模擬電子技術(shù)第6章.ppt

6 模擬集成電路,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.3 差分式放大電路的傳輸特性,6.4 集成電路運(yùn)算放大器,6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng) 用電路的影響,6.2 差分式放大電路,1、鏡像電流源工作原理,2、差分放大電路連接方式（工作組態(tài)）,3、差模、共模信號(hào)的計(jì)算,重點(diǎn)：,4、射極耦合差分放大電路的分析計(jì)算,第六章 模擬集成電路,5、MC14573和LM741集成運(yùn)放的應(yīng)用,6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.1.1 BJT電流源電路,6.1.2 FET電流源,1. 鏡像電流源,2. 微電流源,3. 高輸出阻抗電流源,4. 組合電流源,1. MOSFET鏡像電流源,2. MOSFET多路電流源,3. JFET電流源,6.1.1 BJT電流源電路,1、電流源,2、鏡像電流源,當(dāng)遠(yuǎn)大于1時(shí)， IC2IREF=(VCC-VBE)/RVCC/R,A、當(dāng)R不變時(shí)，IC2 幾乎不變化，所以 交流輸出電阻很大 B、作為放大電路 的有源負(fù)載 C、T1對(duì)T2管有溫 度補(bǔ)償作用 D、當(dāng)T1、T2 的不 大時(shí)，IC2與IREF存 在一定的誤差 E、適用于IC2較大,T1、T2的參數(shù)全同,即12，ICEO1ICEO2,當(dāng)BJT的較大時(shí)，基極電流IB可以忽略,IoIC2IREF,3、微電流源,IC2=(VBE1-VBE2)/Re2 =Ie2Re2 VBE/Re2,A、IC2為數(shù)值較小的 電流 B、IREFVCC/R隨VCC變化,如果R很大， 則IC2的變化很小，受電源影響很小 C、T1對(duì)T2管有溫度 補(bǔ)償作用，所以 IC2受溫度影響小,5、應(yīng)用實(shí)例,A、T2和T3組成的鏡 像電流源作為T1 管的有源負(fù)載 B、由于鏡像電流源 的交流電阻很大， 所以可大大提高 T1的電壓增益。,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),1. 用三端器件組成的差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),2. 有關(guān)概念,差模信號(hào),共模信號(hào),差模電壓增益,共模電壓增益,總輸出電壓,共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標(biāo),6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,1. 電路組成及工作原理,靜態(tài),動(dòng)態(tài),僅輸入差模信號(hào)，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信號(hào)被放大。,相位相反。,2. 抑制零點(diǎn)漂移原理,溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢(shì)是相同的，,其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。,這一過(guò)程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過(guò)程。所以，即使電路處于單端輸出方式時(shí)，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。,差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,（1）差模情況,接入負(fù)載時(shí), 雙入、雙出,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,（1）差模情況, 雙入、單出,接入負(fù)載時(shí),（1）差模情況, 單端輸入,等效于雙端輸入,指標(biāo)計(jì)算與雙端輸入相同。,（2）共模情況, 雙端輸出,共模信號(hào)的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。,所以,共模增益, 單端輸出,抑制零漂能力增強(qiáng),（2）共模情況,（3）共模抑制比,雙端輸出，理想情況,單端輸出,抑制零漂能力,越強(qiáng),單端輸出時(shí)的總輸出電壓,（4）頻率響應(yīng),高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號(hào)。,例,(4)當(dāng)輸出接一個(gè)12k負(fù)載時(shí)的差模電壓增益.,解：,求:,(1)靜態(tài),(2)電壓增益,(3),差分電路的共模增益,共模輸入電壓,不計(jì)共模輸出電壓時(shí),(4),4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,共模輸入電阻 Ricrbe2(1)ro5,4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,差模電壓增益 （負(fù)載開路）,則,單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益,6.3 差分式放大電路的傳輸特性,根據(jù),iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線,P316題6.2.2,思考題,6.4 集成電路運(yùn)算放大器,6.4.1 集成電路運(yùn)算放大器CMOS MC14573,6.4.2 集成運(yùn)算放大器741,6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運(yùn)算放大器,1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算,(1)直流分析,已知VT 和KP5 ，可求出IREF,根據(jù)各管子的寬長(zhǎng)比 ，可求出其它支路電流。,(2)小信號(hào)分析,設(shè) gm1 = gm2 = gm,則,輸入級(jí)電壓增益,(2)小信號(hào)分析,6.4.2 集成運(yùn)算放大器741,6.4.2 集成運(yùn)算放大器741,簡(jiǎn)化電路,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相 輸入端,同相 輸入端,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),與uo反相,與uo同相,6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響,6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題,6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）,1. 輸入失調(diào)電壓VIO,在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（120）V。高精度運(yùn)放OP-117 VIO=4V。MOSFET達(dá)20 mV。,2. 輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值,IIB（IBNIBP）/2,BJT為10 nA1A；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級(jí)。,3. 輸入失調(diào)電流IIO,輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為1 nA0.1A。,4. 溫度漂移,（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO / T,（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO / T,差模特性,1. 開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW,開環(huán)差模電壓增益AvO,開環(huán)帶寬BW (fH),單位增益帶寬 BWG (fT),741型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng),2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro,BJT輸入級(jí)的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐 MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放rid1012 超高輸入電阻運(yùn)放rid1013、IIB0.040pA 一般運(yùn)放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模輸入電壓Vidmax,共模特性,1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric,一般通用型運(yùn)放KCMR為（80120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric100M。,2. 最大共模輸入電壓Vicmax,一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá) 13V。,大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性,1. 轉(zhuǎn)換速率SR,放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，即,若信號(hào)為viVimsin2ft ，則運(yùn)放的SR必須滿足SR2fmaxVom,大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性,2. 全功率帶寬BWP,指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時(shí)允許的最高頻率，即,SR和BWP是大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的重要指標(biāo)。一般通用型運(yùn)放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速運(yùn)放要求SR30V/s以上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的SR3500V/s。,電源特性,1. 電源電壓抑制比KSVR,衡量電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響,2. 靜態(tài)功耗PV,1. 集成運(yùn)放的選用,根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時(shí)，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題,2. 失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來(lái)的誤差,輸入為零時(shí)的等效電路,解得誤差電壓,當(dāng) 時(shí)，可以 消除偏置電流 引起的 誤差，此時(shí),當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，,即 換成電容C，則,時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。,引起的誤差仍存在,3. 調(diào)零補(bǔ)償,（a）調(diào)零電路 （b）反相端加入補(bǔ)償電路,電子電路設(shè)計(jì)軟件有很多，它們各有特色。如PSPICE 、 EWB、 Multisim 、 ProtelSE和Tango， ProtelSE和Tango對(duì)單層/雙層電路板的原理圖及PCB圖的開發(fā)設(shè)計(jì)很適合，而對(duì)于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來(lái)說(shuō)ORCAD更有優(yōu)勢(shì)。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說(shuō)獨(dú)具特色，是其他軟件無(wú)法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)， Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣技術(shù)人員無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析電子電路的設(shè)計(jì),EWB是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，被稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，英文全稱為Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies（簡(jiǎn)稱IIT）公司于1988年開發(fā)的，EWB以SPICE3F5為軟件核心，增強(qiáng)了其在數(shù)字及模擬混合信號(hào)方面的仿真功能。在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，未接觸過(guò)它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地使用該軟件,Multisim也是IIT公司的產(chǎn)品，推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。,Multisim發(fā)展簡(jiǎn)介 加拿大EWB （Electrical Workbench） EWB4.0 EWB5.0 EWB6.0 Multisim2001 Multisim 7 Multisim 8 Multisim 9 Multisim 10 目前在各高校教學(xué)中普遍使Multisim2001， 網(wǎng)上最為普遍的是Multisim 9,Multisim 9特點(diǎn)： （1）可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器； （2）所有的虛擬信號(hào)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)際的硬件電路上; (3)所有硬