模拟集成电路原理及其应用

Rb
+-ui1
uo1
T1
uo2 Rb
T２
ie 2Reeie 2Ree
ibr1be
uic
ib
1
ic1 uoc1
RC
2Ree ie1
T1管的共模微变等效电路
共模交流通路
b.单端输出的情况
a.双端输出的情况
Auc =
uoc uic
=
uoc1 -uoc2 uic
= Auc1uic -Auc2uic =0
uic
令：ui1 ui2 0
RC
电路完全对称，
算一个管子即可
ICi1cQ1
UBE1 UBE2 UBE 0.7V
1
T1
IC1Q IC 2Q ICQ 2 I0 EC IC1Q RC UCE1Q UBE1
+
- ui1
uo1 uo2
UCE1Q UCE2Q
ue
RC iIcC22Q
RC
ib
Rb
ib rbe ui2
差模微变等效电路
原电路 差模交流通道
+EC
差模微变等效 差模动态分析步骤 电路
RC
uo
RC
Rb
+-ui1
uo1
T1
uo2
T２
Rb + ui2
-
Ree
–EE 原电路
ib
Rb
ui1 rbe ib
RC
uo
RC
Rb
+-ui1
uo1
T1
uo2
T２
Rb + ui2
-
差模交流通道 uo
RC
负载中点必为
Rb
零电位。 ++
Rb
uo1
ui2
-
-ui1
T1
1 2
uo RL
1 2
RL
RC
uo2 Rb
T２
+ ui2
-
Ree
Ree
–EE
原电路 ib
–EE
uo 差模交流通路 ib
Rb
ui2 rbe ib
RC
1 2
RL
uo1 uo2
1 2
RL
ib
RC
Rb
rbe ui2
差模微变等效电路
ib
Rb
–EE
- - +ui1
IC1Q Rb
IB1Q
uo1 uo2
T1
ＵCEu1oQ
ＵCE2Q
IC2Q T２ Rb
IB2Q
+ ui2
Ree
–EE
I B1Q

IB2Q

I BQ

Rb
EE UBEQ
2( 1)Ree
IC1Q IC2Q ICQ IBQ
令：ui1 ui2 0 UCE1Q UCE2Q EC EE ICQ (RC 2 Ree )
6 模拟集成电路原理及其应用
6.1 直流信号的放大 6.2 差动放大器 6.3 集成运算放大器的组成 * 6.4 集成运算放大器的性能参数和模型 6.5 理想运放及运放基本组态 6.6 集成运算放大器的应用 * 6.7 实际集成运放电路的误差分析 6.8 模拟乘法器
引言:
一、集成电路的简述
集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导
-
Ree –EE
置零
导线 代替
对差模信号
ue 0
RC
uo
RC
Rb
+-ui1
uo1
T1
uo2
T２
Rb + ui2
-
差模交流通路
差模交流通道
差模动态分析步骤 差模微变等效电路
RC
uo
RC
Rb
+-ui1
uo1
T1
uo2
T２
Rb + ui2
-
ib
Rb
ui1 rbe
差模交流通路 uo
ib
RC
uo1 uo2
ui2=-
21uid
由有用信号决定的输入信号。
其中：1 uic 2 (ui1 ui2 )
uid ui1 ui 2
2 、共模输入信号 ：
例如：ui1=10mV,ui2=6mV
ui1=ui2=uic
由温度、干扰等引起的等效 输入信号。
3 、任意输入信号：
可分解为差模输入和 共模输入的线性组合
ui2 rbe ib
uo
RC
1 2
RL
uo1 uo2
1 2
RL
ib
RC
ib 差模动态分析步骤
Rb
rbe ui2
a. 双端出的情况
差模电压放大倍数
Aud

uo uid
uo1 uo2 2uo1 ui1 vi2 2ui1
Aud


RL/
Rb rbe
,
RL

RC
//
RL 2
Auc1

uoc1 uic
Rb
rbe
RC (1 ) 2Ree
同理：Auc 2

uoc 2 uic
Rb
RC rbe (1 ) 2Ree
即：Auc1 Auc2
Ｒee越大，共模增益越小，抑制共模信号的能力越强。
五、带恒流源型差动放大器的分析 +EC
（一）、静态分析
T2
ue
ui2
Io
Ree
–EE
ib
原电路
ui1 rbe ib
差模交流通路 uo
RC
uo1 uo2
RC
ib ib rbe ui2
差模微变等效电路
2、共模信号双端输入情况的动态分析(ui1 ui2 uic )
(1)、步骤：原电路
共模交流通道
+EC
置零
RC
RC
ic1
uoc
ic2
RC
RC
ic1
2、按结构特点分为：基本型差动放大器、长尾型差动放大器和带
恒流源型差动放大器；
+EC
+EC
+EC
RC
RC
uo1 uo2
RC
RC
uo1 uo2
RC
RC
uo1 uo2
+-ui1 T1
T2
+
ui-2
+-ui1
T1
T2
+
ui-2
+
-ui1
T1
Ree
I
T2
+
ui-2
Ree
–EE
–EE
基本型差动放大器 长尾型差动放大器 带恒流源型差动放大器
Rod Rc
2、共模信号的动态分析 (ui1 ui2 uic ) 共模动态分析步骤
(1)、步骤：原电路
共模交流通道
+-ui1
RC
Rb
uo1
T1
+EC 置零
uo RC
uo2
T２
Rb + ui2
+-ui1
-
Ree –EE
置零
不能
RC
uo RC
Rb
uo1
T1
uo2
T２
ue
Rbui+2 +-ui1 -
双端输出时
理想时：Auc=0,
K CMRR
§6.３ 集成运算放大器的组成（简称：运放）
--------对直流信号、交流信号放大
解：uic=(ui1+ui2)/2=8mV uid=ui1-ui2=4mV
则原信号可分解为：
ui1=８mV +２mV ui２=８mV-２mV
二、术语
１A、ud 差 u模uiod 电对压放放大大电倍路数而A言ud:，其值越大越好。
2、共模电压增益 Auc:
Auc

uo uic
对放大电路而言，其值越小越好。
差模输入电阻
Rid 2(Rb rbe )
差模输出电阻
Rod 2Rc
Rod Rc
思考：若在T1、 T2的集电极接负载电阻RL，它的差模
交流通路、差模微变等效电路、动态值如何？
+EC uo1 和 uo2 大小相等，
+EC
且相位相反。
RC
uo
+ Rb
-ui1
uo1
T1
RL
uo2
T２
RC
3、按输入／输出端
的接法分为：
+EC
以带恒流源型差动放大器为例
双端输入——双端输出
RC
RC
uo1 uo2
双端输入——单端输出 单输输入——双端输出 单端输入——单端输出
+
T1
- ui1
I
T2
+
ui2
-
Ree
–EE
带恒流源型差动放大器
4、按输入信号可分为：
1 、差模输入信号 ：
ui1=
1 2
uid，
2ie Ree
对共模信号
RC
uo RC
Rb
uo1
T1
uo2 Rb
T２
ue ie
ue 2RReeie
R 2Ree
共模交流通路
+ ui2
-
导线
ue 2ie Ree ie R
代替 ue 0
R 2Ree
共模交流通道 共模微变等效电路 共模动态 共模动态分析步骤 Rb 值计算
RC
uo RC
Aud
RC
Rb rbe
差模输入电阻
放差大22模uu倍oi电11数R压大idRidAAudu1d1差buu模.oid单12(电R端ub压R出i1uC放ro的b1eu大)情i 2倍况12数2Auuuod1i1

Aud 2
Rid 2(rbe Rb )
差模输出电阻
ib
RC
uo1 uo2
RC
Rb
ib rbe ui2
差模微变等效电路
(2). 动态值的计算 ib
uRo od
差模动态分析步骤
ib
Rb
ui1 rbe ib
a.双端出的情况
RC
uo1 uo2
RC
Rb
ib rbe ui2
差模电压放大倍数
Aud

uo uid
uo1 uo2 ui1 vi 2
RC
uoc1
T1管的共模微变等效电路
六、共模抑制比
为衡量差动放大器 放大差模信号，抑制共模信号的能力，引入了
K
= Aud ……..共模抑制比
CMRR
Auc
K (dB) = 20 log Aud
CMRR
Auc
(分贝)
例: Aud=-200
Auc=0.1 则 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB
直流通路为
或UCE1Q UCE2Q EC UBEQ ICQ RC IBQ Rb
（二）、动态分析 1、差模信号的动态分析
(ui1

ui 2

1 2
差模动态分析步骤
uid )
(1)、步骤：原电路
差模交流通道
+EC 置零
RC
uo
RC
Rb
+-ui1
uo1 uo2
T1
T２
ue
Rb + ui2
对共模信号 导线 代替
e 2 e ee
e
u 0 e
R 2Ree
共模交流通道
共模微变等效电路 共模动态值计算
共模动态分析步骤
ic1
RC uoc
RC ic2
T1
uoc1
uoc2 T2
ui1 ue
ue ui2
2Ree 2Ree
共模信号交流通路
ib1 rbe ib1
ic1
uic
2Ree ie1
3、共模抑制比KCMRR：
KCMRR

Auc Aud
对放大电路而言，其值越大越好。
当差模和共模信号同时存在时, 可由叠加原理求总输出
uo Aud uid Aucuic
三、差动放大器的结构特点
以带恒流源型差动放大器为例
+EC
由两个结构对称、
RC
RC
uo1 uo2
特性及参数相同的 单级放大电路组成。
差模输入电阻
Rid 2(Rb rbe）
差模输出电阻
R压放大倍数
Aud1

uo1 uid
uo1 ui1 ui2

uo1 2ui1

Aud1


RL/
2(Rb rbe
)

1 2
Aud
差模输入电阻
Rid 2(Rb rbe）
差模输出电阻
RB1 RC1
RB1 RC2
ui
RB2 RE1
当有用信号ui=0时,
会出现零点漂移 u
0
RB2 RE2
uo
零点漂移的抑制须在多
级放大电路的最前级
（输入级）开始，作为
输入级的放大电路应采 t 用差动放大电路。
§6.2 差动放大器
一、差动放大器的分类
1、按三极管的形式分为：BJT差动放大器和FET差动放大器；
5. 级间采用直接耦合方式 6. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成；
大电容要外接。
三、BJT在模拟集成电路的特殊应用
1、用BJT构成二极管
c
bA
b
e
eK
2、用BJT构成电流源 和高值电阻
BJT
Is ro
若电流源的电流越恒定,ro 就越大,可得到高值电阻。
§6.1 直流信号的放大
+EC
同相输入端
+
T1
- ui1
T2
反相输入端 +
有两个输入端：
ui2
-
同相输入端、反相输入端
I
Ree
–EE
带恒流源型差动放大器
电路由正电源+ＥC和 负电源-Ｅee供电;
恒流源提供直流偏置。
四、长尾型差动放大器的分析
+EC
（一）、静态分析
RC
RC
+EC
RC
RC
uo1 uo2
+-ui1
T1
T2
+
ui2-
Ree
uo
ic2
T1 ui1
uo1
uo2 T2
ue
ui2
RC
RC
ic1
uo
ic2
T ui1 1
uo1
uo2 T2
ve
ui2
RC
RC
ic1
uo
ic2
T ui1 1
uo1 uo2 T2
vE
ui2
置零 Io
Ree
置零
–EE
Ree
导线 对差模信号 代替 差模交流通路
ue 0
差模交流通道