电子科大课堂讲义模拟电路第5章.PPT

《电子科大课堂讲义模拟电路第5章.PPT》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子科大课堂讲义模拟电路第5章.PPT（103页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第五章 模拟集成单元电路 5-1 概述 1、集成电路中的元器件特性（1）元器件相对误差小，绝对误差大；（2）电阻、电容数值有限；（3）无法集成电感；（4）制做器件比制做元件容易，且占用芯片面积最小；（5）NPN型管比PNP型管制做容易，且PNP管受限。,模拟集成电路中的几种单元电路5-2 恒流源一、电路功能（1）作各级的偏置电路（2）作有源负载,2、集成电路特点（1）采用直接耦合方式（2）输入级电路采用差动放大电路以抑制零点漂移；（3）各级偏置电路采用电流源（恒流源）；（4）用有源负载代替电阻负载。,二、恒流源模型和恒流源电路原理,实现恒流源的电路原理（1）固定基流恒流源 此时ro0.5rce

2、,（2）固定发射结电压恒流源 此时rorce,（3）加射极电阻的恒流源,rorce,三、模拟IC中的恒流源（实用恒流源电路）1、基本镜象恒流源（属于UBE固定的恒流源）,电路形式,IC2：恒流源提供的偏置电流IR：参考电流,推导IC2与IR关系：,当,当不大时，IC2的镜象精度较差，可采用2、带共集管的镜象恒流源,IC2与IR关系：,内阻 ro=rce2,为提高电流源ro 及减小基区宽度调制效应对电流精度的影响，改进电路为,3、微电流恒流源（IC2IR）,电路形式,推导IC2与IR关系式,4、比例电流源,电路形式,作业：5-1，5-2,5、作有源负载的恒流源,电路形式,等效电路,交流通路,练习

3、1（单选）如图两电流间关系是（）（1）Io1Io2（2）Io1Io2（3）Io1Io2,Io1Io2,练习2（多选）电路（）（1）称为基本镜象恒流源（2）称为比例恒流源（3）Io=0.5mA（4）Io=1mA（5）Io=2mA,比例恒流源；Io=0.5mA,练习3 电路中T1T3均为Si管，求IC1。（1）,解：T2、T3、Rr构成基本 镜象电流源，作有源负载。IC2=IR 又IC1=IC2 IC1=IR由KVL：UBE3+IRRr=15+15,练习4：设计一个微电流输出的电流源，若 VCC=15V，R=19k，要求输出电流IC2=10A，R2应选多大，若IC2=0.1mA，R2又为多大？,解

4、：采用微电流源。,IC2=10-2mA,R2=11.2kIC2=10-1mA,R2=520,直接耦合放大电路最主要的问题是零点漂移，而且以第一级的零漂影响最大，为此IC在输入级采用差动放大电路以抑制零漂。,5-3 差动放大电路,抑制原理：（1）利用电路结构及元件参数的对称性；（2）利用发射极电阻的负反馈作用 来抑制零漂。,一、差动放大电路特点和性能指标1、电路组成（长尾式差动放大电路）,要求T1、T2参数对称，元件对称，电路对称。差放电路有两个对地输入端（b1、b2）；两个对地输出端（c1、c2）。,故有两种输入方式 单端输入：从一个输入端与地之间输入 双端输入：从两个输入端浮地输入 两种输出

5、方式 单端输出：从一个输出端与地之间输出 双端输入：从两个输出端浮地输出共有四种组合方式 双入双出：（a）图 双入单出：（b）图 单入双出：（c）图 单入单出：（d）图,2、差模信号与共模信号,定义差模信号：一对大小相等、极性相反的输入信号。用uid表示差模输入电压，并设两管输入信号电压 分别为 us1、us2，,它们为一对差模信号，即 uS1=uid1=uid，uS2=uid2=-uid。,当 us1=-us2 即,定义共模信号：一对大小相等、极性相同的输入信号。用uic表示共模输入电压，当us1=us2=uic时，为一对共模信号。,对任意两输入信号us1、us2（uS1uS2），可认为它们

6、是某差模信号分量和某共模信号分量的组合：,从而解出,差模输入电压分量：共模输入电压分量：,图（a）共模输入（并联输入）（b）差模输入（双端浮动输入）方式。,（2）差模输入电阻,（1）差模电压增益 分为Aud（双出），Aud（单出）,3、差动放大电路性能指标,（3）共模电压增益,（4）共模输入电阻,（5）共模抑制比,二、差动放大电路的分析方法和工作特点1、静态Q点求解(us1=us2=0)由IEUCE（或UC）,由于电路对称,元器件对称，故两管对应的电流电压对称,只需对半边电路列方程求解。,（1）画出直流通路，标出各管电流、电压；（2）对一半电路(直流通路)列电路方程求解。,uS1=uS2=0（

7、不作用）,工程估算法：若令UB1=0，则UE1=-UBE，可直接求出上式。对输出回路：UCE1=UCE2=UCC+UEE-IE(RC+2Rcm)或 UC1=UC2=UCC-ICRC,2、动态特性分析（1）对差模信号的放大特性 差模输入电压Uid 加在两管输入端（双端输入）,两管各分得一大小相等、极性相反的差模信号。,公共电阻Rcm、RL对差模信号的等效：Uid引起两管电流、电压的变化是大小相等，极性相反（a）Rcm对差模信号短路；（b）交流地电位在RL处。,得差模等效电路（VEE、VCC对信号短路）,由半边小信号等效电路,Rod（双出）=2RC,差模半边等效电路,对单端输出,Au（半）=,若从

8、C2单端输出，仅Aud（单出）改变符号，其余均不变。结论：差动电路对差模信号的放大能力强。,c1,（2）对共模信号的抑制特性,公共电阻Rcm、RL对共模信号的等效：共模信号引起两管电流、电压增量的大小、极性相同，（a）Rcm对共模信号相当于2Rcm；（b）RL两端等电位（电压为零）。,故双端输出的共模信号为零，利用对称性抑制了共模信号。,AC（单出）的求解先画共模交流等效电路（VCC、VEE仍为短路处理）：,再画共模半边等效电路,AC（单出）=,可见由于2Rcm的存在，使Au（单出）很小，即抑制了单端输出的共模增益。归纳：差动放大电路依靠对称性抑制了双端输出的共模信号，依靠发射极电阻Rcm抑制

9、了单端输出的共模信号。,3、差放电路能放大有用信号而抑制零点漂移的原因,由于差放电路能区别对待差模信号（放大）共模信号（抑制），故放大有用信号要以差模方式输入（对地浮动输入）或者单端输入；而零点漂移可等效为共模信号输入。共模抑制比（KCMR）是专门表征差放电路这一性能的指标，其值越大，差放电路性能越好。差放电路正是利用比单管电路多一倍的元器件为代价，换来了抑制零点漂移的能力。,1、抑制原理 电路区别对待差模、共模信号（有用信号、零漂），利用对称性和射极电阻抑制零漂。,小结,Au（半）=,或Au（半）=,（1）画出差模等效电路（VCC、VEE、Rcm短路）；（2）画出对应差模半边电路的小信号等效

10、电路；（3）根据输出（双出、单出）写出Au（半）定义式并求解；,2、差模增益Aud的求解,（4）根据Aud（双出）、Aud（单出）定义式与u（半）的关系求出Aud。对Aud（单出）符号的确定方法：同一管输入、输出时，Aud（单出）为负；不同管输入、输出时，Aud（单出）为正。,（1）画出共模等效电路（VCC、VEE短路，各管射极电阻为2Rcm）；（2）画出对应的共模半边小信号等效电路；（3）求解此时的Au（半）；（4）Auc（单出）=Au（半）且符号与输出端无关。,2、共模增益Auc（单出）的求解（KCMR）,（3）Ui1=5mV，Ui2=1mV时从c1输出的电压Uo1；（4）接射极调零电位器

11、（Rw=200欧）滑动端在中间位置时的Ad（单）。,Ui1、Ui2为一对差模输入信号，求下列问题：(1)求Ad（双出）；(2)从c1输出时的Ad（单出）；,例题：已知,解：(1)Ui1=Uid，Ui2=-Uid Uid=Ui1-Ui2,若从C2单端输出，则Ad(单出)变号。,(2)Ad(单出),AC(单出)=,(3)此时为任意输入，将Ui1、Ui2分解，Uid=Ui1-Ui2=5-1=4mV；Uic=(Ui1+Ui2)=3mV；Uoc(单出)=Uoc1+Uod1=Ac(单出)Uic+Ad(单出)Uid=(-0.732)3+(-83.3)4=-335.4mV=-0.335V,共模抑制比,（4）此

12、时电路为,差模半边小信号等效电路,差模半边小信号等效电路,5-4 功率输出级实用放大电路一般结构框图,工作任务 放大电压信号 放大信号功率工作范围 小信号 大信号分析方法 微变等效电路法 图解法或折线模型管子工作状态 甲类 甲乙类 分析内容 Au、Ri、Ro Pom、效率、PCM、及频率响应 BUCEO、及失真度,比较：电压放大器 功率放大器,1、特点（1）要求输出功率Po尽可能大Pomax（2）具有较高效率,一、功率放大器的特点、指标和分类,（3）尽量减小非线性失真（4）保证功放管使用安全和采取散热措施 要求：PcmaxPCM；UCEmaxBUCEO；IcmaxICM,2、功率放大器的分类按

13、功放管静态Q点位置可分为：甲类 乙类 甲乙类 丙类,甲类：Q点选在输入特性曲线直线部分，在Ui整个周期内，管子处于导通。缺点：效率低（理想的omax50%）。,乙类：Q点选在输入特性截止点，只在Ui正半周 管子导通。,效率max78.5%,甲乙类：Q点选择比乙类稍高、低于甲类位置，在Ui大半个周期管子导通。,丙类：Q点选在输入特性截止点左边，只在Ui正半周部分时间内管子导通。,四种工作状态中，甲类功放的效率最低，丙类最高。三极管的静态电流造成了电路静态时的管耗，是影响电路转换效率的主要因素。管子导通时间越短，管子的功耗越小。,丙类用于高频大功率放大电路，而低频功率放大电路常用乙类或甲乙类。,功

14、率放大电路的主要作用：向负载提供足够大的功率，电源的利用率高，而不要求有很高的电压放大倍数；具有较低的输出电阻以增强带负载能力；有较高的输入电阻以减小对前级电路电压放大倍数的影响；,低频功率放大电路的引出,采用共C组态的放大电路、乙类偏置状态构成的互补对称电路可实现上述要求。,二、双电源互补推挽乙类功率放大器1、原理性电路 电路形式 要求：T1、T2为参数对称的异型管（特性互补）,静态时 Ue=0,每管为共C组态,工作原理：Ui正半周Ui0.6V时，T1导通，T2截止，Uo=iE1RL0（正半周）；Ui负半周Ui-0.6V时，T2导通，T1截止，Uo=-iE2RL0（负半周）；故输出合成一完整

15、正弦波形。,ui正半周T1导通,Ui负半周T2导通,无论T1 或 T2 导电，放大电路均工作在射极输出器状态，故输出电阻低（带负载能力强），输入电阻高（对前级影响小）。,电路缺点：存在交越失真。,改进：T1、T2管由零偏（乙类）微导通(甲乙类),2、实用双电源互补推挽功放电路（OCL电路）即output capacitorless：无输出电容的功放电路,电路特点：(1)有偏置电路(R,D1,D2)(2)两组直流电源供电，(3)静态时UE1=UE2=0 UCE1=UCC=UEC2,提供功放管微导通的偏置电路形式有多种,3、功放电路交流指标估算(图解分析法)（按乙类状态分析，对甲乙类仍适用）,最大

16、不失真输出功率,满激励时，UomUCC-UCES；Icm=(UCC-UCES)/RL,两电源提供(消耗)的最大功率,效率,乙类功放输出幅度越大，越高。,即理想情况下最大效率,满激励时，IcmVCC/RL，=max,最大平均管耗（每只）,4、功放管的选择(1)当电路指标一定，选管应：,(2)当管子选定，电路设计 应遵循：,三、单电源互补推挽功放电路（OTL功放）,电路特点：（1）单电源供电（2）射极接大电容（3）静态UE1=UE2=UCC UCE1=UCE2=UCC,交流指标的估算：只要用UCC代替OCL电路中有关公式中的UCC，就可得到相应的OTL功放指标。,例1 OCL、OTL电路如下，设E

17、C=20V，RL=16欧 UCES=2V，分别估算两电路最大输出功率Pomax。,OCL电路较OTL电路应用更广，集成电路中的功放电路均采用OCL电路；相同的电路参数OCL电路的Pomax大于OTL的 Pomax。,对比 OCL OTLPom PV UBR(CEO)2VCC VCC ICM VCC/RL VCC/2RL,故当Po=41%Pomax时，管耗最大，结温最高。,（3）由Pomax公式，使用4欧负载输出功率大。,故增加功率为0.21Pomax，即210/0Pomax。,（2）已知U CC=1.1UCC，,练习 互补对称功放电路为（）电路，T1为（）管，T2为（）管，T1、T2为（）极输

18、出，每管Ucemax=（）V，电路 Pomax=（）W，两管工作在（）类工作状态，选管应满足 PCM（）W，BUCEO（）V，ICM（）A,复合管（达林顿管）：是由两只或两只以上管子连接 在一起组成。采用复合管可提高管子值及改变管子类型。复合管的：为两管的乘积=12 类型：由前面管子类型决定；功率：由后面管子功率决定；,四、复合BJT及准互补功放电路,内部电极相连处不能有电流流向的冲突；外电流必须为两电极电流之和；复合功放管时，小功放管在前，大功放在后。,复合原则：,(1)同类型管复合举例,(2)不同类型管复合举例,例1 四种复合管中,()不合理，标出合理复合管的类型及各极。,解：(a)IE1

19、与IB2方向矛盾，该复合不正确。(b)合理，为PNP型管，各极与前面管子各极对应。,(c)IC1与IB2方向矛盾，不正确。(d)从外电流要求可判定电流不合理,复合不正确。,例2 四种复合管中，（）不合理，标出合理复合 管的类型及各极。,解：图(c)(d)不合理，(a)为NPN型；(b)为PNP型。,复合管的电流放大倍数、输入电阻：,复合管的电流放大倍数=12复合管的输入电阻 rbe=rbe1+(1+1)rbe2（同型管复合）=rbe1(异型管复合）,采用复合管的互补对称功放称为准互补功放电路。功放电路中采用复合管原因：(1)难找两个特性完全对称的大功率异型管。(2)当要求功放前置级提供很大的驱

20、动电流时。,采用复合管的OTL电路,例(1)Ui=0时，A点电位为多大？(2)VCE3=VCE5=3V,Pom=?=?(3)BJT的极限参数应如何选择?,解(1)UA=10V,(2),(2),(3),例 采用复合管的恒流源差放电路，求：Rid，Rod，Aud。,复合管等效电流放大系数,复合管等效电阻,电路输出电阻,输入电阻,电压放大倍数,1、功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解 法进行分析。研究的重点是如何在允许的失真情 况下，尽可能提高输出功率和效率。2、有四种工作状态的功率放大电路：甲类、乙类、甲乙类和丙类。,小结：,3、与甲类功放电路相比，乙类互补对称功放电路主 要优点是效率高，理想=78.5%。工作时，器件 极限参数须满足PCMPT10.2Pom，BVCEO 2VCC，ICM VCC/RL。,4、由于BJT输入特性存在死区电压，乙类工作状态 的互补对称功放电路将出现交越失真，克服的方 法是采用甲乙类互补对称电路。5、在单电源互补对称电路中，计算Pom、PT、PV，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但 要以VCC/2，代替原公式中的VCC。,