康华光-电子技术基础(第六版)模拟部分ch07.ppt
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电子技术基础,模拟部分(第六版),电子技术基础模拟部分,1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源,7模拟集成电路,7.1模拟集成电路中的直流偏置技术7.2差分式放大电路7.3差分式放大电路的传输特性*7.4带有源负载的差分放大电路7.5集成运算放大器7.6实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响7.7变跨导式模拟乘法器7.8放大电路中的噪声与干扰,7.1模拟集成电路中的直流偏置技术,7.1.1FET电流源电路7.1.2BJT电流源电路,7.1.1FET电流源电路,1.MOSFET镜像电流源,T1、T2的参数全同,只要满足VGSVTN,必有VDS1VGS-VTN,T1一定工作在饱和区,又因为VGS2=VGS1=VGS,T2漏极接负载构成回路后,只要满足VDS2VGS-VTN,就一定工作在饱和区,且有,7.1.1FET电流源电路,1.MOSFET镜像电流源,再根据,便可求出电流值,IO的电流值与Rd无关,Rd的值在一定范围内变化时(VDS2VGS-VTN),IO的电流值将保持不变,反映出IO的恒流特性。
7.1.1FET电流源电路,1.MOSFET镜像电流源,当器件具有不同的宽长比时,(=0),动态电阻(交流电阻),电流源是双口网络还是单口网络?
7.1.1FET电流源电路,用T3代替R,T1T3特性相同,1.MOSFET镜像电流源,T1T3便可工作在饱和区,由于,所以,只要满足,输出电流为,7.1.1FET电流源电路,动态电阻更大,恒流特性更好,2.串级镜像电流源,需要注意,T4漏极接负载构成回路后,需要满足,7.1.1FET电流源电路,3.组合电流源,除宽长比外,T0T3特性相同,T4、T5特性相同,需保证所有管子工作在饱和区,7.1.1FET电流源电路,4.JFET电流源,JFET是耗尽型管,所以VGS=0时工作在饱和区,耗尽型MOS管也可采用类似的方式构成电流源,7.1.2BJT电流源电路,Rc的值在一定范围内变化时,IC2的电流值将保持不变,反映出IC2的恒流特性。
T1、T2的参数全同,1.镜像电流源,7.1.2BJT电流源电路,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,1.镜像电流源,7.1.2BJT电流源电路,其他形式,1.镜像电流源,7.1.2BJT电流源电路,所以IC2也很小。
rorce2
(1),(参考射极偏置共射放大电路的输出电阻),2.微电流源,7.1.2BJT电流源电路,3.高输出阻抗电流源,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高,7.1.2BJT电流源电路,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,4.组合电流源,7.2差分式放大电路,7.2.1差分式放大电路的概述7.2.2FET差分式放大电路7.2.3BJT差分式放大电路,1电路结构,差分放大器,又称差动放大器,广泛应用于集成电路中。
它是由两个对称的共源放大器通过源极电阻RSS相耦合而组成的。
7.2.1差分放大器概述,基本电路,2性能特点,差模信号,两输入端作用着数值相等、极性相反的输入信号电压,即vi1=-vi2,则称它们为一对差模输入信号;表示为:
vid=vi1-vi2;输出:
vo1,vo2,vo=vo1-vo2,若设差分放大器的两输入端分别作用着数值相等、极性相同的输入信号电压,即vi1=vi2,则称它们为一对共模输入信号;表示为:
共模信号,vo=vo1-vo2=0,实际信号:
实际加到差分放大器两输入端的信号电压往往为任意信号,它们既不是差模信号,又不是共模信号,差分放大器输出信号也可以分为共模信号和差模信号。
反映抑制零漂能力的指标,7.2.1差分放大器概述,4.零点漂移,输入信号为零时,输出电压不为零且缓慢变化的现象。
产生零漂的主要原因:
温漂指标:
(1)温度变化引起,也称温漂
(2)电源电压波动,温度每升高1C,输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。
7.2.1差分放大器概述,5.三端器件组成的差分式放大电路,7.2.2FET差分式放大电路原理分析,1.MOSFET电路组成,T1、T2对称源极共用电流源支路,7.2.2FET差分式放大电路,静态,2.静态工作原理,由,可求得VGSQ,最后需要校验是否工作在饱和区,7.2.2FET差分式放大电路,vi1和vi2大小相等,相位相反。
vO1和vO2大小相等,相位相反。
vO=vO1-vO20,信号被放大,3.动态工作原理,动态:
仅输入差模信号,7.2.2FET差分式放大电路,vi1和vi2大小相等,相位相同。
vO1和vO2大小相等,相位相同。
vO=vO1-vO2=0,双端无信号输出,2.工作原理,动态:
仅输入共模信号,实际上单端输出时也有很强的共模信号抑制能力,7.2.2FET差分式放大电路,温度变化和电源电压波动,都将使两个漏极电流产生变化,且变化趋势相同。
其效果相当于在两个输入端加入了共模信号,2.工作原理,抑制零点漂移原理,7.2.2FET差分式放大电路,
(1)差模情况,双入、双出,4.主要指标计算,vi1和vi2大小相等,相位相反iD1的增加量等于iD2的减小量(或者相反)流过源极公共支路的电流不变,即公共源极s电位没变化相当于s节点交流量为零,即vs=0,故得交流通路,双端输出接负载,7.2.2FET差分式放大电路,
(1)差模情况,双入、双出,3.主要指标计算,电路左右完全对称,相当于左右各带二分之一的接地负载,电压增益,等于单边电压增益,7.2.2FET差分式放大电路,
(1)差模情况,双入、双出,3.主要指标计算,单边小信号等效电路(=0),若0,其中,以双倍的元器件换取抑制零漂的能力,7.2.2FET差分式放大电路,
(1)差模情况,双入、双出,3.主要指标计算,输出电阻,由两个漏极之间看进去的等效电阻,输入电阻,由两个栅极之间看进去的等效电阻。
两个管子栅源极之间是串联结构,但由于栅极是绝缘的,所以输入电阻趋于无穷。
7.2.2FET差分式放大电路,
(1)差模情况,双入、单出,3.主要指标计算,输出电阻,漏极到地之间看进去的等效电阻,或,注意:
单端输出时,负载的接入将影响被接漏极的直流电位,(vo2输出时无负号),7.2.2FET差分式放大电路,输入等效变换,
(1)差模情况,单端输入,3.主要指标计算,根据叠加原理,左侧激励源置零后,等效于双端输入而左侧激励源对两输入端来说相当于共模信号vic,此处仅考虑差模信号,故差模情况等效于双端输入差模指标与双端输入时相同,7.2.2FET差分式放大电路,3.主要指标计算,
(2)共模情况,交流通路,vi1和vi2大小相等,相位相同id1和id2同时等量增加或等量减小流过源极公共支路的变化电流是单边的2倍,所以电流源内阻需要保留,公共源极s电位将明显变化,这与差模输入情况有本质的区别,7.2.2FET差分式放大电路,3.主要指标计算,
(2)共模情况,交流通路,可将源极公共支路等效到各自的源极,双端输出,共模信号的输入使两管漏极电压有相同的变化,理想情况下有,共模增益,7.2.2FET差分式放大电路,抑制零漂能力增强,单端输出,3.主要指标计算,
(2)共模情况,共模时,两边单端输出完全相同,其中,ro是电流源的输出电阻(内阻),若0,则还要考虑rds的影响(与Rd并联),共模时有单端输入和双端输入之分吗?
7.2.2FET差分式放大电路,双端输出,理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,3.主要指标计算,(3)共模抑制比,(Avd1和Avc1均有负号),7.2.2FET差分式放大电路,3.主要指标计算,(4)频率响应,差模增益的高频响应与共射电路相同,低频可放大直流信号。
由于公共源极上电流源的等效阻抗随信号频率升高而减小,所以共模增益将随频率升高而增大,则共模抑制比随之下降。
四种工作方式归纳比较见表7.2.1,7.2.3BJT差分式放大电路,1.电路组成,7.2.3BJT差分式放大电路,2.工作原理,静态,7.2.3BJT差分式放大电路,差模情况,双入、双出,双入、单出,单端输入等效于双端输入,输入电阻,(与MOS管最明显的差别),2.工作原理,7.2.3BJT差分式放大电路,2.工作原理,共模情况,双出,单出,输入电阻,其它指标与MOS管差分式放大电路类似,7.5集成运算放大器,7.5.1CMOSMC14573集成运算放大器7.5.2BJT型LM741集成运算放大器7.5.3BiJFET型集成运算放大器LF356,7.5.1CMOSMC14573集成运算放大器,1.电路结构和工作原理,引脚排列顶视图,7.5.1CMOSMC14573集成运算放大器,
(1)直流分析,已知VTN和Kp5,可求出IREF,根据各管子的宽长比,可求出其它支路电流。
2.技术指标分析计算,7.5.1CMOSMC14573集成运算放大器,
(2)小信号分析,设gm1=gm2=gm,输入级电压增益,2.技术指标分析计算,则,7.5.1CMOSMC14573集成运算放大器,Av2=vo/vgs7=-gm7(rds7|rds8),第二级电压增益,
(2)小信号分析,2.技术指标分析计算,7.5.2BJT型LM741集成运算放大器,原理电路,7.5.2BJT型LM741集成运算放大器,简化电路,7.5.3BiJFET型集成运算放大器LF356,简化电路,JFET差分式放大电路,BJT差分式放大电路,共集电极放大电路,复合管,过流保护电路,外接调零电阻,7.5.3BiJFET型集成运算放大器LF356,简化电路,很高的输入电阻,很低的输入偏置电流,高速、宽带和低噪声,7.6实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响,7.6.1实际集成运放的主要参数7.6.2集成运放应用中的实际问题,7.6.1实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性(输入失调特性),1.输入失调电压VIO,输入电压为零时,为了使输出电压为零,在输入端加的补偿电压。
一般约为(110)mV。
超低失调运放为(120)V。
高精度运放OP-117VIO=4V。
MOSFET达20mV。
2.输入偏置电流IIB,集成运放两个输入端静态电流的平均值,IIB(IBNIBP)/2,BJT为10nA1A;MOSFET运放IIB在pA数量级。
7.6.1实际集成运放的主要参数,3.输入失调电流IIO,输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差,即IIO|IBPIBN|。
一般约为1nA0.1A。
4.温度漂移,
(1)输入失调电压温漂VIO/T,
(2)输入失调电流温漂IIO/T,输入直流误差特性(输入失调特性),7.6.1实际集成运放的主要参数,差模特性,1.开环差模电压增益Avo和带宽BW,741型运放Avo的频率响应,开环差模电压增益Avo,开环带宽BW(fH),单位增益带宽BWG(fT),7.6.1实际集成运放的主要参数,2.差模输入电阻rid和输出电阻ro,BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200,而超高速AD9610的ro0.05。
3.最大差模输入电压Vidmax,差模特性,7.6.1实际集成运放的主要参数,共模特性,1.共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric,一般通用型运放KCMR为(80120)dB,高精度运放可达140dB,ric100M。
2.最大共模输入电压Vicmax,运放作为电压跟随器时,使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值。
高质量的运放可达13V。
7.6.1实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,1.转换速率SR,放大电路在闭环状态下,输入为大信号(例如阶跃信号)时,输出电压对时间的最大变化速率,即,若信号为viVimsin2ft,则运放的SR必须满足SR2fmaxVom,7.6.1实际集成运放的主要参数,2.全功率带宽BWP,运放输出最大峰值电压时允许的最高频率,即,SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标一般通用型运放SR在1V/s以下,741的SR=0.5V/s高速运放要求SR30V/s以上。
目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。
大信号动态特性,7.6.1实际集成运放的主要参数,电源特性,1.电源电压抑制比KSVR,衡量电源电压波动对输出电压的影响,2.静态功耗PV,1.电源电压范围,3.最大输出电流IOmax,2.最大耗散功耗PCO,极限参数,7.6.2集成运放应用中的实际问题,1.集成运放的选用,根据技术要求应首选通用型运放,当通用型运放难以满足要求时,才考虑专用型运放,这是因为通用型器件的各项参数比较均衡,做到技术性与经济性的统一。
虽然专用型运放某项技术参数很突出,但其他参数则难以兼顾,例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄,而高速型与高精度常常有矛盾,如此等等。
7.6.2集成运放应用中的实际问题,2.失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差,输入为零时的等效电路,解得误差电压,7.6.2集成运放应用中的实际问题,当时,可以消除偏置电流引起的误差,此时,当电路为积分运算时,,即换成电容C,则,时间越长,误差越大,且易使输出进入饱和状态。
引起的误差仍存在,7.6.2集成运放应用中的实际问题,3.调零补偿,(a)调零电路(b)反相端加入补偿电路,7.6.2集成运放应用中的实际问题,741中的调零电路,7.6.2集成运放应用中的实际问题,356中的调零电路,3.调零补偿,
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- 康华 电子技术 基础 第六 模拟 部分 ch07