大学课件 模拟电子技术 模拟集成电路基础

模拟电子技术第5章模拟集成电路基础5.1概述5.3差动放大电路5.2集成运放中的电流源电路5.4集成运算放大电路模拟电子技术5.1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。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。模拟电子技术（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。5.1.1集成电路中的元器件特点模拟电子技术（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。（2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。（3）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。5.1.2集成运放的电路结构特点（4）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。（5）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。模拟电子技术集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以及有源负载的应用。5.2集成运放中的电流源电路模拟电子技术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（场效应管）的特性已知，晶体管（场效应管）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。5.2.1电流源电路模拟电子技术镜像电流源基准电流RUVIBECCR输出电流RCII21RCI，I12时当分析条件：两管参数对称模拟电子技术镜像电流源分析由两只特性完全相同的管子T0和T1构成，UCE0=UBE0，从而保证T0工作在放大状态。集成运放中纵向晶体管的β均在百倍以上。若基本电流源中采用横向PNP管，则β只有几倍。模拟电子技术在镜像电流源T0管的集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管T2。利用T2管的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。在实际电路中，有时在T0管和T1管的基极与地之间加电阻Re2，用来增大T2管的工作电流，从而提高T2的。。II，II，。II，RCRCRC保持很好的镜像关系与也可以认为很小说明即使则代入上式可得若111982.010改进型镜像电流源加射极输出器的电流源模拟电子技术比例电流源分析基准电流输出电流模拟电子技术比例电流源分析微电流输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。模拟电子技术微电流源分析基准电流输出电流模拟电子技术微电流源分析集成运放输入级放大管的集电极（发射极）静态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流，可以将比例电流源中Re0的阻值减小到零。在已知Re的情况下，上式对输出电流IC1而言是超越方程，可以通过图解法或累试法解出IC1。模拟电子技术基于比例电流源的多路电流源集成运放是一个多级放大电路，因而需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。。，，IE就可以得到所需的电流阻各级只要选择合适的电确定后当0模拟电子技术多集电极管构成的多路电流源T多为横向PNP型管，当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区面积分别为S0、S1、S2。模拟电子技术MOS管多路电流源由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。T0～T3均为N沟道增强型MOS管，它们的开启电压UGS(th)等参数相等。在栅-源电压相等时，MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T0～T3的宽长比分别为S0、S1、S2、S3。这样就可以通过改变场效应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。模拟电子技术例一：图示电路是型号为F007的通用型集成运放的电流源部分。其中T10与T11为纵向NPN管；T12与T13是横向PNP型管，其β均为5。各管的b-e间电压值均约为0.7V。试求出各管的集电极电流。解：图中R5上的电流是基准电流，根据R5所在回路可以求出511122RUUVIBEEBCCRmA73.0T10与T11构成微电流源10410lnCRTCIIRUIAIC1073.0ln326利用累试法或图解法求出AIC2810T12与T13构成镜像电流源RCCIII21213mA52.0在电流源电路的分析中，首先应求出基准电流IR，IR常常是集成运放电路中唯一能够通过列回路方程直接求出的电流；然后利用与IR的关系，分别求出各路输出电流。模拟电子技术例二：多路电流源电路如图所示，已知所有晶体管的特性均相同，UBE均为0.7V，R=136k。试求IC1、IC2各为多少?130BCII解：RUUVIBEBECCR03A10030BCRIIIRCII322当(1+)3时AIIIRCC10021)1(3CCII模拟电子技术思考：电路如图所示，已知β0=β1=β2=100，各管的UBE均为0.7V，R=136k。试求IC2的值。RUUVIBEBECCR12mA1.0分析:20BCRIIICCIIRCII1mAIR1.0模拟电子技术思考:在下图电路中，T1、T2管的特性相同，已知VCC=15V，β1=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？模拟电子技术思考:（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像电流源的异同。模拟电子技术在共射放大电路中，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。5.2.2有源共射放大电路模拟电子技术有源共射放大电路模拟电子技术5.3差动放大电路（差分放大电路）零点漂移的严重性根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的级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。差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。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。模拟电子技术5.3.1差动放大电路(DifferentialAmplifier)1.电路组成特点：a.两只完全相同的管子；b.元件参数对称．差动放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。所谓“差动”，是指只有当两个输入端uI1与uI2之间有差别（即变化量）时，输出电压才有变动（即变化量）的意思。对于差动放大电路的分析，多是在理想情况下，即电路参数理想对称情况下进行的。所谓电路参数理想对称，是指在对称位置的电阻值绝对相等，两只晶体管在任何温度下输入特性曲线与输出特性曲线都完全重合。应当指出，由于电阻的阻值误差各不相同，特别是晶体管特性的分散性，实际的电路参数不可能理想对称。模拟电子技术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）模拟电子技术3.差模信号与共模信号差模输入信号：差模信号是两个输入端信号之差差模信号：指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号共模信号：指在两个输入端加上大小相等，极性相同的信号共模输入信号：共模信号是两个输入端信号的平均值2121IIIcuuu21IIIduuuIcIdI1uu21u即：IcIdI2uu21u模拟电子技术4.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UO=UCQ1-UCQ2=0，因此抑制了零点漂移。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。模拟电子技术长尾式差分放大电路电路参数理想对称，Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc；T1管与T2管的特性相同，β1=β2=β，rbe1=rbe2=rbe；Re为公共的发射极电阻。静态分析共模信号作用差模信号作用电压传输特性模拟电子技术一、静态分析当输入信号uI1=uI2=0时，作静态分析：在通常情况下，Rb阻值很小（很多情况下Rb为信号源内阻），而且IBQ也很小，所以Rb上的电压可忽略不计。eBEQEEEQRUVI21EQBQIIBEQcCQCCCEQURIVU21CQCQUU021CQCQOUUu模拟电子技术二、对共模信号的抑制作用共模放大倍数由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。电路参数的对称性起了相互补偿的