模擬電路分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第6章模擬集成單元電路11/26/2023模擬集成電路集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路運(yùn)算放大器寬帶放大器功率放大器模擬乘法器電壓比較器電源調(diào)整器專用模擬集成電路等IntegratedCircuit（IC）模擬集成電路集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的模擬集成電路是集成運(yùn)算放大器。 模擬集成電路集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 運(yùn)算放大器是一種直流耦合，差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器，因最初主要用于加法、乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。 在集成運(yùn)算放大器內(nèi)部，集成了幾十至幾百只晶體管，其性能已經(jīng)接近理想。差模電壓放大倍數(shù)Avd→∞差模輸入電阻Rid→∞輸出電阻Ro→0V+V?VO模擬集成電路集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部框圖基本單元電路輸入級(jí)：差動(dòng)放大器輸出級(jí)：互補(bǔ)推挽電路偏置電路：電流源電路輸入級(jí)輸出級(jí)中間放大級(jí)偏置電路uiduo本章主要討論內(nèi)容模擬集成電路集成電路中元件的特點(diǎn)晶體管（BJT、FET）容易集成且占用硅片面積小制造參數(shù)一致的元件容易 如BJT：β1=β2，VBE1=VBE2，rbe1=rbe2集成電阻、電容面積大且取值范圍有限，電感不能集成

為了提高集成電路的集成度，在電路設(shè)計(jì)中盡量少用或不用電容和電阻。 另外，二極管一般由BJT的PN結(jié)擔(dān)任。模擬集成電路集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用直接耦合方式采用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)克服直流漂移采用恒流源作為偏置電路和有源負(fù)載允許采用復(fù)雜的電路形式，以提高性能用有源元件（晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管）取代電阻使用復(fù)合管集成電流源理想恒流源VCR為平行于電壓軸的直線電流為恒定值電壓為任意值，與外接電路有關(guān)ISiv+?iv0IS集成電流源實(shí)際電流源實(shí)際電流源的VCR

ro是電流源的交流等效電阻，稱為電流源內(nèi)阻。

ro越大，電流源越接近于理想恒流源。roiv0實(shí)際電流源模型ISISiv+?集成電流源電流源的作用作為偏置電路作為有源負(fù)載（參見(jiàn)6.2節(jié)）電流源偏置的共射放大電路集成電流源電流源電路的組成電流源電路ESRLILroISRLIL對(duì)電流源電路的要求：當(dāng)RL、ES以及溫度在一定范圍變化時(shí)，IL要保持不變。集成電流源實(shí)現(xiàn)恒流的基本方法 利用晶體管（BJT、FET）在放大區(qū)具有恒流特性，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。NPN型BJT輸出特性N溝道J-FET輸出特性iCvCEo放大區(qū)集成電流源雙極型晶體管電流源讓BJT偏置于放大區(qū)，固定IB，則C-E之間等效為一個(gè)恒流源BJT的一根輸出特性曲線+-vCE接高電位集成電流源雙極型晶體管電流源用BJT連接而成的二極管電路+-vCE接高電位集電極高電位，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，VCB=0BJT處于臨界飽和狀態(tài)，還沒(méi)有進(jìn)入飽和區(qū)，電流分配關(guān)系仍然成立，即這種連接方式在BJT集成電路中得到廣泛應(yīng)用BJT集成電流源基本鏡像電流源IREF稱為參考電流IC2:恒流源提供的電流又又因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管的VBE電壓相同，所以兩個(gè)晶體管配對(duì)，所以β1=β2=β因此因?yàn)棣潞艽?，所以近似有BJT集成電流源基本鏡像電流源β很大，近似有輸出電阻

當(dāng)β不大時(shí)，Io的鏡像精度較差，需對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)BJT集成電流源改進(jìn)型鏡像電流源圖中，晶體管Q3的引入是為了減小基本鏡像電流源的兩個(gè)晶體管基極從參考電流IREF中分得的電流。

Q3的電流比Q1、Q2的電流要小很多，因此它的β3比要小很多。又因Q1、Q2的參數(shù)相同，且它們的VBE相同，所以有有

BJT集成電流源改進(jìn)型鏡像電流源則

因此而參考電流為：式中BJT集成電流源改進(jìn)型鏡像電流源而基本鏡像電流源：可見(jiàn)改進(jìn)的鏡像電流源的精度比基本鏡像電流源的精度高。改進(jìn)的鏡像電流源的內(nèi)阻

共射－共基電流源

Wilson電流源（自學(xué)）要進(jìn)一步提高電流源的內(nèi)阻，可以采用：

BJT集成電流源Widlar電流源

Widlar電流源又稱為微電流源，主要是因?yàn)樗芴峁┹^小的電流。由上兩式可得：因Q1、Q2配對(duì)，且β>>1，有而：所以BJT集成電流源Widlar電流源有：由圖可知：可得：該關(guān)系式是一個(gè)超越方程，在IREF已知時(shí)，只有用相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件或湊試法求Io表明輸出電流Io不會(huì)與參考電流IREF

相等，而且Io應(yīng)比IREF小BJT集成電流源多路電流源假設(shè)所有晶體管都匹配，有FET集成電流源基本鏡像電流源改進(jìn)鏡像電流源共源共柵電流源Wilson電流源不依賴偏置電壓的電流源JFET電流源FET集成電流源基本鏡像電流源M1M2VTN1=VTN2，Kn1=Kn2，設(shè)M1、M2參數(shù)相同，即：且都置于放大區(qū)，λ=0有：輸出電流為：所以有：

可以通過(guò)改變兩個(gè)MOSFET的寬長(zhǎng)比，來(lái)改變輸出電流與參考電流之間的關(guān)系。有源負(fù)載電路共射電路問(wèn)題：

RC增大，動(dòng)態(tài)范圍減小。RC增大，AV增大，要增大AV？集成電路中，不能使用過(guò)大的電阻；但：RC用恒流源代替則：這種用恒流源作負(fù)載的放大器稱為有源負(fù)載放大器RE有源負(fù)載電路vivo例：電路中Q0、Q1、Q2均為Si管，β>>1；求IC0=？

Av如何求？解：Q1、Q2、R構(gòu)成基本鏡像電流源，作為有源負(fù)載。有：

又：

Q1、Q2、R構(gòu)成基本鏡像電流源用電流源模型表示：有源負(fù)載電路vivo

Av如何求？基本鏡像電流源用電流源模型表示：+-vo+-vi小信號(hào)等效電路：集成電流源——小結(jié)實(shí)際恒流源模型：ro：恒流源內(nèi)阻幾種常見(jiàn)的恒流源電路：重點(diǎn)掌握基本鏡像電流源的結(jié)構(gòu)、電流關(guān)系以及ro的計(jì)算。集成電流源——小結(jié)幾種常見(jiàn)的恒流源電路：為了提高鏡像精度——改進(jìn)的鏡像電流源掌握改進(jìn)的鏡像電流源的結(jié)構(gòu)、電流關(guān)系以及ro的計(jì)算。掌握Widlar電流源的結(jié)構(gòu)、電流關(guān)系以及特點(diǎn)。微電流源能提供較小的電流；其它類型的電流源了解；FET電流源不要求集成電流源——小結(jié)有源負(fù)載電路：主要目的是提高電壓增益；用恒流源作負(fù)載的放大器稱為有源負(fù)載放大器。在交流分析時(shí)要考慮電流源內(nèi)阻；書上的分析有興趣的可以自學(xué)差動(dòng)放大器單端信號(hào)與雙端信號(hào)單端信號(hào)：電壓信號(hào)，其參考點(diǎn)為地單端輸入電壓信號(hào)

——參考點(diǎn)為地的輸入電壓信號(hào)單端輸出電壓信號(hào)

——參考點(diǎn)為地的輸出電壓信號(hào)雙端信號(hào)：一“對(duì)”單端信號(hào)差動(dòng)放大器

又稱差分放大器，是放大差模(差動(dòng)模式)信號(hào)的放大器vid=vi+–vi? (稱為差模輸入電壓)vod=vo+–vo? (稱為差模輸出電壓)Avd=vod∕vid

(稱為差模電壓增益)A+vin?+vout?單端輸入單端輸出的放大器vi+vi?vo+vo?Avinvout差動(dòng)放大器運(yùn)算放大器輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路的原因集成運(yùn)算放大器的級(jí)與級(jí)之間采用直接耦合直接耦合電路能放大直流信號(hào)和變化緩慢的信號(hào)無(wú)法在集成電路中生產(chǎn)出大容量的電容在直接耦合的電路中存在零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象所謂零點(diǎn)漂移是指：輸入信號(hào)為0時(shí)，輸出電壓偏離原來(lái)的起始值而上下波動(dòng)的現(xiàn)象。零點(diǎn)漂移的主要原因是：溫度變化時(shí)，組成電路的元器件參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，從而引起電路中的電壓和電流發(fā)生變化。前一級(jí)輸出的變化量被后面各級(jí)放大器逐級(jí)放大。零點(diǎn)漂移嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使有用的信號(hào)被掩蓋。為了抑制零漂，必須采用差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器最直接的想法

設(shè)計(jì)兩個(gè)完全相同的放大器，分別放大單端電壓信號(hào)vi1和vi2

放大后的兩個(gè)輸出單端電壓vo1和vo2的非地端之間的電壓就是雙端輸入信號(hào)vid經(jīng)放大后的電壓信號(hào)vod

然而，這種電路還存在很多問(wèn)題，需要改進(jìn)。vi1RSRCV+vo1vi2RSRCV+vo2A1vi1vo1A2vi2vo2+vod?+vid?差動(dòng)放大器BJT差動(dòng)放大器組成原理由兩個(gè)對(duì)稱的共射電路組成利用電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)的對(duì)稱性抑制零漂利用發(fā)射極電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定工作點(diǎn)有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端改進(jìn)：長(zhǎng)尾式差分電路兩個(gè)發(fā)射極電阻合二為一，成為長(zhǎng)尾電阻下面的地可以改為負(fù)電源V+V+vi1RSRCvo1vi2RSRCvo2V+V?RERERE用恒流源代替長(zhǎng)尾電路的RE即為恒流式差分電路差動(dòng)放大器差放抑制溫漂的原理電路對(duì)稱性的影響

由于電路對(duì)稱，兩個(gè)三極管集電極的靜態(tài)電流IC在任何溫度下都相等。 即IC1=IC2=IC

ΔIC1=ΔIC2

VC的變化幅度也相等： ∵VC1=VC2=V+?ICRC

即ΔVC1=ΔVC2

有VOD=VC1?VC2=0

說(shuō)明無(wú)論溫度如何變化，都有

ΔVOD=0vi1RSRCvo1vi2RSRCvo2V+V?RE結(jié)論：完全對(duì)稱的差放電路理論上不受溫度影響+vod?差動(dòng)放大器差放抑制溫漂的原理長(zhǎng)尾電阻的作用 靜態(tài)時(shí)vi1=vi2=0

溫度上升時(shí)： 顯然，RE穩(wěn)定工作點(diǎn)抑制溫漂的過(guò)程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過(guò)程。 但是以后我們會(huì)知道，長(zhǎng)尾電阻對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有負(fù)反饋?zhàn)饔?。vi1RSRCvo1vi2RSRCvo2V+V?RE結(jié)論：長(zhǎng)尾電阻穩(wěn)定工作點(diǎn)卻不影響差模增益+vod?T↑IC1↑IC2↑VE↑VBE↓IC↓差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器的輸入輸出方式輸入方式單端輸入（同相？反相？）雙端輸入輸出方式單端輸出（同相？反相？）雙端輸出輸入輸出方式單端入單端出單端入雙端出雙端入單端出雙端入雙端出+vi?vi+vo?+vo?差動(dòng)放大器差放電路的輸入信號(hào)差模信號(hào) 如vS1、vS2兩個(gè)信號(hào)大小相等，極性(對(duì)地)相反，則稱這兩個(gè)信號(hào)互為差模信號(hào)。 若vS1=?vS2=vS

，差模信號(hào)vid

=vS1?vS2=2vS+vS1?+vo?RL+vS2?+vid?+vS?+vo?RL?vS++vid?理想差放電路只放大差模信號(hào)：vo=Avdvid差動(dòng)放大器差放電路的輸入信號(hào)共模信號(hào) 如vS1、vS2兩個(gè)信號(hào)大小相等，極性(對(duì)地)相同，則稱這兩個(gè)信號(hào)互為共模信號(hào)。

共模信號(hào)

viC

=vS1=vS2，此時(shí)差模信號(hào)vid

=vS1?vS2=0+vS1?+vo?RL+vS2?+vid?+viC?+vo?RL溫度變化或電源電壓變化，對(duì)兩個(gè)輸出端產(chǎn)生的影響相同，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端都加入了共模信號(hào)。理想差放電路抑制共模信號(hào)。差動(dòng)放大器差放電路的輸入信號(hào)任模信號(hào)

一般情況下，兩個(gè)信號(hào)既不互為差模，也不互為共模，那么就稱兩個(gè)信號(hào)互為任模。 互為任模的兩個(gè)信號(hào)可以分解為差模信號(hào)分量與共模信號(hào)分量的組合。差模分量：vid=vs1?vs2共模分量：vic=(vs1+vs2)/2

兩個(gè)任模信號(hào)為：vs1=vic+vid/2vs2=vic?vid/2vS1+vo?RLvS2+vo?RL+vid/2?+?

vid/2?+viC?差動(dòng)放大器 例.設(shè)vs1=10sinωt(mV)，vs2=4sinωt(mV)，求vid和vic。 解：vid=vs1?vs2=6sinωt(mV)

vic=(vs1+vs2)/2=7sinωt(mV)

vid/2=3sinωt(mV)vS1+vo?RLvS2+vo?RL+vid/2?+?

vid/2?+viC?差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器工作點(diǎn)估算（補(bǔ)充）長(zhǎng)尾式差分電路+-va+-vbbaRSRE-VEE+VCCRCRSRC+-vo令va=vb=0獲得直流通路：兩管對(duì)應(yīng)的電流、電壓對(duì)稱，注意RE的電流為IE的2倍以Q1管為例：Q1差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器工作點(diǎn)估算（補(bǔ)充）恒流式差分電路+-va+-vbbaRSRE-VEE+VCCRCRSRC+-voQ1+-va+-vbbaRS+VCCRCRSRC+-voQ1-VEE差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器工作點(diǎn)估算（補(bǔ)充）恒流式差分電路+-va+-vbbaRS-VEE+VCCRCRSRC+-voQ1+-va+-vbbaRS+VCCRCRSRC+-voQ1-VEEVB差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器的增量分析（即交流小信號(hào)分析，重點(diǎn)）1.

當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析baREV-V+RCRCRL+-vod+-vid差模電壓vid浮地輸入，在a、b兩輸入端產(chǎn)生±vid/2的輸入信號(hào)。差模電壓增益差模輸入電阻差模輸出電阻差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析差模電壓vid浮地輸入，在a、b兩輸入端產(chǎn)生±vid/2的輸入信號(hào)。對(duì)差模信號(hào)，電路有：發(fā)射極E交流地，即RE被交流短路；+-+-

RL的中點(diǎn)是交流地。故交流通路為：可見(jiàn)：交流通路沿中間位置分成左右兩邊完全相同的電路。+-aRC+-bRC+-+-baREV-V+RCRCRL+-vod+-vid差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析交流通路沿中間位置分成左右兩邊完全相同的電路；分析時(shí)單邊等效電路法：只需畫出一邊等效電路即可。+-aRC+-bRC+-+-RC+-a+-故有：+-+-……式6.117差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析單邊等效電路法：+-aRC+-bRC+-+-RC+-+-故有：+-+-……式6.101+-+-……式6.102差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析單端輸出時(shí)：對(duì)差模信號(hào)，發(fā)射極E仍為交流地；+-+-（1）以Q1輸出：+-aRC+-bRC+-baREV-V+RCRCRL+-vodRL+-vodQ2Q1從哪個(gè)管子輸出，就畫出該管對(duì)應(yīng)的等效電路。+-+-差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析單端輸出時(shí)：（1）以Q1輸出：+-aRC+-bRC+-Q2Q1故有，……式6.119+-+-……式6.103輸入端形式?jīng)]有改變，Rid不變（2）以Q2輸出：+-+-差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)差模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析+-baREV-V+RCRCRL+-vod+-Q2Q1Q1輸出時(shí)：Q2輸出時(shí)：……式6.117…………式6.119結(jié)論：差動(dòng)放大器有放大差模信號(hào)特性自行分析：空載（RL開(kāi)路）的情況差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)共模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析baREV-V+RCRC+-voc共模電壓增益+-這里只討論共模電壓增益，共模輸入、輸出電阻不要求。+-①RL兩端等電位，即：雙端輸出的共模信號(hào)為0，②共模信號(hào)輸入時(shí)，RE對(duì)一個(gè)管子相當(dāng)于2RE。Q2Q1因發(fā)射極信號(hào)電流大小和極性相同，RE上將有兩倍的信號(hào)電流，E點(diǎn)不是交流地。通過(guò)“阻抗反映法”（P81）畫出交流通路。差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析當(dāng)共模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析baREV-V+RCRC+-+-Q2Q1+-baRCRC+-Q2Q12RE2RE單邊等效電路法：+-+-2RERC阻抗反映法……式6.108差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析

當(dāng)共模信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的小信號(hào)分析V-baREV-V+RCRC+-voc+-+-Q2Q1由于2RE的存在，使AVC很小，即抑制了共模信號(hào)的輸出。結(jié)論：

差動(dòng)放大器放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。抑制零點(diǎn)漂移的原因：零點(diǎn)漂移等效為共模輸入，有用信號(hào)以差模方式輸入。共模抑制比（CMRR）：差動(dòng)放大器——交流小信號(hào)分析差動(dòng)放大器的交流輸出+-+-baREV-V+RCRCRL+-voQ2Q1當(dāng)任模信號(hào)作用時(shí)，怎么分析？任模信號(hào)可分解為共模信號(hào)和差模信號(hào)的