1、第6章 模拟集成电路,武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,本章主要内容,介绍集成放大电路的特点。,2. 电流源电路集成运放的典型单元电路之一,包括,各自适用范围,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,本章主要内容,3. 差分式放大电路集成运放的典型单元电路之二。,根据输入、输出的不同，可组合成四种典型电路（双入双出、双入单出、单入双出、单入单出），要求会求各种电路参数。,4. 理想集成运放的特性及代表符号含义。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,概 述,一.集成电路,简称IC【Integrated Circuit】,电子技术基础精品课程模拟
2、电子技术基础,二.集成电路分类,按功能分，可分为：,数字集成电路,模拟集成电路,输入量和输出量为高、低电平，且具有一定逻辑关系的电路。,数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路。,最典型的：集成运算放大器（简称集成运放：Integrated Operation Amplifier）,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,三.特点,电路参数一致性好，适用于构成差分放大电路。,用有源器件代替无源器件。,采用复合结构的电路。,级间采用直接耦合方式。,常用耦合方式有三种： 直接耦合 通过电容耦合称阻容耦合 通过变压器耦合,用三极管的发射结代替二极管。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,6.1
3、集成电路中的直流偏置技术,电流源（Current Mirror）电路就是在集成运放中最常用的偏置电路，它不仅可以为放大电路提供稳定的偏置电流，还可以作放大电路的有源负载。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,一.镜像电流源,设T1、T2的参数完全相同，即：,电源VCC通过电阻R和T1产生一个基准电流IREF，则,工作原理分析,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,而,又,又,整理后，得,当满足条件2时，,有,一.镜像电流源,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,即,且通常有VCCVBE1,由推导可见，IREF由VCC和R决定，而IC2像IREF的镜像，与其本身一侧的电阻RC无关。所以，无论R
4、c的值如何， IC2的电流值将保持不变。,一.镜像电流源,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,镜像电流源的特点,优点：,结构简单；,适用于较大工作电流（mA级）的场合。,适用范围：,温度 T,IC2,IC1,IREF,VR(=IREFR),VB,IB,IC2,T则相反,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,缺点：,当直流电源VCC变化时，输出电流IC2几乎按同样的规律波动，因此不适用于直流源在大范围内变化的集成运放。,若输入级要求微安级的偏置电流，则所用电阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。,该电路限制2时才成立，若值很小时，IC2与IREF就存在一定的差别，不能达到很好的镜像。,电子技术
5、基础精品课程模拟电子技术基础,带缓冲级的镜像电流源,为了弥补缺点3，对原电路进行如下改进：,令接入电路中的T3与原电路中T1和T2参数完全一致。,【分析电路】,而,又,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,又,整理后，得：,非常小（A级），可忽略,带缓冲级的镜像电流源,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,若取10，则,而原电路若也取10,由于,带缓冲级的镜像电流源,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二.微电流源,为弥补缺点2，即减少IC2值至微安级，需改进原电路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,当基准电流IREF一定时，IC2可得：,式中(VBE1-VBE2)通常只有几十毫伏，甚至
6、更小，因此，只要用阻值不大的Re2（几千欧）即可获得微小的工作电流IC2（A级），称为微电流源。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,三.多路电流源,已知各BJT的参数、VBE数值相同，求各电流源IC1、 IC2及IC3与基准电流IREF的关系式。,由图可知：,当较大时，有：,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,由于各管的、VBE相同，则有, ,推广：,可见当IREF确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不同比例的输出电流。,三.多路电流源,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,四.电流源用作有源负载,下图为一个采用有源负载的单管共射放大电路。,T1:放大管,T2:有源负载,组成镜像电流源，
7、代替原来共射放大电路中的电阻RC。,电流源特点：直流电阻小，交流电阻大。在模拟集成电路中，广泛地把它作为负载使用，称为有源负载。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,设T2和T3管特性完全相同，有,基准电流,由基准电流就可以确定放大管的空载静态工作电流IC1Q：,四.电流源用作有源负载,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,在集成运放中常常用三极管代替负载电阻RC，组成有源负载，以获得较高的电压放大倍数。在共射电路中，可使每级的电压增益达103甚至更高。,三极管的集电极具有等效电阻rce比较大的特点,电流源亦常用作射极负载。,四.电流源用作有源负载,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,本节
8、小结,本节介绍了几类电流源电路： 镜像电流源、带缓冲级的镜像电流源、 微电流源、多路电流源。,关键是要掌握电流源电路的应用场合：,(1)最主要是用于集成运放的偏置电路中，为各级放大电路提供稳定的偏置电流（或静态电流）；,(2)代替大电阻作放大电路的有源负载。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,6.2 差分式放大电路,一.概述,就其功能来说，它是两个输入信号之差。,多用于集成运放的输入级。,如右图所示，在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为：,vo=AVD(vi1-vi2),AVD差分式放大电路的差模电压增益,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,关于“输入电压的两种形式”：,差模
9、输入电压vid【d：differential】,共模输入电压vic【c：common】,即：两个输入信号的电压大小相等，但极性相反。,即：两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同。,vid 也称为差模信号,vic 也称为共模信号,分别表示为,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,求总的输出电压：,式中,差模电压增益,共模电压增益,有时即使是两种情况下输入信号的差模信号相同，但其共模信号不一致，则输出电压也是不相同的。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,二.射极耦合差分式放大电路,电路构成特点,T1与T2的特性完全相同，电路结构对称。,电路参数也相同， 即：,电子技术基础精品课程模拟电子技术
10、基础,工作原理,VBE取0.7V,（1）静态分析,则：,又,而,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,Q点各参数已求得：,（1）静态分析,同时，,即输入信号为0时，输出信号也为0。,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,关于“零点漂移”,定义：,输入电压（vi）为零而输出电压（vo）不为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，简称零漂。,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,关于“零点漂移”,产生原因：,以目前的工艺水平，由温度变化所引起的半导体器件参数变化成为产生零漂现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。,差分放大电路对抑制零
11、点漂移具有很好的效果,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,a)考虑加入纯差模信号,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,a)考虑加入纯差模信号,注意,这里讨论的输入信号已不是纯正弦波，而是杂波信号，所以不再用向量形式的符号表示了。,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,a)考虑加入纯差模信号,求AVD：,当c1、c2间接入负载电阻RL时,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,a)考虑加入纯差模信号,求Ri：,求Ro：,电压增益与单管放大电路的完全相同，可见该电路是用成倍的元器件以换取抑制零
12、漂的能力。,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,b)考虑加入纯共模信号,两管的电流或是同时增加，或是同时减少,在双端输出时，其输出电压为：,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,b)考虑加入纯共模信号,求AVC：,可见对共模信号几乎没有任何放大。,AVC越小，说明放大电路的性能越好。,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态分析,c)共模抑制比KCMR,希望KCMR越大越好,定义：,有时也用分贝数表示：,工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,三.差分放大电路的其它接法,（一）双端输入、单端输出电路,以从vc1取输
13、出电压为例：,由于单端输出，使得输出回路不再对称，故会影响到静态工作点和动态参数。,当分别从T1或T2输出时，有,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,两个输入端有一个接地，输入信号加在另一端与地之间。,（二）单端输入、双端输出电路,分析后发现：AVD、Ri和Ro与双入双出时均相同。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（三）单端输入、单端输出电路,和前面几种接法的分析相同，不作具体分析。,但有一点提醒注意：,对于单端输出电路（无论是双入还是单入），选择从不同的三极管输出，会使输出电压与输入电压反相或同相。,比如：从vc1输出，有,从vc2输出，有,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,四.
14、差分放大电路动态参数计算总结,差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。,双端输出时：,单端输出时：,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。,双端输出时：,单端输出时：,差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,输出电阻,单端输出时：,双端输出时：,共模抑制比,双端输出时共模抑制比：,单端输出时共模抑制比：,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,五.FET差分式放大电路,图为带恒流源的JFET差分式放大电路。,T1和T2是差分对管
15、,恒流源电路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,本节小结,差分放大电路在电路中的作用、工作原理；,零漂（即温漂）的概念及产生原因；,主要讨论的问题有【即要会求各参数】： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻,差分放大电路共有四种输入输出方式:,双入双出、双入单出、单入双出、单入单出,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,要注意单端输出时的极性关系：,归纳出如下结论：,本节小结,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,6.3 集成电路运算放大器,一.简单的集成电路运算放大器,典型集成运放的方框图：,负 载,该方框图分成3个级，四个部分。,每一部分构成的电路，称为单元电路。
16、,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（1）输入级（又称前置级）,要求：Ri高，以便把外加信号尽可能多的吸入电路中去，同时要考虑干扰信号的滤除问题。,往往都是用双端输入的高性能差分放大电路。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）中间级,作用：在这一级把信号尽量放大，使集成运放具有较强的放大能力。,多采用共射（或共源）放大电路（它们的AV大）；,多采用复合结构（它们的AV大）；,如：复合管结构,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（3）输出级,要求：Ro小，带负载能力强；非线性失真小。,多采用互补对称输出电路，保证功率放大。,（4）偏置电路,用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点,采用电流源电路为各级提供合适的静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,集成运放的符号,同相输入端,反相输入端,这两个电压有时画有时不画，无所谓！,输入与输出的关系：,当vi从反相输入端输入时，vo与vi反相；,当vi从同相输入端输入时，vo与vi同相；,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,理想的集成运放具有如下特性：,以后使用如无特殊说明都认为是理想集成运放,二.通用型集成电路运算放大器,以通用的741型为例。【原理电路见下页】,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,本章小结,详 见 课 本,
