第六章康光华模电第五版.ppt

,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,6.6 变跨导式模拟乘法器,6.7 放大器中的噪声和干扰,集成电路,集成电路：把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，完成特定功能的电子电路。按功能分为数字集成电路和模拟集成电路。在模拟集成电路中集成运放是应用极为广泛的一种。集成运放的基本单元电路：电流源和差分式放大电路。,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.1.1 BJT电流源电路,6.1.2 FET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,电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。(1)电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。,电流源,(2)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。(3)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(4)电流源还可单独制成稳流电源使用。,镜像电流源电路的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流的镜像(相等)。,6.1.1 BJT电流源电路,1.镜像电流源,T1、T2的参数完全相同（对管）,即12，ICEO1ICEO2,当 时，IC2和IREF是镜像关系。,6.1.1 BJT电流源电路,1.镜像电流源,当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符号,无论C2支路的负载值如何，IC2的电流值将保持不变。,动态(交流)电阻,一般ro在几百千欧以上,电流源内阻越大稳流特性越好。,电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点。,4.电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,放大管,6.2 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,6.2.0 概述,6.2.0 概述,1.直接耦合放大电路,可以放大直流信号,2.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：,主要原因：,温漂指标：,#为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,温度变化引起，也称温漂。,温度每升高1时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,电源电压波动也是原因之一,零点漂移是怎样形成的,运算放大器均是采用直接耦合方式，而直接耦合方式放大电路的各级Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化，如：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。,产生零漂的主要原因是：晶体三极管的参数受温度的影响。,例如,若第一级漂了100 V，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 V，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3、减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,调制解调方式。如“斩波稳零放大器”,采用差分式放大电路,漂了 100 V,漂移 10 mV+100 V,漂移 1 V+10 mV,漂移 1 V+10 mV,4、差分式放大电路中的一般概念,差分式放大电路就其功能来说，是放大两个输入信号之差。,理想情况：vo=Avdvid=Avd（vi1-vi2）；Avd差模电压增益 放大电路两个输入端所共有的任何信号对输出电压无影响。（如共有的干扰信号）实际情况：vo=Avdvid+Avcvic；Avd差模电压增益，Avc共模电压增益。其中，差模信号vid=vi1-vi2，共模信号vic=1/2（vi1+vi2）,差模信号和共模信号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；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。差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对差分式放大电路输入端的影响相当于加入了共模信号。差分式放大电路抑制共模信号，放大差模信号，是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路形式。,例如，温漂信号属共模信号，它对差分放大电路的两个输入端影响相同。如果输入信号极性相同，幅度也相同，则是纯共模信号。如果极性相同，但幅度不等，则可以认为既包含共模信号，又包含差模信号，应分开加以计算。,共模、差模信号混合的情况,即：vi1=vic-vid/2 vi2=vic+vid/2差模信号vid=vi1-vi2，共模信号vic=1/2（vi1+vi2）如vi1=50V，vi2=50V，则vid=vi1-vi2=100V，vic=1/2（vi1+vi2）=0如vi1=1050V，vi2=950V，则vid=vi1-vi2=100V，vic=1000V 两种情况下输出电压是不同的。（除非共模增益为零）,动画,6.2.1 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,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,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,差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极电流源耦合构成。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO Rc1=Rc2=Rc,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1.电路组成及工作原理,信号的输出方式：差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称为双端输出，仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输出。,信号的输入方式：若信号同时从两个输入端输入，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。,差分放大电路的差模工作状态分为四种1.双端输入、双端输出（双双）2.双端输入、单端输出（双单）3.单端输入、双端输出（单双）4.单端输入、单端输出（单单）,差分放大电路的工作状态分差模和共模两种：,静态,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。,仅输入共模信号，,2.抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,6.3 差分式放大电路的传输特性,vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）,传输特性输出差模信号随输入差模信号变化的曲线,根据三极管vBE 与iE的基本关系 得：,vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线,从传输特性可以看出；,1、时，电路处于静态，即Q态,2、vid在0VT范围变化时，vo1、vo2与vid呈线性关系，放大电路工作在放大区，放大倍数越大，曲线越陡，线性区越窄，动态范围小。,反之：放大倍数越小，曲线越缓，线性区越宽，动态范围大。,3、当vid4VT时，差分放大电路具有限幅特性。,可见，差分放大电路对差模输入信号有一定的要求。,6.4 集成电路运算放大器,6.4.1 CMOS MC14573集成电路运算放大器,6.4.2 BJTLM741集成运算放大器,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。,特点：,电压增益高输入电阻大输出电阻小,1、方框图,1.输入级：抑制零漂，有放大作用。常使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制能力。2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器（共射单管、复合管放大器）。3.互补输出级：提高带负载能力。常用单管（复合管）的射极输出器，也用单管（复合管）的互补对称功率放大器。4.偏置电流源：提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,2、运算放大器的引线及符号 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+或IN+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。,(a)国家标准符号(b)原符号,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,3、运算放大器的分类,通用型高速型和宽带型高精度(低漂移型)高输入阻抗型低功耗型功率型,4、运算放大器外形图,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,6.5.1 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,6.5.3 集成运放的电路模型,6.5.4 基本线性运算电路,6.5.5其他线性运算应用电路,6.5.1 实际集成运放的主要参数,一、输入直流误差特性（输入失调特性）,1.输入失调电压VIO(input offset voltage),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（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。,将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的电压的负值。VIO是表征运放内部电路对称性的指标。VIO越大说明电路的对称性越差。,2.输入偏置电流IIB(input bias current),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（IBNIBP）/2,BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。,用于衡量差分放大对管输入电流的大小。从使用角度看，其值越小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也越小。,3.输入失调电流IIO(input offset current),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|IBPIBN|VI0 一般约为1 nA0.1A。,例：,集成运放的输入偏置电流IIB=0.6A输入失调电流IIO=0.2 A时，两个差分输入管的基极偏流分别是多少？,0.7A和0.5 A,用于表征差分级输入电流不对称的程度。由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，希望越小越好。,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/T,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。,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。,二、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,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rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3.最大差模输入电压Vidmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,三、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（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。,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。,1.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,2.失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差,输入为零时的等效电路,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,3.调零补偿,（a）调零电路（b）反相端加入补偿电路,2 运算放大器,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2.4 其他线性运算应用电路,2.1 集成运放的电路模型,通常：开环电压增益 Avo的105（很高）,输入电阻 ri 106（很大）,输出电阻 ro 100（很小）,vOAvo(vPvN)（V vO V）,注意输入输出的相位关系,当Avo(vPvN)V 时 vO V,当Avo(vPvN)V-时 vO V-,电压传输特性 vO f(vPvN),线性范围内 vOAvo(vPvN),Avo斜率,2.2理想运算放大器,满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可,1.理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可。,3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。,2.理想运算放大器的特性,(1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。,“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。,(2)虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流.。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。,动画,1.反相放大电路,其比例系数即为反馈放大电路的增益。该电路实际为一个深度的电压并联负反馈电路。,为提高运算精度，一般要求,输入电阻Ri,2.3 基本线性运算电路,2.同相放大电路,同相比例运算电路,该电路为深度电压串联负反馈电路，且,所以,该电路输出始终跟随输入，称电压跟随器（同相比例运算电路特例）,特例：,电压跟随器的作用,无电压跟随器时 负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovn vp vs,当R2 R3时，（1）试证明VS(R3R1/R2)IM,解:（1）根据虚断有 II=0,所以 I2=IS=VS/R1,例2.3.3直流毫伏表电路,（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压VS100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)？,又根据虚短有 VP=VN=0,R2和R3相当于并联，所以 I2R2=R3(I2-IM),所以,当R2 R3时，VS(R3R1/R2)IM,（2）代入数据计算即可,1、加法电路,一、反相输入加法电路 在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入加法电路，见图2.4.4。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf。所以输出是两输入信号的比例和。,2.4其他线性运算应用电路,二、同相输入加法电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入加法电路。,因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得:,在反相输入加法电路 后，增加一个反相电路可构成同相输入加法电路。,2、减法电路一、利用反相信号相加以实现减法运算 将一路输入信号反相后，与另一路输入信号相加，即可实现减法运算。第一级为反相比例放大器。若 R1=Rf1 则 第二级为反相输入加法器,若,则,二、利用差分式电路实现减法运算 一个信号加在反相输入端，另一信号加在同相输入端，其输出信号将正比于两输入信号之差，可实现减法运算。虚短,对N:,对P:,则,若选取,则:,即输出电压与两输入电压之差成比例。,3、仪用电路,式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。,根据“虚短”得,根据“虚断”得,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,4、积分电路,当vI为阶跃电压时，有,vO与 t 成线性关系,例:画出在给定输入波形作用下的输出波形。,(a)阶跃输入信号,(b)方波输入信号,积分器的输入和输出波形,5、微分电路,例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0+5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,vo=0.5vi+2.5 V,vo=0.5vi+2.5 V,=0.5(vi+5)V,6.6 变跨导式模拟乘法器,*6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理,6.6.2 模拟乘法器的应用,乘法器是一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域,其中K为比例因子。具有 的量纲。模拟乘法器的电路符号如图所示。,模拟乘法器符号,1.运算电路,乘方,6.6.2 模拟乘法器的应用,除法,只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反馈工作状态，而vX1则可正可负，故属二象限除法器。,利用虚短和虚断概念有,得,由乘法器的功能有,开平方,利用虚短和虚断概念有,得,由乘法器的功能有,vi必须为负值时，电路才能正常工作。图中的二极管即为保证这一点而接入的。,2.压控放大器,乘法器的一个输入端加一直流控制电压VC，另一输入端加一信号电压vs时，乘法器就成了增益为KVc的放大器。当Vc为可调电压时，就得到可控增益放大器。,调制和解调在通信、广播、电视和遥控等领域中得到广泛的应用。利用模拟乘法器的功能很容易实现调制和解调的功能。,3.调制解调,音频信号需用高频信号通过无线方式来运载，这里的高频信号称为载波信号，音频信号称为调制信号。将音频信号“装载”于高频信号的过程称为调制，将音频信号取出称为解调。,end,