第6章 模拟集成电路

I REF
VCC VEE VBE1 VEB4 R1
6.1.1 BJT电流源电路
镜像电流源 电流源作有源负载
共射电路的电压增益为：
( Rc // RL ) Vo = AV rbe Vi
对于此电路Rc就是镜 像电流源的交流电阻，
因此增益为
= RL AV rbe
放大两个输入信号之差
1 共模信号 vic (vi1 vi 2 ) 2
差模信号：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相反的信号。 共模信号 ：是指在两个输入端加 幅度相等，极性相同的信号。
差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。
3. 主要指标计算
工作方式
双端输入，双端输出；端输入，单端输出； 单端输入，双端输出；单端输入，单端输出
这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。 1、BJT、FET工作在放大状态时其输出电流都是具有恒流特性的受控电流
源；由它们都可构成电流源电路。
2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等
电流源电路的用途：
1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳 定的Q点。 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。 3、电流源还可单独制成稳流电源使用。
VBE2 =VBE1 I C2 =I C1 I REF I E2 = I E1
当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略 VCC VBE ( VEE ) VCC VEE Io＝IC2≈IREF＝ R R
代表符号
Io (IC2)与IREF是镜像关系,基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的
6.2.1 差分式放大电路的一般结构
① 差模信号和共模信号的概念
2. 有关概念
vid =vi1 vi2
1 vic = (vi1 vi2 ) 2 两信号的算术平均值共模信号
② 两种信号的特点
两信号的差值差模信号
共模信号(分量)：大小相等，相位相同 差模信号(分量)：大小相等，相位相反
v 有 v = v id i1 ic 2
故称集成运算放大电路，简称集成运放。
一、集成运放的电路结构特点 2.采用有源器件代替无源器件 （硅片上不宜制作高阻 值电阻10-50k，有源负载代替大电阻）. 3.元件参数匹配性好,常用对称结构差动放大作输入级 （克服温漂）. 4.采用复合管 （不同类型管性能差异大）
1.级间采用直接耦合方式（硅片上不能做大电容200p以下）
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源 3. 高输出阻抗电流源
2. 微电流源
4. 组合电流源
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源
2. MOSFET多路电流源
3. JFET电流源
模拟集成电路中的电流源
如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？ 电流源电路的特点：
为什么要采用电流源来实现直流偏置？易集成（需要电阻少），可以直接提供恒定电流， 带负载能力也强。
VCE1 =VCE2
1 IC IO 2
--求解关键
VCC I C Rc VE
VCC I C Rc (0.7V)
I B1 I B2
vo vO1 vO2 0
IC β
差分放大器具有零输入时零输出的特点
（2）动态分析
vO1 和
仅输入差模信号，vi1 和 vi2 大小相等，相位相反。 vO2 大小相等， 相位相反。 vo vO1 vO2 0 ，
放大管
比用电阻Rc就作负载时提高了。
end
以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放中，常用电流源电路取代RC或 Rd ，这样在电源电压不变的情况下，既可获 得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得 很大的等效RC或Rd的。 晶体管和场效应管是有源元件，又可作 为负载，故称为有源负载。
6.1.2 FET电流源
rbe2 Re2 （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 Ro）
微电流源电路,接入阻值不大的Re2就可得到一个比基准电流小许多倍的微电流 源，适用微功耗集成电路和集成放大器前置级中.
6.1.1 BJT电流源电路
＊3. 高输出阻抗电流源
VCC VBE 3 VBE2 VEE I REF R A3 I O I C2 I REF A1
（1）差模情况
<A> 双入、双出
(a)差模输入时，vi1=-vi2=vid/2,
当一管电流ic1增加时， 另一管的
电流ic2必然减小。由于电路对称， ic1 的增加量必然等于ic2的减少量。 所以流过恒流源（或Re）的电流不 变，ve=0. 故如图所示的交流通路 中Re为0（短路）。 (b)差模输入时，vi1=-vi2=vid/2, 每一管上的电压仅 为总的输入电压vid 的1/2。故虽然电路由两管组成， 但总的电压放大倍数仅与单管的相同。 (c)如果在输出端接有负载电阻RL, 由于负载两端的电 位变化量相等，变化方向相反，故负载的中点处于交 流地电位。因此，如图所示的交流通路中每一管的负 载为RL/2。此时，总的电压放大倍数与单管的相同。
信号被放大。
vO1
仅输入共模信号，vi1 和 vi2 大小相等，相位相同。 和 vO2 大小相等， 相位相同。 vo vO1 vO2 0 . 输入叠加信号时,总输出电压 vo =vod voc vod
抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波
动，都将使集电极电流产
生变化。且变化趋势是相 同的， 其效果相当于在两个 输入端加入了共模信号。
I D2 I D3 I D4
W2 / L2 I REF W1 / L1 W3 / L3 I REF W1 / L1 W4 / L4 I REF W1 / L1
6.1.2 FET电流源
3. JFET电流源
(a) 电路
(b) 输出特性
end
6.2 差分式放大电路
6.2.1 差分式放大电路的一般结构 6.2.2 射极耦合差分式放大电路 6.2.3 源极耦合差分式放大电路
vid vi2 = vic 2
两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分。
共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分
6.2.1 差分式放大电路的一般结构
2. 有关概念
③ 差模信号和共模信号的增益
vod =vo1 vo2 两信号的差值差模输出信号 1 voc = (vo1 vo2 ) 2 两信号的算术平均值共模输出信号
抑制零点漂移原理
这一过程类似于分压式射 极偏置电路的温度稳定过程。
所以，即使电路处于单端输出
方式时，仍有较强的抑制零漂 能力。
差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
差分放大电路
电路完全对称的理想情况：
vo AVD (vi1 vi 2 )
差模电压增益
vi1 vi2
线性放
大电路
vo
差模信号 vid
集成电路按 其功能分
数字集成电路 模拟集成电路 集成运算放大器；集成功率放大器； 集成高频放大器；集成中频放大器； 集成比较器；集成乘法器；集成稳压 器；集成数/模或模/数转换器等。
模拟集成 电路类型
集成运算放大电路概述
集成运算放大电路：
高增益的多级直接耦合放大电路 . 问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算
1. MOSFET镜像电流源
I O I D2 I REF VDD VSS VGS R
当器件具有不同的宽长比时
W2 / L2 IO I REF （=0） W1 / L1
ro= rds2
MOSFET基本镜像电路流
6.1.2 FET电流源
1. MOSFET镜像电流源
用T3代替R，T1~T3特性相同，
因左右两个放大电路完全对称，所以在没有信号情况下，即 输入信号vi=0时，vo1=vo2，因此输出电压vo=0，即表明差分放大 器具有零输入时零输出的特点。当温度变化时，左右两个管子的 输出电压vo1、vo2都要发生变动，但由于电路对称，两管的输出 变化量（即每管的零漂）相同，即△vo1=△ vo2，则vo =0，可见 利用两管的零漂在输出端相抵消，从而有效地抑制了零点漂移。
机电工程学院
肖林荣
6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术
6.2 差分式放大电路
6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器 6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路 的影响 6.6 变跨导式模拟乘法器 6.7 放大器中的噪声和干扰
集成运算放大电路概述
集成电路IC (Integrated Circuit)： 将整个电路中的元器件制作在一块硅基片 上，构成特定功能的电子电路称为集成电路。
A1和A3分别是T1和T3的相对结面积
动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高
6.1.1 BJT电流源电路
＊ 4. 组合电流源
通过一个基准电流稳定多个三
极管的工作点电流，即可构成多 路电流源。图中一个基准电流IREF 可获得多个恒定电流 IC2、IC3。 T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF T1和T2、T4和T5构成镜像电流源 T1和T3，T4和T6构成了微电流源
集成运算放大电路概述
二、集成运放的内部组成框图及其外形图 + vid
输入级 中间级 输出级
vo
偏置电路
本章重点和考点：
1.集成电路的特点。
2.偏置电路（电流源）的作用、分类。 3.差分式放大电路原理及其性能指标的计算。
4. 定性介绍LM741集成运算放大器.
6.1 模拟集成电路中的 直流偏置技术
6.1.1 BJT电流源电路
2. 微电流源(常用) --在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。
IO IC2 I E2
VBE1 VBE2 VBE Re2 Re2
引入Re使 VBE2 < VBE1，且 IC2 << IC1
由于 V 很小(几十mV)， BE
所以IC2也很小。 IC2可降至A量级的微电流源 Re2 ro≈rce2（1＋ ）
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源--是由三极管电流源演
变而来的(电流镜 Current Mirror)。 T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2
T1“Vce=Vbe≈0.7V”，是一种特殊工作状态 （方式）---临界饱和 。发射结要正向偏置， 集电结要反向偏置，此时即为放大状态。
1. 基本电路组成
电路组成： 由两个共射级电路组成,如图所示。 特点：电路对称，射级 电阻共用，或射级 直接接电流源（大 的电阻和电流源的 作用是一样的）有 两个输入端，有两 个输出端.
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
2. 电路工作原理
(1)静态分析( vi vi1 = vi2 0 )
I C1 = I C2
差分式放大电路是模拟集成电路中又一重要单元.
6.பைடு நூலகம்.1 差分式放大电路的一般结构
1. 用三端器件组成的差分式放大电路
vi1 , vi2
基本差分式放大电路是由两个完全对称的单管放大器组成。图中两个管子及 左右相对应的电阻其参数基本一致。 vi1 , vi2 分别加到两管的基极，经过放大后获 得输出电压，两管集电极输出电压之差 vod =vo1 vo2
1. 直接耦合放大电路
可以放大直流信号 # 为什么一般的集成运 算放大器都要采用直接 耦合方式？
2.直接耦合放大电路 电源电压波动 的零点漂移 也是原因之一
零漂： 输 入 短 路 时 ， 输 出仍有缓慢变化 的电压产生。
主要原因： 温度变化引起，也称温漂。
•采用直接耦合必须处理好抑制零点漂移这一关键技术。
6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源 动态电阻
i C 2 1 ro ( ) vCE 2 rce
电流源的特点 端口电流恒定，直流电阻小R==u/i,
IB 2
一般ro在几百千欧以上
交流等效电阻大R=∆u/∆i。
当R取 几k 时， IREF 为mA量级 Io较大,适用于较大工作电流的场合.
vod Avd = vid voc Avc = vic
差模电压增益
共模电压增益
总输出电压 vo =vod voc
其中 vod ——差模信号产生的输出
voc ——共模信号产生的输出
Avd vid Avcvic Avd 共模抑制比 K CMR = Avc 反映抑制零漂能力的指标
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
且工作在放大区，当=0时，输出
电流为
I D2
2 (VGS2 VT2 ) 2 (W / L) 2 K n K n 2 (VGS2 VT2 ) 2
常用的镜像电流源
6.1.2 FET电流源
2. MOSFET多路电流源
I REF I D0 K n0 (VGS0 VT0 ) 2