模拟电子技术经典教程半导体电路设计基础.ppt

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1、返回,第四章,4 半导体电路设计基础,返回,4.1 半导体放大电路的构建准则,第四章,选择合适的器件,建立合适的直流偏置,具备良好的交流信号通道,P103图4.1-1例题,选取合适的器件参数，比如ICM、BVCEO、PCM、fT等。,BJT：保证BE结正偏，BC结反偏；FET:不同类型下保证其处于线性放大区。,采用合适的耦合方式,第四章,返回,4.2 放大电路中器件的偏置技术,几种常用的偏置技术,1.单电阻法,缺点：工作点稳定性差,2.分压法,缺点：仍存在工作点随温度变化的问题,3.自给偏压法,缺点：只适用于耗尽型的FET,4.混合偏置法,第四章,返回,集成电路中的偏置技术,采用恒流源进行直流

2、偏置,采用三极管或恒流源作有源负载,第四章,返回,4.3 放大电路中的信号耦合技术,单级放大器中的耦合技术,常常采用电容进行信号的耦合,第四章,返回,多级放大器中的耦合技术,多级放大器的概念,将多个单级放大器串接在一起，即可组成一个多级放大器,第四章,返回,多级放大器中的耦合技术,1.阻容耦合,优点：各级放大器的静态工作点互不干扰,缺点：无法传递直流信号,2.直接耦合,优点：简单方便，易于集成,缺点：各个放大器的静态工作点互相干扰，需在电路上采取措施加以改进。,3.变压器耦合,优点：可实现阻抗匹配，达到最佳级间配合。,缺点：隔直流，且体积笨重，不易于集成。,第四章,返回,多级放大器中电压放大倍

3、数的求解,P111例题,第四章,返回,4.4 电流源及有源负载,(1)电流源电路是指电流不随电压变化的电路。,(2)电流源电路用于模拟集成放大器中，以稳定静态工作点。,(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。,电流源概述,第四章,返回,(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。,(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。,(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、比例电流源、微电流源、多路电流源等。,电流源概述,第四章,返回,基本镜像电流源,电路要求,电路工作原理,三极管T1、T2为对称管，即其器件参数完全相同。,IC2和IR是镜像关系，且,第四章,返回,改进型

4、镜像电流源,电路工作原理,由于有T3存在，IB3将比镜像电流源中的2IB小13倍。因此IC2和IREF更加接近。,第四章,返回,多路镜像电流源,通过一个基准电流源带动多个三极管的输出电流，即可构成多路电流源，即一个基准电流IREF可获得多个恒定电流。,此时，Iom与IR之间的误差将由原来的（m+1)IB的减小为,第四章,返回,微电流源,在镜像电流源中接入Re电阻，可以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。,IES1=IES2,第四章,返回,比例电流源,在镜像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。,第四章,返

5、回,有源负载电路,恒流源由于其动态输出电阻很大，故在电路中可用作放大器的有源负载，从而提高电路的电压放大倍数。,T2、T3组成恒流源，作为T1的有源负载,第四章,返回,4.5 复合管及复合结构电路,复合管,当两个三极管组合在一起时，可等效为一个管子，称为复合管（达林顿管）。,两个相同类型的管子组成的复合管，等效后管子的类型与原类型相同。,两个不同类型的管子组成的复合管，等效后管子的类型取决于第一个管子的类型。,第四章,返回,同类型管子组成的复合管,第四章,返回,互补型管子组成的复合管,两个不同类型的管子组成的复合管，等效后管子的类型取决于第一个管子的类型。,第四章,返回,组成复合管的原则,管内

6、电流方向要一致,能组成复合管,不能组成复合管,第四章,返回,复合结构电路,CECB电路,共射和共基放大电路组合在一起，组成复合结构电路，常称为串接放大器。,交流通路,第四章,返回,CECB电路,交流通路,小信号等效电路,第四章,返回,4.6 差分放大,差分放大电路及其工作原理,电路形式,差分放大电路是由对称的两个基本共射放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。,对称的含义为两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。,第四章,返回,差分电路的作用,抑制零点漂移,零点漂移,当电路没有输入信号时，由于电源电压或外界环境因素的变化，会使得电路的输出电压不为零，而有缓慢而无规则的飘动，这种现象称为零点漂移。

7、,由于外界对电路的干扰是一致的，而电路又是左右对称的，所以当电路从C1和C2之间输出时，其干扰相互抵消，故起到消除零点漂移的作用。,第四章,返回,差模信号和共模信号,差模信号,共模信号,纯差模输入,纯共模输入,任意输入信号都可以分解为差模信号和共模信号之和。,第四章,返回,输入输出方式,双入双出,双入单出,单入双出,单入单出,第四章,返回,静态分析,第四章,返回,动态分析,对于纯差模输入信号，公共发射极E点相当于交流短路。,对于纯共模输入信号：,双端输出时，差分电路能放大差模信号，抑制共模信号,第四章,返回,差分放大器的性能表征,差分放大器的性能主要可用以下几个参数表征,差模放大倍数AVD：,

8、共模放大倍数AVC：,共模抑制比CMRR：,除此以外，还有输入输出电阻、频响特性等。,第四章,返回,差模放大倍数,当电路为纯差模输入时，其交流通路如下所示：,第四章,返回,单端输出差模放大倍数,从C1端输出,从C2端输出,第四章,返回,差模输入输出电阻,差模输入电阻,差模输出电阻,单端输出,双端输出,第四章,返回,共模电压放大倍数,当电路为纯共模输入信号时，其交流等效电路为：,双端输出时,单端输出时,共模微变等效电路,第四章,返回,带恒流源的差分放大电路,静态时，恒流源提供电路直流电源；动态时恒流源等效于阻值很大的电阻。,为降低共模放大倍数，可采用恒流源替代射极电阻Re。,第四章,返回,共模输

9、入输出电阻,共模输入电阻,共模输出电阻,单端输出,双端输出,第四章,返回,电路单端输入时的情况,假设：,单端输入转换成双端输入时，差模信号为vid，共模信号为vic，与原来单端输入时相同。,此时电路总的输出电压为：,第四章,返回,共模抑制比,共模抑制比用来表征电路对共模信号的抑制能力。CMRR越大，表明电路对共模信号的抑制能力越强，抗干扰能力越好。理想时CMRR=。,双端输出时：,因为AVC=0，所以CMRR=,单端输出时：,图中纵坐标为,传输特性曲线,P134例,第四章,返回,BJT有源负载差分放大器,TI、T2组成差分放大器；T3、T4组成镜像恒流源，作差分放大器的有源负载。,静态分析,第

10、四章,返回,动态分析,纯差模输入,纯共模输入,虽为单端输出，但AVD2与双端输出相同,几种输入输出方式指标比较,几种输入输出方式指标比较,4.6.4 FET有源负载差分式放大器,1.电路组成,2.差模增益,3.差模输入电阻,第四章,返回,4.7 反馈,反馈的基本概念,将电路输出量的一部分或全部经过一定的电路送回到电路的输入端，同输入信号混合后，再将混合后的净输入信号去控制输出，称为反馈。,Xi为输入信号Xf为反馈信号Xid为净输入信号,第四章,返回,反馈的分类,负反馈,正反馈,瞬时极性法,第四章,返回,在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，可用“+”、“-”或“”、“”表示。按信号传

11、输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,例1,负反馈,第四章,返回,瞬时极性法,例2,负反馈,例3,负反馈,例4,正反馈,反馈的分类,第四章,返回,全局反馈/局部反馈,人工反馈/寄生反馈,第四章,返回,并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一输入端,串联反馈：反馈信号和输入信号加在放大电路输入回路的两个不同输入端,反馈信号与输入信号以电流的形式进行比较,反馈信号与输入信号以电压的形式进行比较,反馈的基本组态,第四章,返回,例题,串联反馈,并联反馈,串联反馈,并联反馈,第四章,返回,电压反馈：,反

12、馈信号的取样对象是输出电压，称为电压反馈。,电流反馈：,反馈信号的取样对象是输出电流，称为电流反馈。,判别方法,将输出端交流短路，若反馈信号为零，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,可以稳定输出电压,可以稳定输出电流,第四章,返回,例题,电压反馈,电流反馈,电流反馈,第四章,返回,反馈的四种基本组态,将输入端引入反馈的方式和输出端获取的反馈的方式组合起来，可得到以下四种基本反馈组态,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,第四章,返回,例题,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,第四章,返回,反馈的基本表达式,开环放大倍数,反馈系数,不同反馈类型时，A和

13、F的不同含义,第四章,返回,闭环电压放大倍数,负反馈,第四章,返回,反馈深度,当 1+AF1时，AFA，相当于负反馈,当 1+AF 1时，AFA，相当于正反馈,当 1+AF 1时，称为深度负反馈,第四章,返回,在深度负反馈条件下，闭环放大倍数可表示为:,由此可以得到：,对于串联反馈：,入手,虚短,对于并联反馈：,入手,虚断,第四章,返回,例题1,虚短：,同相放大器,第四章,返回,例题2,虚短：,反相放大器,虚断：,第四章,返回,例题3,虚短：,虚断：,第四章,返回,例题4,虚短：,虚断：,引入负反馈的好处和问题,第四章,返回,负反馈的优点,1.增加放大倍数的稳定性,定性,外界影响,第四章,返回

14、,负反馈的优点,定量,加入负反馈后，放大倍数的变化只有原来的1/(1+AF),第四章,返回,2.通频带展宽，频率失真减小,负反馈的优点,频率变化,将信号频率的变化看成是一外界变动因素，则：,放大倍数随频率变化的速度减慢,开环幅频响应,闭环幅频响应,第四章,返回,3.非线性失真减小，输入信号的动态范围展宽,负反馈的优点,动画（93）,失真的反馈信号，使净输入产生相反的失真，从而弥补了放大电路本身的非线性失真。,第四章,返回,负反馈的优点,4.提高电路的信噪比,由于负反馈的引入可使放大倍数减小，故使有用信号和噪声、干扰电平一同减小。如果可以人为的增加输入的有用信号，使其输出保持与无反馈时一样，则电

15、路的信噪比就可以提高了。,第四章,返回,负反馈的优点,5.改变输入电阻和输出电阻,负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。,负反馈对输出电阻的影响与获取反馈信号的方式有关，即与电压或电流反馈有关，而与串联或并联反馈无关。,第四章,返回,串联负反馈使输入电阻增加,加入负反馈后的输入电阻是没有反馈时的1AF倍,第四章,返回,并联负反馈使输入电阻减少,加入负反馈后的输入电阻是没有反馈时的1/(1AF),第四章,返回,电压负反馈使输出电阻减少,加入负反馈后的输出电阻是没有反馈时的1/(1AF)倍,第四章,返回,电流负反馈使输出电阻增加,加入负反馈后的

16、输出电阻是没有反馈时的1AF倍,输出电流与测试电流方向相反,第四章,返回,负反馈带来的问题,自激振荡的概念,电路输入端不加信号，输出端仍有信号输出，这种现象称为自激。,产生自激振荡的条件,放大器的闭环增益,所以，当1+AF=0时，AF=，电路产生自激振荡，由此可得产生自激振荡的条件为：,幅度条件,相位条件,第四章,返回,负反馈带来的问题,产生自激振荡的原因,由于放大器和反馈网络引入附加相移，使电路由原来的负反馈变为正反馈。,消除自激振荡的方法,通过破坏产生自激振荡的条件，以消除自激振荡的产生。常用的方法为频率补偿法。,第四章,返回,负反馈带来的问题,稳定裕度的概念,离产生自激振荡的幅度条件和相位条件的距离，称为稳定裕度。距离越远，稳定性越好。,增益裕度,相位裕度,稳定裕度,第四章,返回,负反馈带来的问题,增益裕度,相位裕度,附加相移AF=180时所对应的AF的值与1的差。,fc指|AF|=180时所对应的频率,20log|AF|=0dB时所对应的附加相移AF与180的差值。,fo指20log|AF|=0dB时所对应的频率,