模擬第六章.ppt

1、,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 集成電路運算放大器,6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路 的影響,6.2 差分式放大電路,6.6 變跨導(dǎo)式模擬乘法器,6.7 放大器中的噪聲和干擾,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. 鏡像電流源,T1、T2的參數(shù)全同,即12，ICEO1

2、ICEO2,當(dāng)BJT的較大時，基極電流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符號,6.1.1 BJT電流源電路,1. 鏡像電流源,動態(tài)電阻,一般ro在幾百千歐以上,6.1.1 BJT電流源電路,2. 微電流源,所以IC2也很小。,rorce2（1 ）,（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻 ）,A1和A3分別是T1和T3的相對結(jié)面積,動態(tài)輸出電阻ro遠比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高,6.1.1 BJT電流源電路,3. 高輸出阻抗電流源,6.1.1 BJT電流源電路,4. 組合電流源,T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準電流IREF,T1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源,T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流

3、源,6.1.2 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,當(dāng)器件具有不同的寬長比時,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本鏡像電路流,6.1.2 FET電流源,1. MOSFET鏡像電流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)=0時，輸出電流為,常用的鏡像電流源,6.1.2 FET電流源,2. MOSFET多路電流源,6.1.2 FET電流源,3. JFET電流源,end,(a) 電路 (b) 輸出特性,6.2 差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),6.2.2 射極耦合差分式放大電路,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)

4、,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,共模信號,差模電壓增益,共模電壓增益,總輸出電壓,共模信號產(chǎn)生的輸出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標,6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu),2. 有關(guān)概念,根據(jù),有,共模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中相同的部分 差模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中不同的部分,兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,6.2.2 射極耦合差分式放大電路,1. 電路組成及工作原理,靜態(tài),動態(tài),僅輸入差模信號，,大小相等，相位相反

5、。,大小相等，,信號被放大。,相位相反。,1. 電路組成及工作原理,2. 抑制零點漂移原理,溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，,其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。,這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。,2. 抑制零點漂移原理,差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用,3. 主要指標計算,（1）差模情況,接入負載時, 雙入、雙出,3. 主要指標計算,（1）差模情況, 雙入、單出,接入負載時,3. 主要指標計算,（1）差模情況, 單端輸入,等效于雙端輸入,指標計算與雙端輸入相同。,3. 主

6、要指標計算,（2）共模情況, 雙端輸出,共模信號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,3. 主要指標計算,（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,單端輸出時的總輸出電壓,（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。,例,(4)當(dāng)輸出接一個12k負載時的差模電壓增益。,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,不計共模輸出電壓時,(4),4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,靜態(tài),IE6 IREF,IO IE5,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大

7、電路,差模電壓增益 （負載開路）,則,單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,差模輸入電阻 Rid2rbe,輸出電阻,4. 帶有源負載的射極耦合差分式放大電路,共模輸入電阻 Ric1/2(rbe2(1)ro5),6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,雙端輸出差模電壓增益,而:,所以：,6.2.3 源極耦合差分式放大電路,1. CMOS差分式放大電路,單端輸出差模電壓增益,vo2(id4-id2)(ro2| ro4),gm vid（ro2 | ro4）,(r

8、o2| ro4), gm(ro2 | ro4 ),與雙端輸出相同,end, gm(rds2 | rds4 ),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,end,6.4 集成電路運算放大器,6.4.1 CMOS MC14573集成電路運算放大器,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,6.4.1 CMOS MC14573 集成電路運算放大器,1.

9、 電路結(jié)構(gòu)和工作原理,2. 電路技術(shù)指標的分析計算,(1)直流分析,已知VT 和KP5 ，可求出IREF,根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其他支路電流。,(2)小信號分析,設(shè) gm1 = gm2 = gm,則,2. 電路技術(shù)指標的分析計算,輸入級電壓增益,(2)小信號分析,2. 電路技術(shù)指標的分析計算,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,原理電路,簡化電路,end,6.4.2 BJTLM741集成運算放大器,6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),輸入直流誤差特性（

10、輸入失調(diào)特性）,1. 輸入失調(diào)電壓VIO,在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運放為（120）V。高精度運放OP-117 VIO=4V。MOSFET達20 mV。,2. 輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值,IIB（IBNIBP）/2,BJT為10 nA1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）,3. 輸入失調(diào)電流IIO,輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的

11、靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 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,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),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型運放AvO的頻率響應(yīng),6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),差模特性,2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro,BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐 MOSFET為輸入級的運放rid1012 超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA 一般

12、運放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模輸入電壓Vidmax,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),共模特性,1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric,一般通用型運放KCMR為（80120）dB，高精度運放可達140dB，ric100M。,2. 最大共模輸入電壓Vicmax,一般指運放在作電壓跟隨器時，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)量的運放可達 13V。,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),大信號動態(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（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即,若信號為viVimsin2ft

13、 ，則運放的SR必須滿足SR2fmaxVom,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),大信號動態(tài)特性,2. 全功率帶寬BWP,指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即,SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/s。,電源特性,1. 電源電壓抑制比KSVR,衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響,2. 靜態(tài)功耗PV,6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù),1. 集成運放的選用,根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運放，當(dāng)通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為

14、通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設(shè)計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,2. 失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,輸入為零時的等效電路,解得誤差電壓,當(dāng) 時，可以 消除偏置電流 引起的 誤差，此時,當(dāng)電路為積分運算時，,即 換成電容C，則,時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態(tài)。,引起的誤差仍存在,end,3. 調(diào)零補償,6.5.2 集成運放應(yīng)用中的實際問題,（a）調(diào)零電路

15、 （b）反相端加入補償電路,6.6 變跨導(dǎo)式模擬乘法器,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器,與差分式放大電路的差別：,（a）原理電路 （b）同相（或反相）乘法器代表符號,電流源iEE受輸入電壓vY的控制,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器,單入雙出方式,即,又,所以,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器,對于T3、T4構(gòu)成的鏡像電流源，當(dāng)vY VBE時,所以,其中,（乘法運算）,而,由vY 控制跨導(dǎo)gm變化，所以稱為變跨導(dǎo)乘法器

16、,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1. 變跨導(dǎo)二象限乘法器,電路的最后輸,缺點：,精度差,vY必須大于0V，只能實現(xiàn)兩個象限的乘法運算,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,T1、T2和T3、T4為兩個并聯(lián)的差分式電路， T5、T6為壓控電流源電路。,由于,所以,而 iC1iC2iC5 ，iC4iC3iC6,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,同理,又 i1,3iC1iC3，i2,4iC2iC4,6.6.1 變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,最后可得,當(dāng)vX 2VT、vY 2VT時,其中,（乘法運算）,信號

17、大時增加非線性補償電路,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用,乘方,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用,除法,只有當(dāng)vX2為正極性時，才能保證運算放大器是處于負反饋工作狀態(tài)，而vX1則可正可負，故屬二象限除法器。,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,1. 運算電路,6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用,開平方,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,vi必須為負值時，電路才能正常工作。,2. 壓控放大器,6.6.2 放模擬乘法器的應(yīng)用,乘法器的一個輸入端加一直流控制電壓VC，另一輸入端加一信號電壓vs時，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當(dāng)Vc為可調(diào)電壓時，就得到可

18、控增益放大器。,調(diào)制和解調(diào)在通信、廣播、電視和遙控等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用模擬乘法器的功能很容易實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的功能。,3. 調(diào)制解調(diào),end,6.7 放大電路中的噪聲與干擾,6.7.1 放大電路中的噪聲,6.7.2 放大電路中的干擾,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質(zhì),（1）電阻的熱噪聲,由電子無規(guī)則熱運動而產(chǎn)生隨時間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。,一個阻值為R（）的電阻未接入電路時，在頻帶寬度B內(nèi)所產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值為,K 玻耳茲曼常數(shù)，T 熱力學(xué)溫度（K），B 頻帶寬度（Hz）。,功率和電壓的形式分別為,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質(zhì),具有均

19、勻的功率頻譜的噪聲稱為白噪聲,熱噪聲電壓密度,熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數(shù)，它的頻率范圍是很寬廣的。因而噪聲電壓Vn將隨放大電路帶寬的增加而增加。所以在設(shè)計放大電路時要綜合考慮增益、帶寬等諸多因素。,熱噪聲的功率頻譜密度,（1）電阻的熱噪聲,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質(zhì), 熱噪聲 由于載流子不規(guī)則的熱運動通過BJT內(nèi)三個區(qū)的體電阻及相應(yīng)的引線電阻時而產(chǎn)生。其中rbb所產(chǎn)生的噪聲是主要的。FET主要是溝道電阻的熱噪聲。,（2）三極管的噪聲,6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質(zhì),（2）三極管的噪聲, 散粒噪聲 由于通過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)的載流子數(shù)目

20、，在各個瞬時都不相同，因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個無規(guī)則的波動，產(chǎn)生散粒噪聲。散粒噪聲電流為,q 每個載流子所帶電荷量的絕對值，I 通過PN結(jié)電流的平均值，B 頻帶寬度。,散粒噪聲具有白噪聲的性質(zhì),6.7.1 放大電路中的噪聲,1. 噪聲的種類及性質(zhì),（2）三極管的噪聲, 閃礫噪聲 這種噪聲與頻率成反比，故又稱為1/f 噪聲或低頻噪聲。 JFET的噪聲主要來源于溝道電阻熱噪聲，MOSFET的1/f 噪聲較嚴重，因而低頻時MOSFET比JFET的噪聲大。一般而言，F(xiàn)ET的噪聲比BJT小。此外。電阻元件中碳膜電阻的1/f 噪聲最大，繞線電阻的1/f 噪聲最小。 集成運放的噪聲，是由組成運放內(nèi)部電路的元器件產(chǎn)生的噪聲源以及內(nèi)部電路連接的噪聲源累計的結(jié)果。一般是通過實驗方法進行測量。,6.7.1 放大電路中的噪聲,2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數(shù),定義,其中 AP 為功率增益,放大電路不僅把輸入端的噪聲進行放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸