模拟集成电路.ppt

1 掌握差放的结构 原理及Q点 动态指标的计算 2 了解差动放大器抑制零点漂移的原理 3 了解镜像电流源 微电流源的组成及工作原理 4 了解集成运算放大器的组成及工作原理 6集成电路运算放大器 5 了解集成运算放大器的主要参数 基本要求 6 1电流源 6 2差分式放大电路 6 3集成电路运算放大器 6 4集成电路运算放大器的主要参数 6集成电路运算放大器 6 0概述 一 集成电路 integratedcircuit 在半导体制造工艺基础上 把整个电路中的器件 电阻 电容 三极管等 制造在一块Si基片上 并引出相应的引线 构成特定功能的电子电路 如 运放 各种芯片等 概述 二 按功能分类 模拟集成电路 数字集成电路 三 集成度 小规模集成电路 SSI 102 中规模集成电路 MSI 103 大规模集成电路 LSI 105 超大规模集成电路 VLSI 105 如 CPU310万 330万 Intel奔腾4 6集成电路运算放大器 集成电路的工艺特点 6 0概述 5 不能制造电感 如需电感 也只能外接 4 只能制作几十pF以下的小电容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大电容 只有外接 3 不易制造大电阻 需要大电阻时 往往使用有源负载 2 集成电路的芯片面积小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特别有利于实现需要对称结构的电路 要求 提供恒定电流IO 且有大的交流电阻 其两端电压变化时 IO保持恒定 6 1集成电路运放中的电流源 二 恒流特性 一 电路组成 当 较大 2 时 三极管T1 T2对称 6 1 1 1镜像电流源 P258 结论 无论Rc值如何 IC2电流值保持不变 前提 电源要稳定 当 较小时 可用带缓冲级的镜像电流源 增加T0 使IC更加接近IREF 三 镜像电流源特点 3 电流最低至mA级 1内阻ro一般在几百千欧以上 2 电流受电源波动影响大 4 具有温度补偿特性 所以IC2也很小 一 电路特点 二 工作原理 Re2K 级 2受电源波动影响小 3IC2uA级 优点 1内阻ro一般在几百千欧以上 6 1 1 2微电流源 P259 4 具有温度补偿特性 T1 T2 T3的基极并联 电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出 6 1 1 3多路电流源 放大管 例电流源作为有源负载 6 1 1 4电流源作用 例P3156 6 1 举例 P282集成运放 微电流源 直流偏置 镜像电流源 有源负载 电流源 直流偏置 6 1 2FET电流源 P260 一 MOSFET镜像电流源 二 MOSFET多路电流源 三 JFET电流源 与BJT电流源比较 自学 了解 直接耦合放大电路 零点漂移 电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理 6 2 0概述 6 2 1基本差分式放大电路 6 2 2FET差分式放大电路 6 2 3差分式放大电路的传输特性 差分式放大电路中的一般概念 主要指标计算 几种方式指标比较 6 2差分式放大电路 1 直接耦合放大电路 可以放大直流信号 2 直接耦合放大电路的零点漂移 零漂 主要原因 温漂指标 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式 主要由温度变化引起 也称温漂 温度每升高1度时 输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值 6 2 0概述 若第一级漂了100uV 则输出漂移1V 若第二级也漂了100uV 则输出漂移10mV 假设 3 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式 如 斩波稳零放大器 采用差分式放大电路 漂了100uV 漂移10mV 100uV 漂移1V 10mV 漂移1V 10mV 6 2 0概述 4 差分式放大电路中的一般概念 差分式放大电路输入输出结构示意图 差模信号 共模信号 差模电压增益 共模电压增益 差模信号输出 共模信号输出 6 2 0概述 两个输入信号的差值 两个输入信号的算术平均值 根据以上两式可以得到 共模抑制比 反映抑制零漂能力的指标 总输出电压 6 2 0概述 1 2 rbe1 rbe2 rbe 两个BJT特性一致 参数相等 VBE1 VBE2 VBE 1 电路组成 差放一般有两个输入端 双端输入 两输入端同时加信号单端输入 一输入端对地加信号 差放可以有两个输出端 双端输出 从C1和C2输出 单端输出 从C1或C2对地输出 6 2 1基本差分式放大电路 6 2 1基本差分式放大电路 1 电路组成 恒流源的作用 根据输入 输出方式不同 可分为四种工作方式 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单端输入 单端输出 单端输入 双端输出 相当于阻值很大的电阻 6 2 1基本差分式放大电路 1 电路组成 差模信号 共模信号 差模电压增益 共模电压增益 总输出电压 差模 共模 任意输入 6 2 1基本差分式放大电路 2 工作原理以双端输入 双端输出为例 静态分析 vi1 vi2 0 c1 c2 2 动态分析 1 差模输入 vC1 vC2 vo vC1 vC2 2 vC1 结论1 差分式放大电路对差模信号有放大能力 2 共模输入 vC1 vC2 c1 c2 vo vC1 vC2 0 结论2 差分式放大电路对共模信号有抑制能力 3 差放抑制零漂 温度变化和电源电压波动 都将使集电极电流变化 且变化趋势相同 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用 其效果相当于在两输入端加入了共模信号 6 2 1基本差分式放大电路 4 主要技术指标计算 P265 双端输入 差模信号为 vi1 vi2 vid 2 交流通路 电流源IO VCC VEE交流短接 交流短接 1 差模电压增益 1 双入双出AVD P265 单边电路增益 有负载RL时 负载开路时 2 双入单出AVD 双端输入 共模信号为 vi1 vi2 vic 交流通路 电流源IO VCC VEE交流短接 电流源内阻ro 等效变换电路 2 共模电压增益 c1 c2 1 双入双出AVC vi1 vi2 viCT1 T2电路对称 vO1 vO2 vO vO1 vO2 0 0 结论 双入双出时差放抑制零漂能力最强 2 双入单出AVC vi1 vi2 vicvO vO1 3 单端输入差分式放大电路 结果自行分析P266 3 共模抑制比 双端输出 理想情况 单端输出 抑制零漂能力 越强 6 2 1基本差分式放大电路 4 主要指标计算 6 2 1基本差分式放大电路 1 差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 差动放大器动态参数计算总结 双端输出时 单端输出时 2 共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 双端输出时 单端输出时 6 2 1基本差分式放大电路 3 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 单端输出时 双端输出时 5 共模抑制比 讨论 单端输出 双端输出 共模抑制能力最强 提高电路的KCMR重要因素 保证电路的对称性 保证足够大的发射极电阻ro 6 2 3FET差分式放大电路 P272 自学 6 2 4差分式放大电路传输特性 P277 自学 讨论1 差分式放大电路实例 恒流源 IE VZ VBE3 Re IC3 UR2 VBE3 Re 讨论2 设 1 2 3 4 100 VBE1 VBE2 0 7V VBE3 VBE4 0 6V 求静态时VCE1 解 VCE1 2 6V 6 4 1CMOSMC14573集成电路运算放大器 6 4集成电路运算放大器 自学了解 6 4 2概述 集成电路运算放大电路内部组成原理框图 6 4 2概述 国际符号 国内符号 集成运放的特点 电压增益高 输出电阻小 输入电阻大 6 4 2运算放大器的组成 输入级 中间级 输出级 同相输入端 输出端 反相输入端 输入级 输入电阻高 能减小零点漂移和抑制干扰信号 都采用带恒流源的差放 中间级 要求电压放大倍数高 常采用带恒流源的共发射极放大电路构成 输出级 与负载相接 要求输出电阻低 带负载能力强 一般由互补对称电路或射极输出器构成 6 4 2通用型集成电路运算放大器 6 5集成电路运算放大器的主要参数 1 输入失调电压VIO 2 输入偏置电流IIB 3 输入失调电流IIO 4 温度漂移 1 输入失调电压温漂 VIO T 2 输入失调电流温漂 IIO T 5 最大差模输入电压Vidmax 6 最大共模输入电压Vicmax 7 最大输出电流Iomax 6 5集成电路运算放大器的主要参数 8 开环差模电压增益AVO 9 开环带宽BW fH 10 单位增益带宽BWG fT 11 转换速率SR 输入电压为零时 将输出电压除以电压增益 即为折算到输入端的失调电压 是表征运放内部电路对称性的指标 6 5集成运算放大器的主要参数 2 输入失调电压温漂dVio dT 输入误差 在规定工作温度范围内 输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值 1 输入失调电压Vio 输入误差 4 输入失调电流Iio 输入误差 在零输入时 差分输入级的差分对管基极电流之差 用于表征差分级输入电流不对称的程度 3 输入偏置电流IB 输入误差 输入电压为零时 运放两个输入端偏置电流的平均值 用于衡量差分放大对管输入电流的大小 5 输入失调电流温漂dIio dT 输入误差 在规定工作温度范围内 输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值 6 5集成运算放大器的主要参数 6 最大差模输入电压Vidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压 超过此电压时 差分管将出现反向击穿现象 7 最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下 共模输入电压的允许范围 共模电压超过此值时 输入差分对管出现饱和 放大器失去共模抑制能力 6 5集成运算放大器的主要参数 8 开环差模电压放大倍数Aod 无反馈时的差模电压增益 一般Aod在100 120dB左右 高增益运放可达140dB以上 9 差模输入电阻rid 双极型管输入级约为105 106欧姆 场效应管输入级可达109欧姆以上 10 共模抑制比KCMR KCMR 20lg Avd Avc dB 其典型值在80dB以上 性能好的高达180dB 6 5集成运算放大器的主要参数 11 3dB带宽fH 12 转换速率SR 压摆率 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力 转换速率SR的表达式为 6 5集成运算放大器的主要参数 运算放大器外形图 运算放大器外形图 6 4特殊集成运算放大器 为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求 除性能指标比较适中的通用型运放外 还有适应不同需要的专用型集成运放 它们在某些技术指标上比较突出 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类 主要有通用 高速 宽带 高精度 高输入电阻和低功耗等几种 用于宽频带放大器 高速A D D A 高速数据采集测试系统 这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高 用于小信号放大时 可注重fH或fc 用于高速大信号放大时 同时还应注重SR 例如 CF2520 2525AD9620AD9618OP37CF357 一 高速型和宽带型 用于精密仪表放大器 精密测试系统 精密传感器信号变送器等 例如 OP177CF714 二 高精度 低漂移型 用于测量设备及采样保持电路中 例如 AD549CF155 255 355 三 高输入阻抗型 四 低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中 工作于较低电压下 工作电流微弱 例如 OP22正常工作静态功耗可低至36 W OP290在 0 8V电压下工作 功耗为24 W CF7612在 5V电压下工作 功耗为50 W 五 功率型 这种运放的输出功率可达1W以上 输出电流可达几个安培以上 例如 LM12TP1465 本章小结 1 直流放大器的一个严重的问题是零点漂移 差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法 差动放大器既能放大直流信号 又能放大交流信号 它对差模信号有很强的放大能力 对共模信号有很强的抑制能力 因此 运算放大器都使用差动放大器作为输入级