模拟电子技术基础第六章.ppt

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1、第六章 双极型模拟集成电路,集成化元、器件及其特点集成差分放大电路电流模电路功率输出级电路集成运算放大器,第二节,第一节,第五节,第四节,第三节,第一节 集成化元、器件及其特点,一 集成电路工艺简介 以制造NPN管的工艺流程为例,1 平面工艺,2 电路元件制造工艺,硅片上的管芯,集成电路的封装(a)双列直插式(b)圆壳式,二 集成化元、器件,1 NPN晶体管 在P型硅片衬底上扩散N隐埋层，生长N型外延层，扩散P型基区，N 型发射区和集电区,2 PNP晶体管,从隔离槽P上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动优点：制造方便基区较NPN宽特征频率高输出电流大缺点由于隔离的需要，C极必须接电路

2、电源最低电位常作射极跟随器,1)纵向PNP管,(2)横向PNP管:,发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。缺点：由于加工原因，基区宽度比普通NPN大12个数量级，很小，特征频率低优点：因为由轻掺杂的P型扩散区和N型外延区构成，e结和c1结反向击穿电压高,3 多发射极管和多集电极管,4 二极管,晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得：,5 电阻:,金属膜电阻:温度特性好扩散电阻，按结构分：基区电阻 50100K 20%发射区电阻 11000（电阻率低）窄基区电阻 电阻率高 101000K 20%虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差小（小于3）,6 电容,MOS电容：利用Si

3、O2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正比，单位面积电容量不大但漏电较小，击穿电压较高,结电容：由反向PN结构成，容量与结面积成正比，击穿电压低，漏电流大，但单位面积电容值高,集成电路元件平面图,二 集成化元器件特点,4 集成电路中的寄生参量存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡,1 集成电路工艺不能制作电感，超过100pF的大电容 因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用阻 容耦合，而采用直接耦合,2 电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般几十至几 十K，尽量用晶体管代替电阻电容,3 单个精度不高，受温度影响大，但同一晶片上

4、相邻 元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采用差放电路及放大倍数取决于电阻比值的 负反馈放大器,第二节 集成差分放大电路,（一）差分放大电路的组成：由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻Ree耦合构成。,一、差分放大电路的工作原理：,对称指两个三极管特性一致、电路参数相等 Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,1=2=,rbe1=rbe2=rbe,IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,Ube1=Ube2,Uc1=Uc2,信号输入方式双端输入：输入信号接在两个输入端间单端输入：输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地差放输出方式双端输出（平衡输出）：输出取自两个集电极之间

5、单端输出（不平衡输出）：输出取自一个集电极与地间,差模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相反的信号，记为，Uid1,Uid2 Uid1=-Uid2=Uid,（二）对差模信号的放大作用,双端输入双端输出时：,不论单端输入还是双端输入，rid均为基本放大电路的两倍,双端输出时，rod=2Rc/(2/hoe)当1/hoe Rc时，,1 差模电压增益AUd,2 差模输入电阻 rid,3 差模输出电阻rod,共模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相同的信号，,（三）对共模信号的抑制作用,记为：Uic1,Uic2 Uic1=Uic2=Uic,1 共模电压增益Auc双端输出时，由

6、于电路对称，,单端输出时，,当（1+hfe）*2Ree（Rb+hie）时，,图610(b)共模输入等效电路,单端输出时，双端输出时，,定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值即 CMMR=IAUd/AUcI或 CMMR（dB）=20lg IAUd/AUcI 双端输出时，CMMR可以认为等于无穷大单端输出时 CMMR（单）=lAUd(单)/AUc(单)l,2 共模输入电阻,3 共模抑制比CMRR,动画6-1,输入Ui1,Ui2 可写为：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2,若输入为一

7、对任意数值和极性的信号，则可分解为一对差模信号和一对共模信号,（四）对任意输入信号的分析,图611 典型差放电路,动画6-2,（五）差放的输入和输出,差放的差模工作状态可分为四种：双端输入双端输出（双双）双端输入单端输出（双单）单端输入双端输出（单双）单端输入单端输出（单单）主要讨论的问题有：差模电压增益差模输入电阻输出电阻,相当于 Ui1=Ui,Ui2=0,则可分解为一对差模信号和一对共模信号。对“单双”和“双双”状态,1单端输入方式：,图612 单端输入、输出方式,AUc=0 Rid=2(Rb+hie)Rod=2Rc/(2/hoe),2单端输出方式：,负载一端接集电极之一,另一端接地，对“

8、双单”和“单单”状态,恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻,二、恒流源差分放大电路,忽略T3基极电流，则,故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻有源负载,等效输出电阻,图613 恒流源差放,三 组合差分输入级,(一)共射-共基组合差放,图614(a)共射共基差放,T1,T2-共射电路,T3,T4-共基电路,(二)共集-共基差放电路,-高值NPN管-低横向PNP管,特点：输入电阻高，电流和电压增益大。又称为互补差分电路。（利用NPN管大弥补PNP管小，利用PNP管反向击穿电压高提高差模输入电压范围。),图614(b)共集共基差放,四 共模负反馈差放,两级共模负反馈,第一级：T1、T2、T3

9、构成恒流源差放第二级：T4、T5构成典型差放R1、R2构成两级电流负反馈，抑制共模信号,图615 共模负反馈差放,对差模信号无负反馈作用,抑制共模信号过程,五 差放的传输特性,传输特性：输出集电极电流Ic与输入差模电压Ui的函数关系及输出电压Uo与差模电压Ui的函数关系,(一)Ic 随Ui的变化曲线,图616 恒流源差放,(二)Uo与Ui关系曲线,图617 传输特性,5)在T1、T2管接入射极电阻Re会使传输特性线性范围加宽。,1)当输入信号Ui 0时（静态工作点Q)，差放处于平衡状态，Ic1 Ic2 0.5 I0，Uo0。,2)在Ui=UT=25mV范围内，Uo与 Ui成线性关 系。这一范围

10、(约50mV)即小信号工作线性放大区。,3)当Ui 2 UT时，Ic1、Ic2基本恒定不变，称为大信号限幅特性,4)两管集电极电流之和 Io为一常数，故一管电流增大，另一管电流必然减小。,一 镜像电流源电路,（一）基本恒流源,第三节 电流模电路,因为T1、T2构造相同，Ube相同，所以Ic相同。称为镜像电流源电路。电路优点：结构简单，两管参数对称符合集成电路特点。电路缺点：Ic1数值仍受电源电压、R和Ube影响，且不易得到小电流（A级),图619 基本电流源,（二）比例恒流源,1.在基本恒流源的T1、T2管接入射极电阻R1、R2，,当Ic1=(510)Ic2时，,图620(a)比例恒流源,2.

11、改变基本恒流源的T1、T2 管的发射区面积,Se-发射区面积W-基区宽度N-基区杂质浓度,图620(b)比例恒流源,（三）微电流源（Wildar电流源）,设计时一般先定Ir、Ic1值，再确定R2值,图621 微电流源,（四）闭环负反馈电流源威尔逊电流源,如图：,若T1、T2、T3特性一致，可得：,由上式可看出，变化对保持 影响较小，故此种电路传输精度高。,图622 闭环负反馈电流源,（五）多路恒流源,如图(a)，各管特性一致，则：,n越大，越大，故可采用(b)电路以使Io与Ir接近相等。此时：,图623 多路基本恒流源,二 跨导线性电路,（一）跨导线性的基本概念,上式表明理想双极晶体管跨导gm

12、是集电极电流Ic的线性函数，称为跨导线性(TL),（二）跨导线性(TL)回路原理,由图，回路方程为,其中：,则有：,控制发射区尺寸使,则有：,TL回路：,含有偶数个正偏发射结的闭合回路。回路中顺时针方向排列的正偏PN结数目与反时针方向排列的正偏PN结数目相等。,在TL回路中，若顺时针方向排列的正偏PN结数目与反时针方向排列的正偏PN结数目相等，则顺时针正偏PN结的各电流乘积等于反时针正偏PN结的各电流乘积。,跨导线性回路原理：,图6-24 TL回路,（三）由跨导线性回路构成的电流放大器,1.A回路电流放大器,图中，输入为T1、T4，其静态电流为Ix，输入差模电流是在Ix基础上变化x,输入电流：

13、,T2、T3管的静态电流为Iy,图625(a)A回路电流放大器,可得：,即,输入差模电流：输出差模电流：,2.B回路电流放大器,输入差模信号：,输出：,同理可得：,与A回路相比，输入输出电流极性相反。,图625(b)B回路电流放大器,（四）两级可变增益电流放大器,图626 两级电流放大器,每一级的电流增益为,每一级的电流增益为,设计低频功放应考虑以下几个特殊问题：1.转换效率：Po/PDc2.非线性失真：在大信号下，晶体管、变压器等非线性元件的特性不能看成线性，而是非线性的，故非线性失真不可忽略。3.晶体管的安全运用：在功放中，晶体管工作时电压、电流幅度变化大，接近极限运用，故应保证晶体管各电

14、流、电压及集电极耗散功率不超过规定值。,第四节 功率输出级电路,功率放大器：放大设备中直接与负载相连并向负载提供信号功率的输出级及其推动电路,工作原理：实质是能量转换器。即在输入信号控制下，通过晶体管的作用将直流电源供给的能量转换成输出信号功率。,三极管的工作状态三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。甲类-三极管360导电；特点：非线性失真小，但效率最低；甲乙类-三极管180360导电；特点：兼有甲类失真小和乙类效率高的优点；乙类-三极管180导电；特点：失真较大，但效率较高；丙类-三极管180导电；特点：失真最大，效率更高，只用于高频放大器。,甲乙类180360导电,乙类180导电

15、,图17.01 三极管的四种工作状态,丙类180导电,甲类360导电,一、甲类功率输出级,T1-射极跟随输出级T2-恒流源偏置电路，可提供ICQ，并作为T1发射极有源负载电阻,6-27(a)射级跟随甲类输出级,Po/PDc=25%,实际1020,图6-27（b)T1管输出特性,输入正弦信号正半周时,输入正弦信号负半周时,二、乙类功率输出级,原理：当Ui为正弦信号正半周，T2截止，T1导通，Uo随Ui变化；当Ui为正弦信号负半周，T1截止，T2导通，Uo随Ui变化，故输出完整波形。,图6-28(a)互补对称乙类推挽输出级,(一)乙类推挽输出级工作原理,1.互补对称乙类推挽输出级,结构：由T1(N

16、PN管)和T2(PNP管)分别与负载RL连成射极跟随器形成，T1、T2管的输出特性对称。,6-28(b)变压器耦合乙类推挽输出级,2.变压器耦合乙类推挽输出级,结构 T1、T2特性相同，输入变压器次级有中心抽头以获得对称信号,原理：正半周：N1次级感应电压上正下负，T1截止，T2导通，有iC2流过 N2，得到 iL负半周：N1次级感应电压上负下正，T2截止，T1导通，有iC1流过 N2，得到反向 iL在RL上得到完整正弦波。,图6-29 乙类输出特性,（二）乙类推挽输出级的功率分析,忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为,1.交流输出功率Po,2电源提供的直流功率PDC,电源供给每管的

17、直流功率为:,电源提供给双管的直流功率为:,电源提供给双管的最大直流功率为:,3功率转换效率,当Uom=EC 时效率最大，,4晶体管集电极功耗Pc 电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然,将Pc画成曲线，如图所示。,乙类互补功放电路的管耗,5.PC与Po关系曲线,P CM=P Cmax=Po=50%,OM Po,PC;,N点 PoN=P pmax,N=max=78.5%,MN Po,PC,;,图6-30 Po与PC关系,M点,(三)乙类推挽输出级转移特性,分析:1)U i=0时,U 0=0,T 1,T 2截止2)U i0且U i

18、 U be0,U 0 03)U i U be0,T 1 导通,T 2截止,Uo U i4)U i U i1=E c+Ube1-Uces1时,T 1 饱和,突变为水平线,U i 为负电压时,相应为对称部分,图6-31 转移特性,图中:U 01=E c-Uces1 U 02=E c+Ube1-Uces1,严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图所示。,输入信号很大时,T1、T2进入饱和,造成输出信号顶部失真,称为饱和失真。,三 甲乙类功率输出级,(一)双电源甲乙类输出级1 甲乙类工作原理 由于有U b1

19、,U 02给T 1,T 2提供正向小偏压,使T 1,T 2接近导通,在U i=Ubeo范围内有输出跟随电压,可避免交越失真,图6-32（a）甲乙类输出级原理图,6-32(b)甲乙类推挽输出级转移特性原理,Ui=0处，T1与T2处于导通，使整个转移特性曲线在工作区域的斜率接近于己于人，从而克服交越失真的影响,2.互补推挽输出级,T 3-共射激励级,可提高输入信号电压幅度;T 1,T 2-互补推挽输出级D 1,D 2-给T 1,T 2提供小偏压,图6-33 互补输出级,3.准互补推挽输出级,复合管:两只导电类型相同的管子组成,复合后管子导电类型不变.T 1A,T 1B-NPN型复合管T 2A,T

20、2B-PNP型复合管复合管极性决定于小功率管T 1A,T 2A,输出特性决定于大功率管T 1B,T 2B,复合管电流放大倍数为T 1A,T 1B两管电流放大倍数乘积U B1-2=I R2(R 1+R 2)=Ube4(1+R 1/R 2)上两种电路负载R L可直接连到功放输出,不用耦合电容,称为OCL电路.,图6-34 准互补输出级,(二)单电源甲乙类推挽输出级(OTL),T 3-共射激励级,电压放大;T 1,T 2-推挽功率输出级;D 1,D 2-提供小偏压;T 4,T 5-输出过载保护电路,图6-35 OTL电路,运算放大器由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的方框图如图6-36

21、所示。,图 6-36 运放组成及符号,第五节 集成运算放大器,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，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U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U表示。,4.恒流源偏置可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。,3.低阻输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。,6-37集成运放F741(F007)电路原理,

22、一.通用型集成运放,F007电路原理 由输入级、中间级、输出级、恒流偏置构成。优点：输入阻抗高，共模范围大，开环增益高，工作稳定，输出有短路保护。,(一)恒流源偏置电路,T8、T9、T10、T11、T12、T13、R4、R5为偏置电路，T11、T12、R5形成偏置电路的基准电流Ir,图639 恒流偏置,3.闭环恒流偏置T10、T11、R4连成的小电流恒流源带动由横向PNP管T8、T9组成的恒流源，并为 T3、T4提供基极电流。,1.基本恒流源电路T12所带动的恒流源 T13是双集电极横向PNP管,2.微电流源电路由NPN对管T10、T11组成，可提供一微小恒定电流 Ic10,图639 恒流偏置

23、,(二)输入级电路,由T1 T7、R1 R3构成，其中：T1、T2和 T3、T4 接成共集共基组合差分电路，T3、T4 的输入阻抗分别作为 T1、T2 的射极阻抗；T5、T6是 T3、T4 的有源负载，兼有双端变单端作用；T7作用是减小 T5、T6两管电流差别，R3用来增大工作电流，从而提高值；,图640 输入级电路,电路特点1.PNP对管T3、T4 具有高的发射结和集电结击穿电压,这可使F007的最大差模输入电压大于30V;2.具有较高的差模输入电阻3.由于T7的耦合作用,使单端输出具有双端输出的差模增益;4.由于T7的耦合,使单端输出具有双端输出抑制共模信号的效果.,(三)中间级,由T16

24、、T17、T23组成T16-射极跟随器,在输入级与中间增益级间起缓冲作用;T17-共射电路,中间增益级,T13B为集电极有源负载;T23-射随器,作有源负载。,图641 中间放大级,(四)输出级及其保护电路,T19、T20为互补输出级T14、T15给T19、T20提供偏压,消除交越失真.过载保护电路T15、T21、R6、R7、T22、T24及T23的发射结D1。,图642 输出级及其保护电路,(五)调零及相位补偿,Rw-调零电位器,使Ui=0时,Uo=0;C=30pF-相位补偿电容,防止闭环时产生自激振荡.,图638 F007 外部连接,二 集成运放参数及相位补偿技术,(一)集成运放的主要特性

25、参数,1.传输参数,1)差模电压增益AUd=|Uo/Uid|或AUd(dB)=20lg|Uo/Uid|2)输入电阻RidAUd=Uid/Iid3)输出电阻Ro4)共模输入电阻Ric 5)共模抑制比CMRRCMRR=|AUd/AUc|,6)频率带宽截止频率fo-运放开环增益下降到直流增益的0.707倍对应频率;单位增益带宽fc-运放开环增益下降到1时频带宽度;对单极点系统,有AUd fo=fc7)差模输入电压范围Udm8)共模输入电压范围Ucm,1.输入失调电压Uos,2.输入偏置电流 Ib,3.输入失调电流Ios,2.失调误差参数,4.输入失调电压温漂 dUos/dT,5.输入失调电流温漂dI

26、os/dT,1)额定输出电压UcM2)额定输出电流IoM3)转换速率SR SR=Up-p/t,3.输出信号响应参数,(二)相位补偿技术,定义:为消除多极点负反馈放大器的自激振荡,在适当的地方加入补偿网络,改变电路原有的频率特性,破坏它的自激振荡相位条件,使放大器在闭环稳定工作.1.滞后补偿接入补偿元件后,使附加相位滞后.,1)简单电容补偿把开环幅频特性第一个极点强制移到低频区,使开环幅频特性呈单极点系统.例:5G23集成运放fP1=1/(2R1 C1)=4KHz fP2=1/(2R2 C2)=1.2MHz,图6-48（a）简单电容补偿结构示意,在fP2 的M点作一斜率为-20dB/十倍频直线,

27、与原幅频特性交于N,N对应频率 fP1.加入Cx,使fP1=1/2R1(C1+Cx)则 C1+Cx=1/(2R1 fP1),图6-48（b）开环幅频特性,2)密勒电容补偿例:F007C接至A2,则C折算到输入端后等效电容:,选择C使fp1 fp2,则:,图6-50 密勒电容补偿原理,2.超前补偿在产生自激振荡的频率点附近引入一个超前相移的零点,利用零点产生的超前正相移抵销原来的滞后相移.1)超前补偿网络,fZ=1/(2R1 C),fP=1/2(R1/R2)C,图6-51超前补偿网络,2)超前补偿原理例:,串联入超前网络,增益A(j),则合成后,图6-52 超前补偿原理,三.专用集成运放的典型产品,(一)跨导可控型运放F3080（图6-53）,(二)超高精度单片集成运放典型电路,运放OP-177简化原理电路（图6-54）,(三)超高速集成运放（图6-55）,