Download
1 / 80
820 likes | 997 Views
模拟电子线路. Analog Circuits. 南通职业大学 电子工程系 : 杨碧石. 在半导体制造工艺的基础上，把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（ Integrated Circuits ，简称 IC ）。它的体积小，而性能却很好。自 1959 年世界上出现第一块集成电路至今，只不过四十年时间，但它已深入到一切产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。.
E N D
模拟电子线路 Analog Circuits 南通职业大学 电子工程系:杨碧石
在半导体制造工艺的基础上，把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（Integrated Circuits，简称IC）。它的体积小，而性能却很好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，只不过四十年时间，但它已深入到一切产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。 集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路是工业的“食粮”和“原油”。
第四章 集成运算放大电路 4．1集成放大电路的特点 集成电路（Intergrated Circuit 简称IC) 实质：是一个高增益的多级直接耦合（差动放大）放大电路。 与分立元件电路比较具有：体积小、重量轻、耗电省、成本低、可靠性高等优点。 一、分类： 1、按功能：数字IC模拟IC 模拟IC：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A/D和D/A转换器、集成锁相环。 2、按有源器件：双极型单极型
集成电路的种类很多，分类方法有以下几种： 1．按集成度的高低，如上所述，集成电路可分为小规模、中规模、大规模和超大规模四类。 2．按导电类型的不同，集成电路可分为双极型（即BJT型）集成电路和单极型（即MOS型）集成电路。 3．按功能的不同，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路又可分为线性集成电路和非线性集成电路。 线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系，例如集成运算放大器（简称集成运放或运放）。由于集成运放具有通用性和灵活性强、成本低、品种多等特点，因此已成为线性集成电路中应用最为广泛的一种集成电路。该电路为本章讨论的重点。
二、特点 1、在集成工艺下，元器件参数精度不高，但对称性好，适宜做差动放大电路。 2、集成电路不适于制造大于几十皮法以上的电容和电感，故电路间采用直接耦合。 3、在集成电路中，制造三极管（NPN）比制造大电阻和二极管方便。所以常用三极管代替大电阻、二极管。 4 4、集成电路中的PNP三极管一般做成横向的。所以β很低≤10 ， 这时β≠β+1。
三、集成电路的封装形式 圆壳式 双列直插式 扁平式 单列直插式 菱形式
4.2集成运放的基本组成 集成运放是一种高放大倍数的直接耦合放大器。由于最初这种器件主要用于模拟计算机中实现数值运算，所以称为运算放大器。尽管目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍保留了运放的名称。 集成运放的发展经历了第一代至第四代，其性能越来越好。目前集成运放仍在不断发展，其方向是更低的漂移、噪声和功耗，更高的速度、放大倍数和输入电压，以及更大的输出功率等。
集成运放基本组成 集成运放的内部组成框图如图所示，它主要由输入级、中间级和输出级组成的。输入级主要由差动放大器构成，以减小运放的零漂，它的两个输入端分别与输出成同相或反相关系，即分别为同相输入端和反相输入端。中间级由一级或两级有源负载放大器构成，以提高运放的输出功率和带负载能力。
输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。 电路形式：采用具有恒流的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。 中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。 电路形式：带有恒流源负载的共射电路，Au高达几千倍以上。
输出级：与负载相接。 要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。 电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流。 电路形式：各种恒流源组成。
一、偏置电路 1、镜像电流源（又称电流源）（电路图见书193页） T0、T1完全对称 UBE0=UBE1（均记作UBE） 故IB0=IB1=IB，IC0=IC1，则 IREF：参考电流或基准电流， IC1：输出电流，当>>1时，有IC1 ≈ IREF 由于T0的基极和集电极相连，故：
由上式可以看出，当VCC、R确 定值时，IREF就确定了，因此IC1也 随之而定。电路如同一面镜子， IREF在“镜子”里所成的“象”为IC1， 故称为镜象电流源。 这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。（如F007中：T8，T9和T12，T13）
2.比例式电流源电路 如果要求电流源输出电流与参 考电流保持一定的比例关系，则可 采用比例式电流源电路，它可由三 极管或场效应管组成。 三极管比例式电流源电路如图所示。
可以看出，当较大时， IE0≈IC0≈IREF，IE1≈IC1。因此 当Re1与Re0相差不太大时，可以认为UBE1≈UBE0，则有 IE1Re1≈IE0Re0≈IREFRe0
可见，只要改变Re0与Re1比例，就可得到与IREF不同比例的IC1，这也是得名比例式电流源电路的原因。由于Re1的存在，比例式电流源电路的输出电阻远大于rce1。可见，只要改变Re0与Re1比例，就可得到与IREF不同比例的IC1，这也是得名比例式电流源电路的原因。由于Re1的存在，比例式电流源电路的输出电阻远大于rce1。 比例式电流源电路也可用场效应管来组成，其电路结构梢有不同。
3.微电流源电路 镜象电流源电路只适用于输出电流IC1较大（毫安级）的场合，若要求输出电流小（例如微安级），则R的值很大难于集成。例如，要求IC1=10A，若VCC=15V, 则R≈1.5M。解决的办法是采用如图所示的微电流源电路。
在图中，当较大时，IC1≈IE1， IC0≈IE0，IC0≈IREF即IE0≈IREF 。当R不 是很大时，T0管正常导通，IC0或IE0较大 （毫安级），UBE0为正常的导通压降 （约0.7V左右）。由于Re1的接入，则 UBE1 = UBE0－IE1Re1≈UBE0－IC1Re1， 从而使UBE1减小，因此当Re1较大时， T1管只能处于微导通状态，即IC1<< IC0， 其值很小，一般为A级。
二、差动放大输入级 差动放大的指导思想：是利用参数匹配的两个三极管组成对管对称形式的电路结构，进行补偿，达到减少温度漂移的目的。
（ 一）．基本差动放大电路 如前所述，由于集成电路制造工艺的限制，集成运放内部必须采用直接耦合放大电路。而对于直接耦合放大电路，必须采取措施来抑制零漂。例如，采用高稳定度的稳压电源来抑制电源电压波动引起的零漂；采用恒温系统来消除温度变化的影响等。但是，更主要的是从电路形式的改进来抑制由于半导体管受温度影响而变化引起的零漂，例如，采用负反馈的方法来稳定静态工作点，或采用温度补偿的来稳定静态工作点等，但最常用的是用三极管进行补偿——这就是构成差动放大器的指导思想。
基本差动放大器如图所示， T1、T2特性相同；Rb1=Rb2=Rb ，Rc1=Rc2=Rc 。 对称电路，有两个输入端和两个输出端。 由T1和T2构成的单管放大电路的静态工作点和电压放大倍数等均相同。
实验[4-2-1]基本差动放大电路性能的测量 实验线路：如图所示基本差动放大电路。 图中，Rb1、Rb2为51kΩ电阻与470kΩ电位器相串联组成，Rc1、Rc2为1kΩ， T1、T2为S9013。
（1）接入VCC = +20V，调节Rb1、Rb2（RW），使UCE1 = UCE2 = 10V； （2）保持步骤（1），用数字万用表（20mV档）测量uo值，微调Rb1，使uo =0（即调零）； （3）保持步骤（2），用数字万用表测量uBE1和uBE2值（精确到有效位第三位），并记录： uBE1=V， uBE2=V； （4）保持步骤（3），调节Rb1、Rb2（RW），使uBE1和uBE2值均增大0.01V，即ui1 = ui2 =ΔuBE1=ΔuBE2=0.01V =10mV，此时的ui1与ui2大小相等、极性相同（称为共模信号）。用数字万用表测量此时uo值，并记录： uo=mV 此时的输入电压ui1和ui2记为uic ，输出电压uo记为uoc ，电压增益记为Auc ，则 uic =mV，uoc =mV，=；
（5）保持步骤（4），分别调节Rb1、Rb2（RW），使uBE1增大0.01V，而uBE2值则减小0.01V，即ui1 =ΔuBE1 =0.01V =10mV， ui2 =ΔuBE2=－0.01V =－10mV，此时的ui1与ui2大小相等、极性相反（称为差模信号）。用数字万用表测量此时uo值，并记录： uo=mV 此时的输入电压ui1和ui2分别记为uid1和uid2，二者之差ui记为uid ，即uid = ui= ui1－ui2= uid1－uid2=2uid1，输出电压uo记为uod ，电压增益记为Aud ，则 uid1=mV，uid2=mV，uid =mV， uod =mV， =； Aud与Auc比值的绝对值记为KCMR，则 ； 实验结果表明，│Aud││Auc│（>>，≈，<<）或KCMR（>>1，≈1，<<1），即差动放大电路对差模信号的放大能力（远大于/基本接近于/远小于）对共模信号的放大能力。
设每个单管放大电路的放大倍数为Au1 ，在电路完全对称的情况下，有 （4.2.1） 式中，β为每管的电流放大系数。显然，uo1=Au1ui1 ，uo2=Au1ui2 ，则差动放大器的输出电压 uo = uo1― uo2= Au1 (ui1―ui2) （4.2.2）
uo = uo1― uo2= Au1 (ui1―ui2) （4.2.2） 上式表明，输出电压与输入电压之差成正比，差动放 大器因此而得名。 在没有信号输入时，ui1 = ui2 =0，则uo = uo1― uo2=0。 静态值UC1 = UC2 ，故uo = UC1―UC2=0，即静态时电路的 输出为零。 温度等外部因素的变化都只能使静态值UC1和UC2同时 增大或减小，但UC1与UC2始终相等，静态时电路的输出 电压uo仍为零，从而抑制了零漂。 （这种输出方式称为双端输出或对称输出）
1．工作原理 当两个输入端之间接有信号电压时（称为双端输入），由于电路对称，两管电路的输入电阻相等，因此对地而言，两管将分得大小相等、极性相反的输入电压，即ui1=－ui2=ui/2，如图所示。在这样的信号作用下，一管的输出电压升高，另一管则降低，且uo1=―uo2。又uo=uo1―uo2=2uo1，即差动输出电压比单管输出电压增加1倍，因此差动放大器的电压放大倍数 上式表明，差动放大器的输出电压虽然比单管放大电路的输出电压增大1倍，但输入电压也增大1倍，所以它与单管放大电路的电压放大倍数相同。可见，差动放大器以双倍元器件的代价来获得抑制零漂的能力。
2．差模输入和共模输入 如上所述，对于需要放大的有用信号和不需要的漂移信号（或干扰信号），差动放大器的反应截然不同。
对于有用信号，放大器的输入信号ui以大小相等、极性相反的形式加在两管的输入端，这种输入方式称为差模输入，并把大小相等、极性相反的一对信号称为两管的差模信号。两管的差模输入信号分别用uid1和uid2表示，显然ui1 =－ui2 =ui /2。差模输入时，ui1=uid1，ui2=uid2=－uid1，而电路的差模输入信号则为两管差模输入信号之差，即uid =uid1－uid2=2uid1=ui 。 在只有差模输入电压uid作用时，差动放大器的输出电压就是差模输出电压uod 。通常把输入差模信号时的放大倍数称为差模放大倍数，用Aud表示，即
或uod=Auduid。 显然，差模放大倍数就是通常所说的电压放大倍数，对于基本差动放大器，有 差模放大倍数Aud表示电路放大有用信号的能力。|Aud|越大，电路放大有用信号的能力越强。
对于由温度变化引起的两管输出漂移电压，因为电路对称，所以必然是大小相等，极性相同，则输入端的等效漂移电压也应该是大小相等、极性相同。因此，对于漂移电压，相当于以大小相等、极性相同的一对信号加在两管的输入端，这种输入方式称为共模输入，并把这样一对信号称为共模信号。两管的共模输入信号分别用uic1和uic2表示，显然uic1=uic2。对于由温度变化引起的两管输出漂移电压，因为电路对称，所以必然是大小相等，极性相同，则输入端的等效漂移电压也应该是大小相等、极性相同。因此，对于漂移电压，相当于以大小相等、极性相同的一对信号加在两管的输入端，这种输入方式称为共模输入，并把这样一对信号称为共模信号。两管的共模输入信号分别用uic1和uic2表示，显然uic1=uic2。
共模输入时，ui1=uic1，uic=uic1=uic2。在只有共模输入电压uic作用时，差动放大器的输出电压就是共模输出电压uoc ，通常把输入共模信号时的放大倍数称为共模放大倍数，用Auc表示，即 或 uoc=Aucuic 在电路完全对称情况下，基本差动放大器的uoc=0（指双端输出），则 Auc =0 共模放大倍数Auc表示电路抑制共模信号（如无用且有害的漂移信号）的能力。|Auc|越小，电路抑制共模信号的能力也越强。必须指出，由于差动放大器的两管电路不可能做到完全对称，因此实际上它的共模输出电压uoc≠0，则Auc≠0，但通常uoc和Auc都非常小。
当然，正常工作时有用信号不会以共模信号形式加到差动放大器的输入端，但在一般情况下，两管的输入信号ui1和ui2既不是差模信号，也不恰好是共模信号，这时它们之中就含有差模信号成分和共模信号成分，即此时ui1和ui2可表示为 ui1=uic+uid1 ui2=uic+uid2=uic－uid1 可得 uic=(ui1+ui2)／2 uid1=－uid2 =(ui1－ui2)／2
电路的差模输入电压 uid=2uid1=ui1－ui2 因此，当两管的输入信号为一对任意数值时，电路的共模输入信号为两输入信号的平均值，电路的差模输入信号为两个输入信号之差。 根据迭加原理，电路总的输出电压uo应为两种成分单独输入时的输出电压uod和uoc之和： uo=uod +uoc=Auduid +Aucuic。 由于通常uod >>uoc，故 uo=uod=Auduid
3．共模抑制比 差模放大倍数Aud和共模放大倍数Auc都是从一个侧面反映了差动放大器的性能。对于差动放大器，其放大有用的差模信号和抑制有害的共模信号的能力越强，即|Aud |越大、|Auc |越小，它的性能越好。因此，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比，用KCMR表示。它定义为
共模抑制比常用分贝数来表示 ） 显然，KCMR越大，输出信号中的共模成分越少，电路对共模信号的抑制能力就越强，在理想情况下，双端输出的简单差动放大器由于Auc =0，则其KCMR趋向无穷大。
基本差动放大器虽然在电路对称、且为双端输出时，有很好的抑制漂移电压作用，但每管对地的输出漂移电压依然很大。因此，当电路不完全对称时，抑制漂移电压的作用就差了；特别是需要单端输出（即从任意一管的集电极与地之间输出）时，电路对漂移电压没有任何抑制作用，此时Aud=Auc ，KCMR =1。因此，基本差动放大器必须加以改进。 （二）长尾式差动放大器
改进的方向是在不降低Aud的情况下，降低每管的输出漂移电压，即减小单端输出时的共模放大倍数。为此，可采用长尾的差动放大器，如图所示。图中，Rc1=Rc2=Rc，Rb11=Rb21=Rb1，Rb12=Rb22=Rb2。改进的方向是在不降低Aud的情况下，降低每管的输出漂移电压，即减小单端输出时的共模放大倍数。为此，可采用长尾的差动放大器，如图所示。图中，Rc1=Rc2=Rc，Rb11=Rb21=Rb1，Rb12=Rb22=Rb2。
1．工作原理 一种实用的长尾差动放大器如图所示，电路中接入－VEE的目的是为了保证输入端在未接信号时基本为零输入（IB、Rb均很小），同时又给三极管发射结提供了正偏。图中，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb。
由图可以看出，长尾差动放大器与基本差动放大器的关键不同之处在于两管的发射极串联了一个公共电阻Re（因此也称为电阻长尾式差动放大器），而正是Re的接入使得电路的性能发生了明显的变化。由图可以看出，长尾差动放大器与基本差动放大器的关键不同之处在于两管的发射极串联了一个公共电阻Re（因此也称为电阻长尾式差动放大器），而正是Re的接入使得电路的性能发生了明显的变化。
在差模信号作用下，T1和T2管的发射极电流 iE1、iE2一个增大，另一个减小，而且它们增减的数量相等，因此流过Re的电流iE =iE1+iE2保持不变，即Re两端的电压也保持不变。这样，对于差模信号而言，Re可视为短路，于是得到图所示的差模交流通路。可见，它与基本差动电路的交流通路基本相同，即Re的接入并没有减小差模放大倍数。
当加入共模信号时，T1和T2管的发射极电流 iE1、iE2同时增大或减小，而且变化量也相同，即iE1和iE2的交流分量（或变化量）ie1和ie2相等：ie1= ie2。于是流过Re的交流电流ie单管发射极交流电流ie1（或ie2）的两倍，即ie =ie1+ie2=2ie1，而Re上的交流压降ue= ieRe=2ie1Re 。对于每个管子来说，可以认为是ie1（或ie2）流过阻值为2Re的电阻造成的，于是可得到图所示的共模交流通路。
可见，这个电路在Re较大时对共模信号具有强烈的电流负反馈作用（反馈电阻为2Re），使得单端输出时共模放大倍数很低，则每管集电极对地的共模输出电压就很小。因此，射极耦合差动放大器能有效地抑制零漂，静态工作点得到稳定。显然，Re越大，这个电路抑制零漂的能力越强。可见，这个电路在Re较大时对共模信号具有强烈的电流负反馈作用（反馈电阻为2Re），使得单端输出时共模放大倍数很低，则每管集电极对地的共模输出电压就很小。因此，射极耦合差动放大器能有效地抑制零漂，静态工作点得到稳定。显然，Re越大，这个电路抑制零漂的能力越强。 总之，射极耦合差动放大器由于发射极公共电阻Re对共模信号的强烈负反馈作用和对差模信号没有任何反馈作用，使得共模放大倍数很低，而差模放大倍数仍比较高，因此比简单差动放大器的性能优越得多。例如，共模抑制比KCMR提高，单端输出时漂移电压也很小等
2．静态分析 由于两管电路参数对称，则静态发射极电流IE1=IE2，流过Re的电流IE=2IE1。类似于共模交流通路，对于每个管子来说，可以认为是IE1（或IE2）流过阻值为2Re的电阻，于是得到图所示的直流通路。 图5.2.4 直流通路
由图可以看出，负电源从地、发射极、2Re到它的负极形成直流电流，则由图可以看出，负电源从地、发射极、2Re到它的负极形成直流电流，则 若VEE>>UBE，上式可进一步近似为 式 则表明，差动放大器中Re有稳定电流的作用，且在Re一定的条件下，负电源决定了静态工作点电流，因此对负电源的稳定性提出了比正电源更高的要求。又 UE1=UE2=－UBE 于是可从上式得到 UCE1=UCE2=UC1－UE1=VCC－IC1Rc+UBE
3．差模输入时的动态分析 差模输入时，uid=2uid1=ui1－ui2。由于输出方式有两种，而且输出端一般接有负载RL ，因此，下面将分别予以讨论。
（1）双端输出 静态时UC1=UC2，即接上RL不影响放大器的静态工作点。 而当差模信号输入时，RL的中点相当于接地，故可画出接有RL时双端输出的差模交流通路，如图所示。 双端输出时的差模交流通路
由图可见，每管的交流负载R'L = Rc // (RL/2)，故差模放大倍数 式中，Au1为差模输入时单管电路的电压放大倍数。差模输入电阻Rid为从图的两个输入端看进去的等效电阻，实际上它就是通常所说的输入电阻Ri ，不难看出 Rid=2rbe 输出电阻 Ro=2Rc
（2）单端输出 设射极耦合差动放大器是从T1集电极与地之间输出信号的，则RL接在T1集电极与地之间，此时电路的静态电流不变，但静态电压有所变化，其差模交流通路如图所示。 单端输出时的差模交流通路
由图可以得到差模放大倍数 式中，交流负载R'L = Rc // RL。差模输入电阻 Rid=2rbe 即Rid与双端输出时相同。输出电阻 Ro=Rc 注意： T1管输出，Aud1＜0， T2管输出，Aud2＞0，即
4．共模输入时的动态分析 （1）双端输出 由于双端输出、共模输入时电路对称，总有uc1=uc2 ，故接在两管集电极之间的负载RL没有电流流过，可视为开路。 （2）单端输出
