第5章 模拟集成电路基础PPT讲稿.ppt

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1、第5章 模拟集成电路基础第1页，共71页，编辑于2022年，星期二5.1概述概述 集成电路是一种将集成电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合的器件，紧密结合的器件，它以半导体单晶它以半导体单晶硅为芯片，硅为芯片，采用专门的制造工艺，采用专门的制造工艺，把晶体管、把晶体管、场效应管、场效应管、二极管、二极管、电电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使使之具有特定的功能。之具有特定的功能。集成电路体积小、集成电路体积小、重量轻、重量轻、耗电少、耗电少、可靠性高，可靠性高，已成为现代电已成为现代电子器件的主体。子器

2、件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。集成电路分数字与模拟两大类。模拟集成电路的种类很多，模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器有集成运算放大器(简称集成运放简称集成运放)，集成功集成功率放大器，率放大器，集成模拟乘法器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成锁相环，集成稳压器等。集成稳压器等。在模拟集成电路中，在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、集成运算放大器是最为重要、用途最广的一种，用途最广的一种，这里主要介绍集成运放的内这里主要介绍集成运放的内部电路、部电路、工作原理、工作原理、性能指标及常用等效模型。性能指标及常用等效模型。第2页，共71页，编辑于2022年，星期二（1）集成电路

3、中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，）集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有邻近的器件具有良好的对称性，良好的对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别因而特别有利于实现需要对称结构的电路。有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成工艺制造的电阻、）集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。集成电路中的电容数值范围有一定的限制。集成电路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，因而很难制造大的电阻，因而很难制造大的电阻，其阻其阻值一般在几十欧姆到几十千欧姆之间值一般在几十欧姆到

4、几十千欧姆之间;集成电路中的电容是用集成电路中的电容是用PN结的结电容结的结电容作的。作的。（3）集成工艺制造晶体管、）集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。艺完成。集成晶体管有纵向集成晶体管有纵向NPN型管型管(值高、性能好值高、性能好)、横向横向PNP 型管型管(值低、值低、但反向耐压高）和场效应管，但反向耐压高）和场效应管，另外，另外，集成工艺比较容易制造多极晶体管，集成工艺比较容易制造多极晶体管，如多发如多发射极管、射极管、多集电极管等。多集电极管等。集成二极管、集成二极管、稳压管等一般用稳压管等一般用N

5、PN管的发射结代替。管的发射结代替。5.1.1 集成电路中的元器件特点集成电路中的元器件特点第3页，共71页，编辑于2022年，星期二（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。（2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。（3）因为制作

6、不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增）因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。路形式，以达到提高各方面性能的目的。5.1.2 集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点（4）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。常用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。（5）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，

7、性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。性能俱佳的效果。第4页，共71页，编辑于2022年，星期二 集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以及有源负载的应用。及有源负载的应用

8、。5.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路第5页，共71页，编辑于2022年，星期二 电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第电流源电路是指能够输出恒定电流的电路。由第1章晶体管（场章晶体管（场效应管）的特性已知，效应管）的特性已知，晶体管（场效应管）本身便具有近似恒流的晶体管（场效应管）本身便具有近似恒流的特性。特性。在集成电路中，在集成电路中，常用的电流源电路有：常用的电流源电路有：镜像电流源镜像电流源、精密电流源精密电流源、微电流源微电流源、比例电流源比例电流源和和多路电流源多路电流源等。等。它主它主要提供集成运放中各级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻要提供集成运放中各

9、级合适的静态电流或作为有源负载代替高阻值电阻，值电阻，以提高放大电路的放大倍数。以提高放大电路的放大倍数。5.2.1 电流源电路电流源电路第6页，共71页，编辑于2022年，星期二镜像电流源镜像电流源分析分析条件：两管参数对称条件：两管参数对称第7页，共71页，编辑于2022年，星期二镜像电流源分析镜像电流源分析由两只特性完全相同的管由两只特性完全相同的管子子T T0 0和和T T1 1构成，构成，U UCE0CE0=U=UBE0BE0，从而保证从而保证T T0 0工作在放大状工作在放大状态。态。集成运放中纵向晶体管的集成运放中纵向晶体管的均在百倍以上。若基本电流源中采均在百倍以上。若基本电流

10、源中采用横向用横向PNPPNP管，则管，则只有几倍。只有几倍。第8页，共71页，编辑于2022年，星期二在镜像电流源在镜像电流源T T0 0管的集电极与基极之间加一个射管的集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管极输出的晶体管T T2 2。利用。利用T T2 2管的电流放大作用，管的电流放大作用，减小了基极电流减小了基极电流I IB0B0和和I IB1B1对基准电流对基准电流I IR R的分流。在实的分流。在实际电路中，有时在际电路中，有时在T T0 0管和管和T T1 1管的基极与地之间加电阻管的基极与地之间加电阻R Re2e2，用来增大用来增大T T2 2管的工作电流，从而提高管的工作电流，

11、从而提高T T2 2的的。改进型镜像电流源改进型镜像电流源加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源第9页，共71页，编辑于2022年，星期二比例电流源比例电流源分析分析第10页，共71页，编辑于2022年，星期二比例电流源分析比例电流源分析微电流微电流输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。输出电流可以大于或小于基准电流，与基准电流成比例关系。第11页，共71页，编辑于2022年，星期二微电流源微电流源分析分析第12页，共71页，编辑于2022年，星期二微电流源分析微电流源分析集成运放输入级放大管的集电极（发射极）静集成运放输入级放大管的集电极（发射极）静态电流很小，往往只有几十

12、微安，甚至更小。态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流，可以将比例电流源中输出电流，可以将比例电流源中R Re0e0的阻值减小的阻值减小到零。到零。在已知在已知R Re e的情况下，上式对输出电的情况下，上式对输出电流流I IC1C1而言是超越方程，可以通过而言是超越方程，可以通过图图解法或累试法解出解法或累试法解出I IC1C1。第13页，共71页，编辑于2022年，星期二基于比例电流源的多路电流源基于比例电流源的多路电流源集成运放是一个多级放集成运放是一个多级放大电路，因而需要多路大电路，因而需要多路

13、电流源分别给各级提供电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。以适应各级的需要。第14页，共71页，编辑于2022年，星期二多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源T T多为横向多为横向PNPPNP型管，型管，当基极电流一定时，集电极电当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区面设各集电区面积分别为积分别为S S0 0、S S1 1、S S2 2。第15页，共71页，编辑于2022年，星期二MOSMOS管多

14、路电流源管多路电流源由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。由场效应管同样可以组成镜像电流源、比例电流源等。T T0 0T T3 3均为均为N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管，它们管，它们的开启电压的开启电压U UGS(th)GS(th)等参数相等。等参数相等。在栅在栅-源电压相等时，源电压相等时，MOSMOS管的漏极电流正比于沟道的宽管的漏极电流正比于沟道的宽长比。长比。设宽长比设宽长比W/L=SW/L=S，且，且T T0 0T T3 3的宽长比分别为的宽长比分别为S S0 0、S S1 1、S S2 2、S S3 3。这样就可以通过改变场效这样就可以通过改变场效应管的几何尺寸

15、来获得各种数值的电流。应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。第16页，共71页，编辑于2022年，星期二例一：例一：图示电路是型号为图示电路是型号为F007F007的通用型集成运放的电流源部分。的通用型集成运放的电流源部分。其中其中T T1010与与T T1111为纵向为纵向NPNNPN管；管；T T1212与与T T1313是横向是横向PNPPNP型管，其型管，其均为均为5 5。各管的各管的b-eb-e间电压值均约为间电压值均约为0.7V0.7V。试求出各管的集电极电流。试求出各管的集电极电流。解：解：图中图中R5上的电流是基准电流，根据上的电流是基准电流，根据R5所所在回路可以求出在回路可以

16、求出T10与与T11构成微电流源构成微电流源利用累试法或图解法求出利用累试法或图解法求出T12与与T13构成镜像电流源构成镜像电流源在电流源电路的分析中，首先应求出基准电流在电流源电路的分析中，首先应求出基准电流IR，IR常常是集成运放电路中唯一能够通过列回路方程常常是集成运放电路中唯一能够通过列回路方程直接求出的电流；然后利用与直接求出的电流；然后利用与IR的关系，分别求出各路输出电流。的关系，分别求出各路输出电流。第17页，共71页，编辑于2022年，星期二例二：例二：多路电流源电路如图所示，已知所有晶体管的特性均相同，多路电流源电路如图所示，已知所有晶体管的特性均相同，U UBEBE均为

17、均为0.7V0.7V，R=136kR=136k。试求。试求I IC1C1、I IC2C2各为多少。各为多少。解：解：当当(1+)3时时第18页，共71页，编辑于2022年，星期二思考思考:在下图电路中，在下图电路中，T1、T2管的特性相同，管的特性相同，已知已知V VCC=15V=15V，1=1=2=2=，UBE1=UBE2=0.6V=0.6V。（1 1）试证明当）试证明当 2 2时，时，IC2IR；（2 2）若要求）若要求IC2=28A，电阻，电阻R R1应取多大？应取多大？第19页，共71页，编辑于2022年，星期二思考思考:在下图电路中在下图电路中（1）指出电路为何种电流源电路；）指出电

18、路为何种电流源电路；（2）根据二极管电流方程，）根据二极管电流方程，导出导出T1、T2管的工作电流管的工作电流IC1、IC2的关系式；的关系式；（3）若测得）若测得IC228A，IC10.73mA，估算电阻，估算电阻Re和和R1的阻值；的阻值；（4）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。）说明微电流源和上题所示镜象电流源的异同。第20页，共71页，编辑于2022年，星期二 在共射放大电路中，为了提高在共射放大电路中，为了提高Au，行之有效的方法是增大集，行之有效的方法是增大集电极电阻电极电阻Rc。然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大Rc时必须提

19、高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，设计就变得不合理了。另外在集成电路中，不能使用过大的电阻，而且而且Rc增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，增大，直流功耗也增大，对电源电压的要求也会提高，因此因此Au的增加受到的增加受到Rc取值的限制。取值的限制。如果用恒流源来代替如果用恒流源来代替Rc，则由于恒流源的直流电阻不大，故，则由于恒流源的直流电阻不大，故恒流源两端的直流电压并不大，但恒流源的动态交流电阻很大，该恒流源两端的直流电压并不大，但恒流源的动态交流电阻很大

20、，该交流电阻与交流通道中的交流电阻与交流通道中的Rc等效，等效，Au可以大大提高。由于晶体可以大大提高。由于晶体管和场效应管是有源器件，管和场效应管是有源器件，而上述电路又以它们为负载，而上述电路又以它们为负载，故称为有源负载。故称为有源负载。5.2.2 有源共射放大电路有源共射放大电路第21页，共71页，编辑于2022年，星期二有源共射放大电路有源共射放大电路第22页，共71页，编辑于2022年，星期二5.3 差动放大电路差动放大电路零点漂移的严重性零点漂移的严重性根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的级间耦合方式根据集成电路结构形式上的特点，集成电路的级间耦合方式一般采用直接耦合。直接耦

21、合存在一般采用直接耦合。直接耦合存在温度漂移温度漂移问题。为了抑制问题。为了抑制温度漂移温度漂移，一种比较有效的电路就是，一种比较有效的电路就是差动放大电路。差动放大电路。差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。须有效地抑制零点漂移。第23页，共71页，编辑于2022年，星期二5.3.1 差动

22、放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)1.电路组成电路组成 特点：特点：a.两只完全相同的管子；两只完全相同的管子；b.元件参数对称；元件参数对称；差动放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。差动放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的。所谓所谓“差动差动”，是指只有当两个输入端，是指只有当两个输入端uI1与与uI2之间有差别（即变化量）时，输之间有差别（即变化量）时，输出电压才有变动（即变化量）的意思。出电压才有变动（即变化量）的意思。对对于于差差动动放放大大电电路路的的分分析析，多多是是在在理理想想情情况况下下，即即电电路路参参数数理理想想对对称称情情况

23、况下下进进行行的的。所所谓谓电电路路参参数数理理想想对对称称，是是指指在在对对称称位位置置的的电电阻阻值值绝绝对对相相等等，两两只只晶晶体体管管在在任任何何温温度度下下输输入入特特性性曲曲线线与与输输出出特特性性曲曲线线都都完完全全重重合合。应应当当指指出出，由由于于电电阻阻的的阻阻值值误误差差各各不不相相同同，特特别别是是晶晶体体管管特特性性的的分分散散性性，实实际际的的电电路路参参数数不不可可能能理理想想对对称称。第24页，共71页，编辑于2022年，星期二2.输入输出方式输入输出方式输入端：输入端：同相输入端、反相输入端同相输入端、反相输入端输入方式：输入方式：双端输入：双端输入：若信号

24、同时加到同相输入端和反相输入端。若信号同时加到同相输入端和反相输入端。单端输入：单端输入：若信号仅从一个输入端加入，若信号仅从一个输入端加入，另一个输入端接地。另一个输入端接地。输出方式：输出方式：双端输出：双端输出：若从若从C1和和C2两端输出。两端输出。单端输出：单端输出：仅从集电极仅从集电极C1或或C2对地输出称为单端输出。对地输出称为单端输出。输出端：输出端：一个是一个是T1的集电极的集电极C1，另一个是另一个是T2的集电极的集电极C2差动电路的工作模式：差动电路的工作模式：(1)双端输入、双端输入、双端输出（双入双端输出（双入双出）双出）(2)双端输入、双端输入、单端输出（双入单端输

25、出（双入单出）单出）(3)单端输入、单端输入、双端输出（单入双端输出（单入双出）双出）(4)单端输入、单端输入、单端输出（单入单端输出（单入单出）单出）第25页，共71页，编辑于2022年，星期二3.差模信号与共模信号差模信号与共模信号差模输入信号：差模输入信号：差模信号是两个输入端信号之差差模信号是两个输入端信号之差差模信号：差模信号：指在两个输入端加上大小相等，指在两个输入端加上大小相等，极性相反的信号极性相反的信号共模信号：共模信号：指在两个输入端加上大小相等，指在两个输入端加上大小相等，极性相同的信号极性相同的信号共模输入信号：共模输入信号：共模信号是两个输入端信号的平均值共模信号是两

26、个输入端信号的平均值即：即：第26页，共71页，编辑于2022年，星期二4.抑制零漂的工作原理抑制零漂的工作原理 原理：原理：静态时，输入信号为零，即将输入端静态时，输入信号为零，即将输入端和和短接。由于两短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流电极电流ICQ1和和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使始终相等，从而使UO=UCQ1-UCQ2=0，因此消，因此消除了零点漂移。除了零点漂移。具体实践：具体实践：在实践中

27、，两个特性相同的管子采用在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对差分对管管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。保证阻值对称性精度满足要求。结论：结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。完全消除，只能被抑制到很小。第27页，共71页，编辑于2022年，星期二长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 电路参数理想对称，电路参数理想对称，R

28、 Rb1b1=R=Rb2b2=R=Rb b，R Rc1c1=R=Rc2c2=R=Rc c；T T1 1管与管与T T2 2管的特性相同，管的特性相同，1 1=2 2=，r rbe1be1=r=rbe2be2=r=rbebe；R Re e为公共的发射极电阻。为公共的发射极电阻。静态分析静态分析共模信号共模信号作用作用差模信号差模信号作用作用电压传输特性电压传输特性第28页，共71页，编辑于2022年，星期二一、静态分析一、静态分析当输入信号当输入信号u uI1I1=u=uI2I2=0=0时，作静态分析：时，作静态分析：在通常情况下，在通常情况下，R Rb b阻值很小阻值很小（很多情况下（很多情况

29、下R Rb b为信号源内为信号源内阻），而且阻），而且I IBQBQ也很小，所以也很小，所以R Rb b上的电压可忽略不计。上的电压可忽略不计。第29页，共71页，编辑于2022年，星期二二、对共模信号的抑制作用二、对共模信号的抑制作用共模放大倍数共模放大倍数 由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成故可以将温度漂移等效成共模信号共模信号，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用用。电路参数的对称性起了相互补偿的电路参数的对称性起了相互补偿的作用，抑制了温度漂

30、移。作用，抑制了温度漂移。当电路输当电路输入共模信号时，基极电流和集入共模信号时，基极电流和集电极电流的变化量相等，因此，电极电流的变化量相等，因此，集电极电位的变化也相等，从集电极电位的变化也相等，从而使得输出电压而使得输出电压u uO O=0=0。另外，。另外，还还利用了射极电阻利用了射极电阻R Re e对共模信号的负对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极电极电流的变化，从而抑制集电极电位的变化。位的变化。第30页，共71页，编辑于2022年，星期二三、差模信号的放大作用三、差模信号的放大作用 由于E点电位在差模信号作用下不变

31、，相当于接“地”；又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变，也相当于接“地”，因而负载RL被分成相等的两部分，分别接在T1管和T2管的c-e之间。第31页，共71页，编辑于2022年，星期二差模信号作用下的动态分析差模信号作用下的动态分析 共模抑制比是考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的一个参数，其值愈大，共模抑制比是考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的一个参数，其值愈大，说明电路性能愈好。说明电路性能愈好。虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单管共射放大电路。因而差分放大电虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放

32、大能力只相当于单管共射放大电路。因而差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。差模放大倍数差模放大倍数共模抑制比共模抑制比第32页，共71页，编辑于2022年，星期二四、电压传输特性四、电压传输特性放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即u uO O=f(u=f(uI I)。从曲线可知，只有在中间一段差模输入与输出才是线性关系，斜率就是差模电压放从曲线可知，只有在中间一段差模输入与输出才是线性关系，斜率就是差模电压放大倍数。大倍数。当输

33、入电压幅值过大时，输出电压就会产生失真，若再加大输入电压，则输出电压将趋于不当输入电压幅值过大时，输出电压就会产生失真，若再加大输入电压，则输出电压将趋于不变，其数值取决于电源电压变，其数值取决于电源电压V VCCCC。若改变若改变u uIdId的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。第33页，共71页，编辑于2022年，星期二差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输出（双入双出）双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）双端输入、单端输出（双入单

34、出）3.单端输入、双端输出（单入双出）单端输入、双端输出（单入双出）4.单端输入、单端输出（单入单出）单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压放大倍数差模电压放大倍数 共模电压放大倍数共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻 共模抑制比共模抑制比第34页，共71页，编辑于2022年，星期二接法一：接法一：双端输入双端输入-双端输出差分放大电路双端输出差分放大电路动态参数动态参数QQ点点第35页，共71页，编辑于2022年，星期二接法二：接法二：双端输入双端输入-单端输出差分放大电路单端输出差分放大电路静态分析静态分析差模信号差模信号作用作用

35、共模信号共模信号作用作用第36页，共71页，编辑于2022年，星期二(1)(1)静态分析静态分析直流通路第37页，共71页，编辑于2022年，星期二(2)(2)对差模信号的放大作用对差模信号的放大作用差模信号作用下的等效电路差模信号作用下的等效电路第38页，共71页，编辑于2022年，星期二(3)对共模信号的抑制作用对共模信号的抑制作用将射极电阻将射极电阻R Re e进行等效变换进行等效变换共模信号作用下的等效电路共模信号作用下的等效电路 可以看出，可以看出，R Re e愈大，愈大，A Ac c的值愈小，的值愈小，K KCMRCMR愈大，电路的性能也就愈好。因愈大，电路的性能也就愈好。因此，增

36、大此，增大R Re e是改善共模抑制比的基本措施。是改善共模抑制比的基本措施。第39页，共71页，编辑于2022年，星期二接法三：接法三：单端输入单端输入-双端输出差分放大电路双端输出差分放大电路输入差模信号的等效变换输入差模信号的等效变换 若电路参数理想对称，则共模放大倍数为零，共模抑制比为无穷大。若电路参数理想对称，则共模放大倍数为零，共模抑制比为无穷大。其其Q Q点以及动态参数的分析与双端输入点以及动态参数的分析与双端输入-双端输出电路完全相同。双端输出电路完全相同。单端输入电路与双端输入电路的区别在于：单端输入电路与双端输入电路的区别在于：在差模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。在差

37、模信号输入的同时，伴随着共模信号输入。因此，在共模放大倍数因此，在共模放大倍数A Ac c不为零时，输出端不仅有差模信号作用而得到的差模输出电不为零时，输出端不仅有差模信号作用而得到的差模输出电压，而且还有共模信号作用而得到的共模输出电压，即输出电压：压，而且还有共模信号作用而得到的共模输出电压，即输出电压：第40页，共71页，编辑于2022年，星期二接法四：接法四：单端输入单端输入-单端输出差分放大电路单端输出差分放大电路 四种接法的动态参数特点归纳如下：四种接法的动态参数特点归纳如下：输入电阻输入电阻R Ri i均为均为2(R2(Rb b+r+rbebe)。A Ad d、A Ac c、R

38、Ro o与输出方式有关。双端输出与单端输出不同。与输出方式有关。双端输出与单端输出不同。单端输入时，若输入信号为单端输入时，若输入信号为u uI I，其差模输入电压，其差模输入电压u uIdId=u=uI I，其共模输入电压，其共模输入电压u uIcIc=+u=+uI I/2/2。是输出电压表达式。是输出电压表达式。第41页，共71页，编辑于2022年，星期二具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路 当当T T3 3管输出特性为理想特性时，即当管输出特性为理想特性时，即当T T3 3在放大区的输出特性曲线是横轴的平行线在放大区的输出特性曲线是横轴的平行线时，时，恒流源的内阻为无穷大，即

39、相当于恒流源的内阻为无穷大，即相当于T T1 1管和管和T T2 2管的发射极接了一个阻值为无穷大的管的发射极接了一个阻值为无穷大的电阻，对共模信号的负反馈作用无穷大，因此使电路的电阻，对共模信号的负反馈作用无穷大，因此使电路的A Ac c=0=0，K KCMRCMR=。恒流源电路在不高的电源电压下恒流源电路在不高的电源电压下既为差分放大电路设置了合适的静态工作电流，又大大既为差分放大电路设置了合适的静态工作电流，又大大增强了共模负反馈作用，使电路具有更强的抑制共模信号的能力。增强了共模负反馈作用，使电路具有更强的抑制共模信号的能力。第42页，共71页，编辑于2022年，星期二恒流源电路的简化

40、画法及电路调零措施恒流源电路的简化画法及电路调零措施恒流源电路可用一恒流源取代。在实际电路中，难以做到参数理想对恒流源电路可用一恒流源取代。在实际电路中，难以做到参数理想对称，常用一阻值很小的电位器加在两只管子发射极之间，称称，常用一阻值很小的电位器加在两只管子发射极之间，称R Rw w为调零为调零电位器。电位器。动态参数动态参数第43页，共71页，编辑于2022年，星期二场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路为了获得高输入电阻的差分放大电路，可以将前面所讲电路中的差放管用场效为了获得高输入电阻的差分放大电路，可以将前面所讲电路中的差放管用场效应管取代晶体管。这种电路特别适于做直接耦合多级放

41、大电路的输入级。场效应管取代晶体管。这种电路特别适于做直接耦合多级放大电路的输入级。场效应管差分放大电路也有四种接法。应管差分放大电路也有四种接法。第44页，共71页，编辑于2022年，星期二有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路 由于由于T T3 3和和T T4 4管构成的电流源作为有源负载，将管构成的电流源作为有源负载，将T T1 1集电极电流的变化转换为输出电流，集电极电流的变化转换为输出电流，所以使单端输出电路对差模信号的放大能力接近双端输出的情况。所以使单端输出电路对差模信号的放大能力接近双端输出的情况。利用镜像电流源利用镜像电流源作有源负载，不但可将作有源负载，不但可将T T1

42、1管的集电极电流变化转换为输出电流，而且还将使所有变化电管的集电极电流变化转换为输出电流，而且还将使所有变化电流流向负载。流流向负载。输出电流约为单端输出时的两倍，因而电压放大倍数接近双端输出时的情况。输出电流约为单端输出时的两倍，因而电压放大倍数接近双端输出时的情况。第45页，共71页，编辑于2022年，星期二 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：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：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输

43、出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：差动放大电路动态参数计算总结差动放大电路动态参数计算总结(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数第46页，共71页，编辑于2022年，星期二(3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本是基本放大电路的两倍。放大电路的两倍。(4)(4)输出电阻输出电阻 双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：第47页，共71页，编辑于2022年，星期二(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。或或

44、双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：第48页，共71页，编辑于2022年，星期二差动放大电路四种输入、输出方式比较差动放大电路四种输入、输出方式比较uid=ui uic=ui/2单入单入单出单出uid=ui uic=0双入双入单出单出uid=ui uic=ui/2单入单入双出双出uid=ui uic=0双入双入双出双出共模抑制共模抑制比比KCMR Ro差模差模 Rid差模放大倍数差模放大倍数 Ad差模差模uid共模共模uic输入输出输入输出方式方式很小很小第49页，共71页，编辑于2022年，星期二例：例：电路如图所示，已

45、知电路如图所示，已知R Rb b=1k =1k ，R Rc c=10k =10k ，R RL L=5.1k =5.1k ，V VCCCC=12V=12V，V VEEEE=6V=6V；晶体管；晶体管的的=100=100，r rbebe=2k=2k。（1 1）为使）为使T T1 1管和管和T T2 2管的发射极静态电流均为管的发射极静态电流均为0.5mA0.5mA，R Re e的取值应为多少？的取值应为多少？T T1 1管和管和T T2 2管的管压降管的管压降U UCEQCEQ等于多少？等于多少？（2 2）计算）计算A Au u、R Ri i和和R Ro o的数值；的数值；（3 3）若将电路改成单

46、端输出（由）若将电路改成单端输出（由T T1 1管的集电极输出），用直流表测得输出电压管的集电极输出），用直流表测得输出电压u uO O=3V=3V，试问输入电，试问输入电压压u uI I约为多少？设约为多少？设I IEQEQ=0.5mA=0.5mA，且共模输出电压可忽略不计。，且共模输出电压可忽略不计。第50页，共71页，编辑于2022年，星期二思考：思考：图示电路参数理想对称，晶体管的图示电路参数理想对称，晶体管的均为均为100100，=100=100，U UBEQBEQ=0.7V=0.7V。试计算。试计算R Rw w滑动端滑动端在中点时在中点时T T1 1管和管和T T2 2管的发射极静

47、态电流管的发射极静态电流I IEQEQ，以及，以及动态参数动态参数A Ad d和和R Ri i。第51页，共71页，编辑于2022年，星期二思考：思考：电路如图所示，晶体管的电路如图所示，晶体管的=50=50，=100 =100 。（1 1）计算静态时）计算静态时T T1 1管和管和T T2 2管的集电极电流和集电管的集电极电流和集电极电位；极电位；（2 2）用直流表测得）用直流表测得u uO O=2V=2V，u uI I=？若？若u uI I=10mV=10mV，则，则u uO O=？第52页，共71页，编辑于2022年，星期二思考：思考：电路如图所示，电路如图所示，T T1 1和和T T2

48、 2的低频跨导的低频跨导g gm m均为均为2mS2mS。试求解差模放大倍数和输入电阻。试求解差模放大倍数和输入电阻。第53页，共71页，编辑于2022年，星期二5.4.1 集成运放基本知识集成运放基本知识一、通用型集成运放一、通用型集成运放(Operational Amplifier)的组成的组成模拟集成电路的特点模拟集成电路的特点1)直接耦合：直接耦合：采用差分电路形式，元件相对误差小；采用差分电路形式，元件相对误差小；2)大电阻用恒流源代替，大电容外接；大电阻用恒流源代替，大电容外接；3)二极管用三极管代替二极管用三极管代替(B、C 极接在一起极接在一起)；4)高增益、高输入电阻、低输出

49、电阻。高增益、高输入电阻、低输出电阻。5.4集成运算放大电路集成运算放大电路5.4集成运算放大电路第54页，共71页，编辑于2022年，星期二集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。集成运放采用电流用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定合适的静态工作点。定合适的静态工作点。输入级输入级是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模是一个双端输

50、入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。中间级中间级是整个放大电路的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，是整个放大电路的主放大器，其作用是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。而且为了提高电压放大倍数，常采用复合管做多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，常采用复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。放大管，以恒流源做集电极负载。输出级输出级应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（