模电模拟集成电路课件.ppt

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1、电子技术基础 A（模拟部分）,6：模拟集成电路,电子技术基础 A（模拟部分）6：模拟集成电路,内容提要,内容提要集成电路IC总论6.0集成电路OP中的电流源6.1差, 复合管电路, 组合放大电路,6.0.1 集成电路的特点,6.0.2 集成电路中常用的电路组态, 参数具有对称性, 有源器件代替无源元件, 复合结构电路, 二极管作温度补偿元件和电平移动电路, 复合管电路 组合放大电路 6.0.1 集成电路的特点,6.0.1 集成电路的特点,6.0.1 集成电路的特点N+P+PP P+P+P+N+P,6.0.1 集成电路的特点,6.0.1 集成电路的特点P+P+P+P+P+P+N+P+,6.0.1

2、 集成电路的特点,6.0.1 集成电路的特点N+P WellP-Channe,集成电路(IC)中单个元器件精度不很高，参数随温度漂移较大，但在同一芯片上用相同工艺制造出的元器件性能一致性好，芯片上同一类元器件温度特性也基本一致。如果做成对称电路或补偿回路，则电路的热稳定性相当好。,6.0.1 集成电路的特点,1. 电路结构与元器件参数具有对称性,集成电路(IC)中单个元器件精度不很高，参数随温度漂移,IC中由于用 P 或 N 型半导体材料作电阻，阻值有一定限制，一般几十W到几十kW之间，太高太低都会因占芯片面积过大而不易制造。常用占用面积小且性能好的MOS、BJT管等有源器件构成电流源替代大电

3、阻。大电容也不易制造，常用PN结电容或SiO2绝缘层构成小电容，一般100pF，故各级电路间大都采用直接耦合。电感则一般必须外接，有时通过巧妙设计电路结构来代替大电容和电感元件。,6.0.1 集成电路的特点,2. 用有源器件代替无源元件,IC中由于用 P 或 N 型半导体材料作电阻，阻值有,由于复合结构的电路性能较佳而制作容易，因而集成电路中经常采用复合管(达林顿)、共集(CC)-共射(CE)、共射(CE)-共基(CB)、共集(CC)-共基(CB)等复合结构电路。,6.0.1 集成电路的特点,3. 采用复合结构电路,由于复合结构的电路性能较佳而制作容易，因而集成电路中经,IC 中的二极管常用三

4、极管的一个 PN 结构成，或将基极与集电极短路，再与发射极构成正向压降较低的二极管。常用来作恒压电路、偏置电路和温度补偿电路，这是因为这种二极管具有与三极管发射结相同的温度系数。,6.0.1 集成电路的特点,4. 用二极管作温度补偿元件和电平移动电路,IC 中的二极管常用三极管的一个 PN 结构成，或将基,6.0.2 集成电路中常用的电路组态,1. 复合管电路（达林顿管）,6.0.2 集成电路中常用的电路组态1. 复合管电路（达林,6.0.2 集成电路中常用的电路组态,1. 复合管电路（达林顿管）,6.0.2 集成电路中常用的电路组态1. 复合管电路（达林,6.0.2 集成电路中常用的电路组态

5、,1. 复合管电路（达林顿管）,6.0.2 集成电路中常用的电路组态1. 复合管电路（达林,6.0.2 集成电路中常用的电路组态,2. 组合放大电路,CC-CE电路,CS-CB电路,6.0.2 集成电路中常用的电路组态2. 组合放大电路Rb,6.0.2 集成电路中常用的电路组态,2. 组合放大电路,CC-CB电路,6.0.2 集成电路中常用的电路组态2. 组合放大电路CC, MOSFET镜像电流源, MOSFET多路电流源,6.1.1 BJT电流源电路,6.1.2 FET电流源（自学）, 镜像电流源, 微电流源, 多路电流源, 电流源作有源负载, JFET电流源, MOSFET镜像电流源 MO

6、SFET多路电流源 6.1,6.1.0 基本原理,利用放大区的恒流特性,6.1.0 基本原理iC/mAvCE饱和区放大区利用放大区,恒流特性：,VCC VBE , 故 IREF 取决于VCC和R，,6.1.1 BJT电流源,1. 镜像电流源,IC1的 T 不敏感性原理：,IC1维持稳定！,与PN结特性（T 敏感）基本无关！ IREF为恒定！,恒流特性：VCC VBE , 故 IREF 取决于VCC,恒流特性：,IC2取决于VCC和R，与PN结的特性（T 敏感）基本无关！,6.1.1 BJT电流源,1. 镜像电流源,T镜像对称！,思考：T2 的 Q 点必须处于什么区域,思考：如图所示电路IC2稳

7、定性如何,通过自动调节VBE获得稳定,恒流特性：IC2取决于VCC和R，与PN结的特性（T 敏感）,由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量：,实际上，一般ro在几百千欧以上,6.1.1 BJT电流源,1. 镜像电流源,交流电阻：,镜像电流源的恒流特性要求：交流电阻尽量大(Why) 、 T稳定性高！,由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量：实际上，一般ro在,由于增加T3，使IC3更接近kIREF,6.1.1 BJT电流源,1. 镜像电流源,精度更高更稳的镜像电流源,镜像电流源大交流电阻，对T3起射极偏置电阻作用（强反馈稳Q），当然输出交流电阻更高，恒流特性更好，温度稳定性更高！,由于增加T

8、3，使IC3更接近kIREF 6.1.1 BJT电,由于DVBE很小，故 IC2也很小,6.1.1 BJT电流源,2. 微电流源,由于DVBE很小，故 IC2也很小 6.1.1 BJT电流源,6.1.1 BJT电流源,3. 多路电流源,试指出该电路的镜像电流源和微电流源。,6.1.1 BJT电流源3. 多路电流源试指出该电路的镜,共射电路电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为：,比用电阻Rc就作负载时提高了。,6.1.1 BJT电流源,4. 电流源作有源负载,放大管,共射电路电压增益为：对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,6.1.2 FET电流源,1. MOSF

9、ET镜像电流源,6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源,6.1.2 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,6.1.2 FET电流源1. MOSFET镜像电流源,6.1.2 FET电流源,2. MOSFET多路电流源,6.1.2 FET电流源2. MOSFET多路电流源,6.1.2 FET电流源,3. JFET电流源,6.1.2 FET电流源3. JFET电流源iD/mAiD, 电路结构, 静态分析,6.2.1 差分放大电路的概念,6.2.2 基本差分式放大电路, 直接耦合放大电路, 共模和差模, 共模抑制比, 动态分析,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,6.2.4

10、基本差分式放大电路的传输特性,6.2.5 基本差分放大电路的改进, 二等分定理, 参数计算, 抑制零点漂移, 电路结构 静态分析 6.2.1 差分放大电路的概念,可以放大直流信号,零点漂移问题,一般集成运算放大器都要采用直接耦合方式，Why？,主要原因：温度变化引起，也称温漂,零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生,温漂指标：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,1. 直接耦合放大电路,6.2.1 差分放大电路的概念,电源电压波动也是原因之一,可以放大直流信号零点漂移问题一般集成运算放大器都要采用直接耦,例：假设,若第一级漂了100mV，则输出漂移1 V

11、。,若第二级也漂了100mV，则输出漂移 10 mV。,1. 直接耦合放大电路,6.2.1 差分放大电路的概念,第一级是关键,漂移1V+10mV,漂移1V+10mV,漂了100mV,漂移10mV+100mV,需采用低噪声低温漂差放,例：假设 若第一级漂了100mV，则输出漂移1 V。,？,思 考 题,输入端漂移电压为 0.2 mV,输入端漂移电压为 0.002 mV,A1vivo103A2vivo105？思 考 题增加了Re电,6.2.1 差分放大电路的概念,2. 什么是差放？,取 vo= vo1 vo2，则：（1）vi1 、 vi2大小相等方向相同时， vo= 0；（2）vi1 、 vi2大

12、小相等方向相反时， vo 0；,只能够放大差信号！,6.2.1 差分放大电路的概念2. 什么是差放？差动T1T,6.2.1 差分放大电路的概念,vid：差模信号,信号分解类型与定义：,3. 共模和差模,信号差/自有信号,差模信号输入对称电路后一分为二：,大小相等方向相反,6.2.1 差分放大电路的概念vid：差模信号信号分解类型,6.2.1 差分放大电路的概念,vid：差模信号,信号分解类型与定义：,3. 共模和差模,vic：共模信号,平均信号/共有信号,6.2.1 差分放大电路的概念vid：差模信号信号分解类型,6.2.1 差分放大电路的概念,vid：差模信号,信号分解类型与定义：,3. 共

13、模和差模,vic：共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压：,6.2.1 差分放大电路的概念vid：差模信号信号分解类型,6.2.1 差分放大电路的概念,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,有时用对数表达：,4. 共模抑制比,6.2.1 差分放大电路的概念共模抑制比反映抑制零漂能力的,6.2.2 基本差分式放大电路,1. 电路,（vi1= vi2 = 0）,2. 静态分析,6.2.2 基本差分式放大电路1. 电路（vi1= vi2,仅输入差模信号，vi1 和 vi2大小相等但反相。则 vc1 和 vc2 大小相等且反相，故 vo= vc1-vc20，差分信号被放大！,6.2.2 基本差

14、分式放大电路,3. 动态分析,仅输入共模信号，vi1 和 vi2大小相等但同相。则 vc1 和 vc2 大小相等且同相，vo= vc1-vc2= 0，共模信号被抑制！,若输入信号含共、差模分量，需分别提取分析计算,仅输入差模信号，vi1 和 vi2大小相等但反相。则 v,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,1. 二等分定理（A. 差模输入）,拆分电路，方便分析,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算1. 二等分定理（,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,1. 二等分定理（B. 共模输入）,拆分电路，方便分析,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算1. 二等分定理（,6.2.3

15、基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(1) 双端输入、双端输出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(1) 双端输入、双端输出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(1) 双端输入、双端输出,差模！,Avd与半边放大电路同,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(1) 双端输入、双端输出,Doub

16、le！,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(1) 双端输入、双端输出,Double！,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(2) 双端输入、单端输出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(2) 双端输入、单端输出,Half！,Unchanged！,Half！,思考: 从T2输出, Avd怎样变化? 接负载后怎样计算

17、?,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(3) 单端输入、双端输出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(3) 单端输入、双端输出,差分信号分析与双入双出完全相同, Avd、rid、ro均不变, 但含共模信号, 输出电压有差异 !,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(4) 单端输入、单端输出,6.2.3 基本差分式

18、放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态差模）,(4) 单端输入、单端输出,差分信号分析与双入单出完全相同 (Avd、rid、ro)，但含共模信号, 输出电压有差异 !,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态共模）,(1) 双端输出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态共模）,(1) 双端输出,双端输出差分式放大电路对共模信号有超强抑制作用！,6.2.3 基本差分式放

19、大电路的参数计算2. 参数计算（动,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,2. 参数计算（动态共模）,(1) 单端输出,共模抑制很强!,很小！,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算2. 参数计算（动,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，因此，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用！,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,3. 抑制零点漂移,VERY GOOD！,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,另外，温度，两 c 极电流，使流过Re的电流，e 极电位上升，从而限制了 c 极电流。其过

20、程类似分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使差放为单端输出，仍有很强的抑制零漂能力。,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,3. 抑制零点漂移,另外，温度，两 c 极电流，使流过Re的电流，e,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,4. 几种方式指标比较,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算4. 几种方式指标,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,4. 几种方式指标比较,AVD :双出2单出,AVC :双出 = 0，单出 = 负载/2倍恒流源阻值,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算4. 几种方式指标,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算,4. 几种方式指标比较,

21、rid、ric : 与输入形式无关,ro : 双出2单出,6.2.3 基本差分式放大电路的参数计算4. 几种方式指标,？,1. 若在基本差分式放大电路中增加两个电阻Re（如图）。则动态指标将有何变化？,增加了Re,思 考 题,？1. 若在基本差分式放大电路中增加两个电阻Re（如图）。则,？,答：双端输出差模增益,差模输入电阻,单端输出共模增益,共模输入电阻,思 考 题,？答：双端输出差模增益差模输入电阻单端输出共模增益共模输入电,反相,vc1与vi1,同相,vc2与vi1,同相,vc1与vi2,反相,vc2与vi2,反相,vo与vi1,同相,vo与vi2,2. 差分式放大电路如图。分析下列输入

22、输出相位关系：,3. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？偏置电流由哪个电源提供？没有这个电源 (单电源) 行吗？,？,思 考 题,反相vc1与vi1同相vc2与vi1同相vc1与vi2反相v,例：T1、T2、T3均为硅管, b1 = b2 =50, b3 = 80, 当 vi = 0 时, vo = 0，求：,(1) IC3、IC2、IE、VCE3、VCE2、Re2；,(2) AV = AVD2AV2；,(3) 当vi = 5mV时，vo= ？,(4)当输出接12k负载时的电压增益。,例：T1、T2、T3均为硅管, b1 = b2 =50, b,解：(1) 静态：,已知vi1=0, vo=

23、0,解：(1) 静态：已知vi1=0, vo=0,解：(2) 电压增益：,解：(2) 电压增益：,解：(3) 输出电压：,(4) RL= 12kW时：,已知vi = 5mV,忽略共模放大,解：(3) 输出电压：(4) RL= 12kW时： 已知v,6.2.4 基本差分式放大电路的传输特性,6.2.4 基本差分式放大电路的传输特性线性区,6.2.5 基本差分放大电路的改进,输入级偏置电流源,输出级,有源负载,6.2.5 基本差分放大电路的改进输入级偏置电流源输出,6.2.5 基本差分放大电路的改进,6.2.5 基本差分放大电路的改进差放管 偏置级 恒流源,6.2.5 基本差分放大电路的改进,6.

24、2.5 基本差分放大电路的改进偏置级 *复合管 有源负,6.3.1 集成电路运算放大器的基本结构,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,6.3.1 集成电路运算放大器的基本结构 6.3.2 通用,集成运放内部组成框图,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,集成运放内部组成框图 6.3.1 简单的集成电路运算放大器电,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,运放中的“ + ”、“ - ”的含义指什么？,集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小 6.3.1,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,LM741,6.3.2 通用型集成电路运算放大

25、器LM741,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,简化电路,6.3.2 通用型集成电路运算放大器简化电路LM741,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,外观（LM741）,DIP：dual inline-pin package,6.3.2 通用型集成电路运算放大器外观（LM741）DI,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流IIB,3. 输入失调电流IIO,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,5. 最大差模输入电压Vidmax,6. 最大共模输入电压Vicmax,6.4 主要参数：,1. 输入失调电压VIO2. 输入偏置电流II

26、B3. 输入失,8. 开环差模电压增益AVO,9. 开环带宽BW (fH),10. 单位增益带宽 BWG (fT),11. 转换速率SR,7. 最大输出电流Iomax,8. 开环差模电压增益AVO9. 开环带宽BW (fH)10,课堂练习：,1. 电路如图，所有BJT 均为硅管, 求：(1) Q点；(2) 差放倍数Av。,解：(1) 静态Q：,课堂练习：1. 电路如图，所有BJT 均为硅管, 求：,课堂练习：,1. 电路如图，所有BJT 均为硅管, 求：(1) Q点；(2) 差放倍数Av。,解：(2) Av,课堂练习：1. 电路如图，所有BJT 均为硅管, 求：,课堂练习：,2. 电路如图，所

27、有BJT 均为硅管, 求：(1) Q点；(2) 差放倍数Av。,解：(1) 静态Q：,(2)计算略(自练),课堂练习：2. 电路如图，所有BJT 均为硅管, 求：, 信号分类、分解与合成：共模信号和差模信号, 差分放大器结构、原理及和对称性计算方法, 差分放大器的输入输出组合及其交流参数计算, 集成运算放大器的特点、主要参数和应用,本章小结, 信号分类、分解与合成：共模信号和差模信号 差分放大器结,End of 6 ！,Thank You !,模电演义领衔主演：李 震 饰 二极管李彩林 饰 三极管BJT韦寿祺 饰 MOSFET 莫金海 饰 运算放大器 罗 奕 饰 搞搞震器王 红 饰 功率放大器 群众演员： 12级电气全体友情演出： 其他选修者导演音响： Goldsea,End of 6 ！Thank You !模电演义领衔,