模拟电子电路课件学chaper04

21 四、集成运算放大电路四、集成运算放大电路 ?集成电路集成电路: 将晶体管将晶体管(场效应管场效应管), 二极管二极管, 电阻等元器件 及连线全部制造在一块半导体基片上 电阻等元器件 及连线全部制造在一块半导体基片上,构成完整的电路构成完整的电路 ?集成电路可分为集成电路可分为:线性集成电路线性集成电路与与数字集成电路数字集成电路 ?线性集成电路包括线性集成电路包括: 运算放大电路运算放大电路, 集成稳压电路集成稳压电路, 集 成功率放大电路等 集 成功率放大电路等 ?本章结合集成运算放大电路的内部电路本章结合集成运算放大电路的内部电路, 介绍它的工作 原理 介绍它的工作 原理, 主要性能指标及等效模型主要性能指标及等效模型 四、集成运算放大电路四、集成运算放大电路 ?4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 ?4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 ?4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介 ?4.4 集成运放的性能指标与低频等效电路集成运放的性能指标与低频等效电路 ?4.6 集成运放的使用集成运放的使用 本章重点本章重点: 通用型集成运放的四个组成部分及其作用、 基本电流源电路的组成和工作原理 : 通用型集成运放的四个组成部分及其作用、 基本电流源电路的组成和工作原理 本章难点本章难点：集成运放的读图：集成运放的读图 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 1. 电路结构特点电路结构特点 ?电路结构只能采用直接耦合方式(集成块中不能制作大容 量的电容器) ?采用差动放大电路以克服温漂问题 ?大量采用BJT(FET)构成电流源电流源, 代替大阻值的电阻, 或用 来设置电路的静态电流 ?采用复合管的接法以改进单管的性能 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 2. 组成组成 (输入级输入级, 中间级中间级, 输出级 与偏置电路输出级 与偏置电路) ?输入级输入级(前置级前置级): 双端输入的差放电路 (要求Ri高, Ad大 Ac小 ) ?中间级中间级: 提供较高的电压放大倍数(采用共射(源)放大电路) ?输出级输出级: 多采用互补对称输出电路 ?偏置电路偏置电路: 设置各级静态工作点(采用电流源电路) 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 3. 电压传输特性电压传输特性(输入输入/输出关系输出关系) 集成运放符号 电压传输特性 ?同同(反反)相输入端相输入端是指运放的输入 电压与输出电压间的相位关系 ?可以认为集成运放是双端输入,单 端输出的差动放大电路 ?电压传输特性: uO= f (uP-uN), ?输入电压输入电压是两输入端的差值电压差值电压 ?集成运放包括: 线性区与饱和区 ?线性区的电压放大倍数称为差模 开环放大倍数Aod 4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 ?差分放大电路中用恒流源代替差分放大电路中用恒流源代替Re, 使电路性能大大改善使电路性能大大改善 ?恒流源存在两个问题恒流源存在两个问题: ?电路中用了三个电阻电路中用了三个电阻, 而集成工艺中希望电阻越少越好而集成工艺中希望电阻越少越好 ?作为恒流源的管子作为恒流源的管子,其其UBE仍受温度变化的影响仍受温度变化的影响, 因此抑制 温漂还不理想 因此抑制 温漂还不理想 ?本节介绍集成运放中代替恒流源本节介绍集成运放中代替恒流源, 适于集成的适于集成的电流源电路电流源电路 ?电流源主要为放大电路提供稳定的偏置电流或作有源负载电流源主要为放大电路提供稳定的偏置电流或作有源负载 4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路 ?IC1为输出电流(恒流源) ?T0管: UCE0=UBE0时.处于临界放大状态 ?T0, T1管相同,且UCE0=UBE0,有IC0=IC1, 该电路称为镜像电流源镜像电流源 ?IR称为基准电流称为基准电流, 用于调整IC1 1. 镜像电流源镜像电流源 ()/ RCCBE IVUR=22/ CBCC IIII=+=+ 2 CR II = + 1 ()/ CRCCBE IIVUR= (即忽略基极电流的影响) 2 IC1可通过可通过IR调整调整 ?温度补偿效果 1. 镜像电流源镜像电流源 IC0 IC1 IB T IC0 IC1 IR UR UB ?优点: 结构简单, 应用广泛 ?VCC一定时, 要求大的IC1, 将导致 电阻功耗增大 ?要求小的IC1, 将导致电阻增大 ?缺点: 适用场合受限制 ?目的:将IC1 与 IR变为可调整的比例关系 ?两者关系: 2 时, (忽略基极电流影响) ?两个射极电阻为电流负反馈电阻,因此比 例电流源的输出电流具有更高的稳定性 2. 比例电流源比例电流源-派生电路派生电路(增加了两个射极电阻增加了两个射极电阻) 1 1 ln TR C eC UI I RI 0CCBE R VU I R 3. 微电流源微电流源-比例电流源的一个特例比例电流源的一个特例 ?令Re0=0, 即得到微电流源 ?两者关系: 2 时, (忽略基极电流影响) 0 1 1 e CR e R II R 0 0 CCBE R e VU I R R + 22 4.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路 ?对于基本电流源电路, 使对于基本电流源电路, 使IC1 与与 IR间关系成立的前提条件 是: 间关系成立的前提条件 是: 2 , 即忽略了基极电流的影响即忽略了基极电流的影响 ?当当 2不成立时不成立时, 基极电流的影响是不可忽略的, 此时 要对基本电流源电路加以改进, 以减少基极电流的影响 基极电流的影响是不可忽略的, 此时 要对基本电流源电路加以改进, 以减少基极电流的影响 ?本节介绍两种改进型电流源: 本节介绍两种改进型电流源: 加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源与与 威尔逊电流源威尔逊电流源 1. 加射极输出器的电流源1. 加射极输出器的电流源 ?引入引入T2管管,目的是减少对基准电流目的是减少对基准电流IR的分 流 的分 流,使得使得 较小时较小时, IC1 与与 IR也有镜像关系也有镜像关系 ?引入Re2 , 目的是提高T2管的 ?IC1 与 IR 间的关系 1CR II 2. 威尔逊电流源威尔逊电流源 ?利用电流负反馈原理进一步提高镜像输 出电流的温度稳定性和增大动态输出电阻 利用电流负反馈原理进一步提高镜像输 出电流的温度稳定性和增大动态输出电阻 ?IC1 与 IR 间的关系1CR II 4.2.3 多路电流源电路多路电流源电路 集成运放是一个多级放大电路,需要多路电流源给各级电路 提供静态电流 集成运放是一个多级放大电路,需要多路电流源给各级电路 提供静态电流 1. 基于比例电流源的多路电流源基于比例电流源的多路电流源 0112233ReEeEeEe I RI RIRIR ?基准电流与各级静态电流关系 确定了基准电流, 即可确定 各级静态电流 确定了基准电流, 即可确定 各级静态电流 ?集电极电流间的关系 2. 多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源 11 00 C C IS IS = 22 00 C C IS IS = (S为集电区的面积) 3. MOS管多路电流源管多路电流源 ?漏极电流间的关系 11 00 D D IS IS = 22 00 D D IS IS = 33 00 D D IS IS = (S=W/L为沟道的宽长比) 4.2.4 电流源的另一用途电流源的另一用途-有源负载有源负载 ?共射放大电路中, 增大集电极电阻共射放大电路中, 增大集电极电阻RC可提高电压放大倍数, 但 可提高电压放大倍数, 但RC的增加是有限度的的增加是有限度的 ?电流源电路动态的等效电阻很大,因此在集成运放中, 常用 电流源电路取代 电流源电路动态的等效电阻很大,因此在集成运放中, 常用 电流源电路取代RC ?晶体管是有源元件,且在电路中用作负载,故称为晶体管是有源元件,且在电路中用作负载,故称为有源负载有源负载 1. 有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路 3CCEB R VU I R = ?先计算基准电流 ?静态分析 (uI包括交直流) ?空载时T1管的 ICQ1 (P175) 12 2 CQCR III = + ?带载时, RL对IC2分流 T2管是T1管的有源负载 1. 有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路 T2管是T1管的有源负载 ?当负载电阻RL很大时, 需要 考虑参数1/h22, 即rce(P95) ?T1,T2管的rce 均要考虑 ?动态分析(画交流等效电路) u A = ? () 112 1 / ceceL bbe rrR Rr + RL 2时, 31CC II ?已知12CC II= 34CC II ?于是 42 0 OCC iII= ?动态分析(差模信号) 31CC ii ?当 2时, ?已知 12CC ii= 34CC ii= ?于是 421 2 OCCC iiii= 输出电流约为单端输出两 倍, 输出电流约为单端输出两 倍,Ad接近双端输出时的情况接近双端输出时的情况 ?动态分析(差模信号) ?输出电流与输入电压之比 ?带载时电压放大倍数分析 与1相同 但要注意符号但要注意符号 O iu I i A u = 11 111 2 2 C Bbebe i i rr = () 124 1 / ceceL O u Ibe rrRu A ur = RL Uon, D1导通,为T14 基极分流, 以限制iO ?D2管过流保护T18T19管 4.3.2 单极型集成运放单极型集成运放 ?集成运放中的晶体管也可由场效应管代替集成运放中的晶体管也可由场效应管代替 ?由于采用由于采用N沟道与沟道与P沟道互补的场效应管沟道互补的场效应管,故称为故称为 CMOS(即互补即互补MOS)型型 ?具有输入电阻高具有输入电阻高, 集成度高集成度高, 电源适用范围宽等特点电源适用范围宽等特点 24 1. C14573电路分析电路分析(两级放大电路两级放大电路) ?偏置电路偏置电路 ?T1,T2与T7管构成多路电流源, T2,T7的电流由T1确定 ?第一级第一级 ?T3,T4管, 共源差动放大电路 ?T5,T6管, 电流源作有源负载 ?第二级第二级 ?T8,组成的带有源负载(T7)的 共源放大电路 4