集成电路运算放大器.ppt

2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,1,6 集成电路运算放大器,引 言,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,2,集成电路： 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，这样的“硅片”，称为集成电路。 集成电路特点：体积小，性能很好。 集成电路分类：模拟集成电路和数字集成电路。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,3,模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源、和音像设备中常用的其他模拟集成电路。 此类集成电路中，集成运算放大器(集成运放)应用最为广泛。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,4,本章主要内容： 集成运放的基本单元电路及其分析方法(掌握)，典型集成运放及性能指标(了解)，几种专用型集成运放(了解)。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,5,序,1. 模拟集成电路： 一般是由一块厚度为0.20.25mm的P型硅片上，制作成具有一定功能的电路，这样的P型硅片，就称为集成电路。它可分为：,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,6,小规模集成电路：十几十个元件； 中规模集成电路：几十个几百个元件元件； 大规模集成电路：几百个几千个元件； 超大规模集成电路：几千个以上元件； 美国预计，到2010年集成度将达到10亿个。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,7,2. 模拟集成电路的特点： (1). 电路结构与元件参数具有对称性； (2). 用有源器件代替无源器件； 如：电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值一般为几十欧20k,高阻值电阻多用BJT或FET等有源器件组成的恒流源来代替。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,8,(3). 采用复合结构的电路； 多采用复合管、共射共基、共集共基等组合电路。 (4). 级间采用直接耦合方式； 电路中的电容不大，约在几十pF，常用PNJ的结电容构成，误差也较大。电感制造更困难，级间都采用直接耦合。,第6章 集成电路运算放大器,9,(5). 二极管大都采用BJT的发射结构成。 集成运放的基本单元电路：电流源和差分放大电路。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,10,6.1 电流源电路,1. 镜像电流源 电路如图6.1.1所示。 设电路完全对称，即T1、T2的参数完全相同(12，ICEO1ICEO2，VBE1VBE2， IE1 IE2 ，IC1IC2)，图中IREF为基准电流。当BJT的值较大时， IB可以忽略，有：,转12,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,11,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,12,由(6.1.1)式可以看出，当R确定以后，IREF也就确定，IC2随之确定， 可把IC2看作是I REF的镜像，所以称图6.1.1为镜像电流源。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,13,由于T1管对T2管有温补作用，IC2的稳定性也较好。但由于受电源的影响较大，故要求电源十分稳定。 当不够大时， IC2 与IREF就存在一定的误差，可采用图6.1.2所示电路。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,14,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,15,该电路利用T3的电流放大作用，减小IB对IREF的分流作用，从而提高了IC2与IREF 互成镜像的精度。为了避免T3 的电流过小而使3下降， T3 的射极常加一电阻Re3，使IE3增大。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,16,适用范围： 该电流源适用于工作电流较大的场合(mA级)。 工作电流较小时(A级)的电流源，应采用微电流源。 2. 微电流源 如图6.1.3所示。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,17,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,18,与图6.1.1相比，在T2的发射极回路串接了一个发射极电阻Re2,当基准电流IREF确定以后，IC2可确定如下：,VBE1VBE2VBEIE2Re2 所以， IC2IE2 VBERe2 (6.1.2),2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,19,由式(6.1.2)可知，利用两管基射极电压差VBE可以控制输出电流IC2 。由于VBE 的数值小，用阻值不大的电阻Re2，即可获得微小的工作电流，故称之为微电流源。 Re2 一般为数k， IC2 约为A级。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,20,例6.1.1多路电流源如图6.1.4所示。已知各BJT的参数、VBE数值相同，求各电流源IC1、IC2、IC3与基准电流IREF的关系。 解： 由 IREF ICIB0IC IB0 ,转22,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,21,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,22,得 IC IREF IB0 当较大时， IC IREF 由于BJT的参数、VBE数值相同，则： IERe IREFRe IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 (6.1.3),2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,23,所以,当IREF确定以后，改变各电流源的射极电阻，可获得不同的输出电流。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,24,3. 有源负载 如图6.1.5所示。 T1为放大管，T2、T3组成镜像恒流源，作为T1管的交流负载。由于晶体管c、e间的交流电阻很大，以提高T1管的放大倍数。,转26,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,25,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,26,6.2 差分放大电路,差分放大电路功能：放大两个输入信号之差。 差分放大电路是集成运放的主要组成单元。如图(6.2.1所示),2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,27,在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为： voAVD(vi1vi2) (6.2.1),2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,28,式中AVD是差分放大电路的差模电压放大倍数。由式中可以看出， vi1、vi2中所共有的任何信号对输出电压都不会产生影响，但在一般情况下，实际的输出电压不仅与两个信号的差(差模信号)有关，而且与两个信号中的共有信号(共模信号)有关。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,29,1. 差模信号 差模信号：大小相等，极性相反的一对信号，称之为差模信号。可用下式表示： vidvi1vi2 (6.2.2) 或,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,30,2. 共模信号 共模信号：大小相等，极性相同的一对信号，称之为共模信号。可用下式表示： (6.2.3) 或 vic1vic2 vic,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,31,3. 两输入信号的表达式 4. 输出电压的表达式 voAVDvidAVCvic (6.2.6),2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,32,式中AVDvodvid为差模电压放大倍数(差模电压增益); AVC vocvic 为共模电压放大倍数(共模电压增益)。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,33,由(6.2.6)式可知，如果有两种情况的输入信号： 一种：vi1+50V，vi250V； 另一：vi11050V，vi2950V； 尽管这两种情况下的差模信号vid100V是相同的，但其共模信号却不一致，前者vic0，后者vic1000V。因而差分放大电路的输出电压是不相同的。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,34,6.2.1 基本差分放大电路,如图6.2.2所示，是一个基本差分放大电路。 1. 电路组成 它由两个特性相同的BJT T1、T2组成对称电路，电路参数也完全对称，即Rc1Rc2Rc等。电路中有两个电源+VCC和 VCC(一般情况下，两电源的大小相等)。,转36,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,35,转41,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,36,2. 工作原理 (1) 静态分析 当无输入信号，即vi1vi20时，由于电路完全对称， Rc1Rc2Rc， VBE1 VBE20.7V，,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,37,这时， iC1 iC2 ICI 0 / 2， IC1Rc1 IC2Rc2 ICRc ， VC1VC2 VCC ICRc， vovC1vC20。 由此可知，vidvi1vi20时，输出信号电压vo也等于零。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,38,(2) 动态分析 当在电路的输入端输入一对大小相等，极性相反的(差模)信号时，两管的电流：一管增加，另一管减小，vovC1 vC20，这一对信号就是前述的差模信号。这种输入方式称之为差模输入。差分放大电路对差模信号具有放大能力。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,39,2. 抑制零点漂移的原理 零点漂移(零漂)：当差分放大电路输入信号等于零时，输出电压偏离原来的初始值(参考电压)而上下漂动的现象。 如温度的变化而引起某放大电路输入级Q点变化，经后级放大而出现当输入电压为零时输出电压不为零的现象，这就是零点漂移。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,40,在差分放大电路中,无论是温度的变化还是电源电压的波动，都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压的变化，其效果相当于在两输入端加入了共模信号，由于电路是对称，共模输出电压voc0，从而抑制了零点漂移。 实际情况，两管完全对称是不可能的，但抑制零漂的能力还是优于其他电路的。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,41,3. 主要性能指标的计算 (1) 差模电压放大倍数(增益) a. 双入双出时的差模电压放大倍数 在图6.2.2中，若输入为差模输入，即vi1vi2 vid / 2，由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，在电路完全对称的情况下，iC1的增加量等于另一管iC2的减小量，所以流过恒流源的电流I0不变，ve0，故图6.2.2的交流通路如图6.2.3所示。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,42,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,43,当双端输出时，其差模电压放大倍数为：,当c1、c2两点接入负载电阻 RL时，,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,44,其中，RLRcRL/2。这是由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，而c1、c2两点的电位向相反方向变化，即一边增量为正时，另一边增量为负，且大小相等，由此可见，负载电阻的中点是交流地电位，所以在差分放大电路的半边等效电路中，负 载电阻是 RL/2。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,45,综上所述：在电路完全对称，双入双出的情况下，图6.2.2的电压放大倍数(增益)与半边电路的电压放大倍数(增益)相等。可见，该电路是以成倍的元器件来换取抑制零漂的能力的。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,46,b. 双入单出时的差模电压放大倍数,如果从某一个管的集电极输出电压(vo1或vo2 )，则称之为单端输出(如图6.2.3)所示。 此时，电路的电压放大倍数(增益)只有双出时的一半，(当RL )时，即,转48,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,47,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,48,当RL )时,其中，RL RcRL 。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,49,c. 单入时的差模电压放大倍数 (如图6.2.4所示。),图中ro为恒流源的交流电阻，其阻值一般很大，容易满足rorbe的条件，这样可以认为ro对交流信号相当于开路，输入信号vid近似地平分在两管的输入回路上。,转51,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,50,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,51,图6.2.4与图6.2.3相比可知：两电路中作用于be结上的信号分量基本上是一致的。即单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。 如ro足够大，则电路由双端输出时，其差模电压放大倍数(增益)与式(6.2.7)近似一致；而由单端输出时与式(6.2.9)近似一致；其他指标也基本一致。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,52,(2) 共模电压放大倍数(增益) a. 双出时的共模电压放大倍数，如图6.2.5所示。 当vi1vi2vic时，由于vocvo1vo20，所以,转54,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,53,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,54,实际上，电路完全对称是不容易的，即使这样，这种电路抑制共模信号的能力还是很强的。 共模电压放大倍数越小，放大电路的性能越好。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,55,b. 单出时的共模电压放大倍数(增益) 单出时的共模电压放大倍数(增益)表示两个集电极任一端对地的共模输出电压与共模输入电压之比，即,一般情况下，(1+)2rorbe，1，故式(6.2.11)可简化为,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,56,由上式可以看出，ro越大，恒流源 I0越接近理想情况，AVC1越小，说明电路抑制共模信号的能力越强，电路性能越好。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,57,(3) 共模抑制比KCMR KCMR式用来衡量差分放大电路抑制共模信号能力的一个物理量，其定义式为 差模电压放大倍数(增益)越大，共模电压放大倍数(增益)越小，共模抑制能力越强，放大电路性能越优良，因此希望KCMR值越大越好。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,58,KCMR有时也用分贝(dB)来表示： 对于基本差分放大电路，在电路完全对称，双出时：,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,59,单出时，由式(6.2.9)和(6.2.12)得： (4) 频率响应 a. 低频特性： 由于差分放大电路采用了直接耦合，差放电路所以具有良好的低频特性，如下图所示。,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,60,2019/4/14,第6章 集成电路运算放大器,61,b. 高频特性 由于差分放大电路是由两个共发射极放大电路构成，其高端频率特性与共发射极放大电路相似，如上图所示。 (5) 差分放大电路的差模输入、输出电阻 a. 差模输入电阻Ri