模电模拟集成电路.ppt

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1、6：模拟集成电路,内容提要,复合管电路,组合放大电路,6.0.1 集成电路的特点,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,集成电路的特点,集成电路的特点,集成电路的特点,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。,集成电路的特点,1.电路结构与元器件参数具有对称性,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

2、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。,集成电路的特点,2.用有源器件代替无源元件,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。,集成电路的特点,3.采用复合结构电路,IC 中的二极管常用三极管的一个 PN 结构成，或将基极与集电极

3、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。,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,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（达林顿管）,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,CC-CB电路,MOSFET镜像电流源,MOSFET多路电流源

4、,6.1.1 BJT电流源电路,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,6.1.0 基本原理,利用放大区的恒流特性,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：,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稳定性如何,通过自动调节VBE获得稳

5、定,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DVBE很小，故 IC2也很小,6.1.1 BJT电流源,2.微电流源,6.1.1 BJT电流源,3.多路电流源,试指出该电路的镜像电流源和微电流源。,共射电路电压增益为：

6、,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,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,3.JFET电流源,电路结构,静态分析,6.2.1 差分放大电路的概念,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,基本差分式放大电路的参数计算,基本差分式放大电路的传输特性,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,可以

7、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,例：假设,若第一级漂了100mV，则输出漂移1 V。,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,

8、？,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,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,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

9、,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,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,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,6.2.2 基本差分式放大电路,1.电路,（vi1=vi2=0）,2.静态分析,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

10、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,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（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,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

11、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?,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

12、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（动态差模）,(4)单端输入、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（动态共模）,(1)双端输出,双端

13、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！,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！,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

14、放大电路的参数计算,3.抑制零点漂移,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.几种方式指标比较,rid、ric:与输入形式无关,ro:双出2单出,？,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,？,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,反相,vc1与vi1,同相,vc2与vi1,同相,vc1与vi2

15、,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,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。,解：(1)静态：,已知vi1=0,vo=0,解：(2)电压增益：,解：(3)输出电压：,(4)RL=12kW时：,已

16、知vi=5mV,忽略共模放大,6.2.4 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,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,6.2.5 基本差分放大电路的改进,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,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？,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器,简化电路,6.3.2 通用

17、型集成电路运算放大器,外观（LM741）,DIP：dual inline-pin package,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：,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,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.

18、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：,2.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：,(2)计算略(自练),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,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,