcurrent)运放输入时，两个输入端输入偏置的直流电流值之差。)(21IBIBBIIIIIBIBIOIII(5)输入失调电流温漂aIIO：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值dIIo/dT。2.差模特性参数(1)差模开环电压增益Audo：(openloopvoltagegain