清华大学电子工程系：《模拟电子技术基础》课程教学资源（教案讲义）第二章 模拟集成电路的基本单元电路（1/7）

模拟电子技术基础 电子工程系 李冬梅 2005年春季学期 绪论 课程的内容和任务 、教材与参考书 、教学方法 四、教学安排与规定 五、模拟电路的基本特点 六、符号规定

1 1 模拟电子技术基础 电子工程系 李冬梅 2005年春季学期 2 清华大学电子工程系李冬梅 绪 论 一、课程的内容和任务 二、教材与参考书 三、教学方法 四、教学安排与规定 五、模拟电路的基本特点 六、符号规定

绪论 课程的内容和任务 重要性 电子线路类型: 模拟电路 A+放大AD数字 数字电路 处理 数模混合电路 数模混合电路系统 课程内容 放大电路一一模拟电路的核心 A/D、D/A-一数模接口 脉冲波形的产生和处理一一数字电路基础 绪论 、课程的内容和任务(续) 模拟电路发展方向 高增益、低噪声、宽频带、低功耗 课程特点 主线:集成 挑战: 核心:放大 辅助工具:CAD 信息技术的飞速发展 课程的任务 掌握基本概念、方法 分析 打好三个基础: 正确{使用模拟集成电路 设计

2 3 清华大学电子工程系李冬梅 一、课程的内容和任务 „ 重要性 放大 数字 处理 D/A A/D 放大 A A 数模混合电路系统 绪论 „ 课程内容 „ 放大电路――模拟电路的核心 „ A/D、D/A――数模接口 „ 脉冲波形的产生和处理 ――数字电路基础 „ 电子线路类型: „ 模拟电路 „ 数字电路 „ 数模混合电路 4 清华大学电子工程系李冬梅 一、课程的内容和任务（续） „ 模拟电路发展方向 „ 高增益、低噪声、宽频带、低功耗 正确 分析 使用 设计 模拟集成电路 绪论 „ 课程特点 „ 主线: 集成 „ 核心: 放大 „ 辅助工具: CAD „ 课程的任务 „ 掌握基本概念、方法 „ 打好三个基础： 信息技术的飞速发展

绪论 、教材与参考书 教材 《电子线路基础》高文焕、刘润生 《模拟电路的计算机分析与设计 PSpice程序应用》高文焕、汪慧 参考书 Analysis and Design ofanalog Integrated circuits fourth edition PAUL R GRAY etc University of California, Berkeley 《电子技术基础》模拟部分3版康华光 《电子线路基础》2版高文焕、李冬梅 5 绪论 、教学方法 理论教学与cAD技术相结合 n加深对课堂内容的理解 n为日后电子自动化设计打下基础 讲课与自学相结合 讲一、练二、考三

3 5 清华大学电子工程系李冬梅 二、 教材与参考书 „ 教材 „ 《电子线路基础》 高文焕、刘润生 „ 《模拟电路的计算机分析与设计 ――PSpice程序应用》高文焕、汪慧 „ 参考书 „ Analysis and Design of Analog Integrated Circuits fourth edition PAUL R.GRAY, etc. University of California, Berkeley „ 《电子技术基础》模拟部分 3版 康华光 „ 《电子电路基础》2版 张凤言 „ 《电子线路基础》 2版 高文焕、李冬梅 绪论 6 清华大学电子工程系李冬梅 三、教学方法 „ 理论教学与CAD技术相结合 „ 加深对课堂内容的理解 „ 为日后电子自动化设计打下基础 „ 讲课与自学相结合 „ 讲一、练二、考三 绪论

绪论 四、教学安排与规定 ■作业:“教学计划”中习题每周一交 关于CcAD安推 考试:期中(第9周) 期末(17~18周 成绩:作业(20%),考试(80% 答疑:周一下午230~5:30中央主楼908 Te.81842(o) ■纪律:(上课、作业、考试) 绪论 五、模拟电路的基本特点 1.非线性器件特性的小信号线性化 小信号时, 用Q点处的切 线代替曲线, 在a、b之间可 看作线性器件

4 7 清华大学电子工程系李冬梅 四、教学安排与规定 „ 作业：“教学计划” 中习题 每周一交 关于CAD安排 „ 考试： 期中(第9周) 期末(17～18周) „ 成绩：作业(20%)，考试(80%) „ 答疑：周一下午2:30～5:30 中央主楼908 Tel. 81842（o） „ 纪律：（上课、作业、考试） 绪论 8 清华大学电子工程系李冬梅 五、模拟电路的基本特点 1. 非线性器件特性的小信号线性化 绪论 Q b a a’ b’ vD iD 0 小信号时， 用Q点处的切 线代替曲线， 在a、b之间可 看作线性器件 小信号时， 用Q点处的切 线代替曲线， 在a、b之间可 看作线性器件 清华大学电子工程系李冬梅

绪论 五、模拟电路的基本特点(续- 2.交、直流并存 ID DC:工作点 Q(D, Vp) R S YVP Q R Cvs 绪论 五、模拟电路的基本特点(续二) 3.近似分析计算方法 工程计算y= a-b 当a>b时, J 当a=5V b=06-08V时 b≈0.7 JD≈a-0.7

5 9 清华大学电子工程系李冬梅 五、模拟电路的基本特点（续一） 2. 交、直流并存 绪论 Q vD iD 0 VB 0 t vs 0 t VD VB ID vD 0 t b a D vs VB vD iD RS DC: 工作点 Q ( ID, VD ) DC: 工作点 Q ( ID, VD ) D D D I V R = D D D i v r ∆ ∆ = 清华大学电子工程系李冬梅 10 清华大学电子工程系李冬梅 五、模拟电路的基本特点（续二） 3. 近似分析计算方法 绪论 工程计算 c a b y − = 当 a >> b 时， c a y ≈ 当 a＝5V， b = 0.6~0.8V 时 c a y − 0.7 ≈ b ≈ 0.7V 清华大学电子工程系李冬梅

绪论 六、符号规定 常用的文字符号说明” i--含有直流分量的总瞬时值(总电流值 B--信号的直流分量(静态电流值) i---正弦信号的瞬时值(交流分量) Jbm-正弦分量的峰值(交流分量的最大值) 1=元21m-正弦分量的有效值(交流分量的有效值 i--正弦分量的复数表示(有大小,有方向) 第二章模拟集成电路中的 基本单元电路 21单管共射放大电路的组成及工作原理 22放大电路的分析方法 23频率响应的基本概念及单管共射放大电路的频 率响应特性 24共集放大电路 25共基放大电路 26电流源及其应用 27差分放大电路 28多级放大电路及组合放大单元电路 29互补输出级

6 11 清华大学电子工程系李冬梅 六、符号规定 “常用的文字符号说明” 绪论 0 t 0 t 0 t ib ------正弦信号的瞬时值（交流分量） IB ----- 信号的直流分量（静态电流值） iB ----- 含有直流分量的总瞬时值（总电流值） Ibm-----正弦分量的峰值（交流分量的最大值） Ib 2 Ibm ---正弦分量的有效值（交流分量的有效值） 1 = iB IB ib Ibm I & b -----正弦分量的复数表示（有大小，有方向） 清华大学电子工程系李冬梅 12 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路中的 基本单元电路 2.1 单管共射放大电路的组成及工作原理 2.2 放大电路的分析方法 2.3 频率响应的基本概念及单管共射放大电路的频 率响应特性 2.4 共集放大电路 2.5 共基放大电路 2.6 电流源及其应用 2.7 差分放大电路 2.8 多级放大电路及组合放大单元电路 2.9 互补输出级 清华大学电子工程系李冬梅

第二章模拟集成电路的基本单元电路 21单管共射放大电路的组成及工作原理 2.11直流传输特性 定义:vo=∫(v) Rc Ic 在输入端加入直流电压,改变直流 电压的数值,求得相应输出电压 R 折线化近似 截止区 饱和区基本单管共射放大电路 放大区 Vn,T饱和 c≈0,o≈Ⅴo Vo- Vcc-icr CEsar 第二章模拟集成电路的基本单元电路 Q B 大信号状态 小信号状态: 饱和→截止 v,=v sint V sint 数字电路中 实现不失真放大,要求峰 值点A、B均在放大区内 开关工作状态 所以,必须合理设置 直流工作点Q

7 13 清华大学电子工程系李冬梅 vO T RB RC + VCC _ vI 基本单管共射放大电路 iB iC + _ 截止区 放大区 VI VO 0 VCC Vth VIM VCE(sat) 2.1 单管共射放大电路的组成及工作原理 2.1.1 直流传输特性 定义：vO = f (vI ) 饱和区 折线化近似 折线化近似 在输入端加入直流电压，改变直流 电压的数值，求得相应输出电压 在输入端加入直流电压，改变直流 电压的数值，求得相应输出电压 VI VIM, T饱和 vO ＝ vCE = VCE(sat) VI >VIM, T饱和 vO ＝ vCE = VCE(sat) 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路 14 清华大学电子工程系李冬梅 VCEQ VBB vO vI 大信号状态： 大信号状态： 饱和 截止 数字电路中 开关工作状态 小信号状态： vi = Vim sinwt 小信号状态： vi = Vim sinwt A B 实现不失真放大，要求峰 值点A、B均在放大区内。 所以，必须合理设置 直流工作点Q Q Vim Vom vo = Vom sinwt 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路

第二章模拟集成电路的基本单元电路 212单管共射放大电路的组成 vs:输入信号源 T:有放大作用的器件,实现电流 放大 R R:输出负载,将电流转化为电 压输出 rgc:直流电源,使J正vd+Rn Je反偏,提供lBQ、lBo 的直液作电使罡件 在放大区 基本单管共射放大电路 第二章模拟集成电路的基本单元电路 213共射放大电路的工作原理 静态(p=0) Re (1)直流通路 R Vs OT R T CO CEQ 基本单管共射放大电路 基本单管共射放大电路直流通路 RB ICo=所 (2)计算Q点 cEQ= RC 16

8 15 清华大学电子工程系李冬梅 vO T v RB S RC VBB + VCC _ vI 基本单管共射放大电路 iB iC + _ + _ vS: 输入信号源 T: 有放大作用的器件，实现电流 放大 RC: 输出负载，将电流转化为电 压输出 VBB、VCC：直流电源，使Je正 偏，Jc反偏，提供IBQ、ICEQ VBB、RB、RC：偏置电路，提供 合适的直流工作点，使工作 在放大区 2.1.2 单管共射放大电路的组成 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路 16 清华大学电子工程系李冬梅 2.1.3 共射放大电路的工作原理 vO T v RB S RC VBB + VCC _ vI 基本单管共射放大电路 iB iC + _ + _ 1. 静态（vi =0） (1)直流通路 VCEQ T RB RC VBB VCC 基本单管共射放大电路 直流通路 IBQ ICQ + _ (2)计算Q点 B BB BEQ BQ R V V I − = CQ BQ I = βI CEQ CC CQ RC V =V − I 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路

第二章模拟集成电路的基本单元电路 213共射放大电路的工作原理(续一) (2)原理 2.动态(v≠0) (1)交流通路(DC短路 JePN结等效为结电阻rm i≈ R+r R Ic sin wt R,+ vo=-Rcic=-RaBvim sin wt 基本单曾共射放大电路交流通路 A=Vo =_- Ra+re 第二章模拟集成电路的基本单元电路 213共射放大电路的工作原理(续二) 几点说明 小信号,可认为是线性网络,叠加法 va、vcE、lB、l均含有直流和交流 各量>0,没有方向变化 iBIBQ+Ibm sint >0 在交流通路中, 输出、输入回路 以E为公共端一一共射

9 17 清华大学电子工程系李冬梅 2.1.3 共射放大电路的工作原理（续一） vO T v RB S RC VBB + VCC _ vI 基本单管共射放大电路 iB iC + _ + _ (2) 原理 Je PN结 等效为结电阻rbe B be i b R r v i + ≈ 2. 动态（vi ≠0） (1)交流通路（DC短路） T vO RB RC vi 基本单管共射放大电路 交流通路 ib ic + _ + _ wt R r V B be im sin + = wt R r V i B be im C sin + = β O C C v = −R i wt R r R V B be C im sin + = − β i o v v v A = B be C R r R + = − β 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路 18 清华大学电子工程系李冬梅 2.1.3 共射放大电路的工作原理（续二） ƒ 小信号，可认为是线性网络，叠加法 vBE iB 0 VBQ ƒ vBE、vCE、i B、i C均含有直流和交流 各量>0，没有方向变化 iB=IBQ+Ibmsinwt > 0 ƒ 在交流通路中， 输出、输入回路 以E为公共端――共射 几点说明 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路

第二章模拟集成电路的基本单元电路 214放大电路的主要指标 可看作线性有源二端口网络 在中频区 输入输出阻抗,为纯电阻v Ja囗R 1.输入电阻R Rs 定义: R 放大电路的输入阻抗和输出阻抗 意义:信号源的负载,反 映实际加至放大器输入信B LiI R = 号的衰减程度。 R+R R+R 第二章模拟集成电路的基本单元电路 214放大电路的主要指标(续-) 2输出电阻R 定义: OURL Ro 负载开路,V短路,保 留内阻,外加电压V 放大电路的输入阻抗和输出阻抗 产生电流I 意义:反映放大器带负载能力 R 对负载而言,放大器相当于信 R+r 号源,内阻R越小,越接近恒压 源,带负载能力越强 开路电压

10 19 清华大学电子工程系李冬梅 2.1.4 放大电路的主要指标 可看作线性有源二端口网络 在中频区， 输入输出阻抗，为纯电阻 放大电路的输入阻抗和输出阻抗 RS + - VS - - + + Vi VO′VO ZO RL Zi IO Ii + - Zi ZO 1. 输入电阻Ri *定义： i i i I V R & & = s s i i i V R R R V& & + = 意义：信号源的负载，反 映实际加至放大器输入信 号的衰减程度。 s s i s i I R R R I & & + = IS RS 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路 20 清华大学电子工程系李冬梅 2.1.4 放大电路的主要指标（续一） 放大电路的输入阻抗和输出阻抗 RS + - VS - - + + Vi VO′VO ZO RL Zi IO Ii + - Zi ZO 2. 输出电阻Ro *定义： =0 = =∞ s L V O R I V R & & & 负载开路，Vs短路，保 留内阻，外加电压V， 产生电流I。 意义：反映放大器带负载能力。 对负载而言，放大器相当于信 号源，内阻RO越小，越接近恒压 源，带负载能力越强。 ' O O L L O V R R R V& & + = 开路电压 清华大学电子工程系李冬梅 第二章 模拟集成电路的基本单元电路