集成运算放大器电路.ppt

2020年2月14日星期五 模拟电子技术 1 第五章集成运算放大器电路 5 1集成运算放大器的特点 5 2电流源电路 一 镜像电流源 二 比例电流源 三 微电流电流源 四 负反馈型电流源 五 有源负载放大器 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 2 5 3差动放大电路 5 3 1零点漂移现象 5 3 2差动放大器的工作原理及性能分析 一 差模放大特性 1 差模电压放大倍数 2 差模输入电阻 3 差模输出电阻 二 共模抑制特性 1 共模电压放大倍数 2 共模输入电阻 3 共模输出电阻 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 3 三 共模抑制比KCMR 四 对任意输入信号的放大特性 5 3 3具有电流源的差动放大电路 一 共模抑制比可做的非常高 二 允许输入端有较大的共模电压变化 5 3 4差动放大器的传输特性 一 两管集电极电流之和恒等于I 二 传输特性具有非线性特性 三 差动放大器的增益与I成正比 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 4 5 3 5差动放大器的失调及温漂 一 差动放大器的失调 二 失调的温度漂移 5 4集成运算放大器的输出级电路 5 5集成运放电路举例 5 5 1集成运算放大器F007 5 7集成运算放大器的主要性能指标 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 5 第五章集成运算放大器电路 1 了解差分放大电路的组成和工作原理 掌握静态和动态参数的分析方法 2 掌握电流源电路的结构 工作原理和分析方法 3 了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点 掌握其电压传输特性和主要参数 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 6 集成电路 60年代发展起来的一种新型器件 把众多晶体管 电阻 电容及连线制作在一块半导体芯片 如 硅片 上 做成具有特定功能的独立电子线路 外型一般用金属圆壳或双列直插结构 集成电路具有性能好 可靠性高 体积小 耗电少 成本低等优点 集成运放 是一种模拟集成电路 早期实现各种数学运算 主要用于模拟计算机 现在广泛应用于各种电子系统中 是一种通用型模拟器件 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 7 5 1集成运算放大器的特点 1 级间只能采用直接耦合方式 集成工艺不能制作大电容和电感 2 尽可能采用有源器件代替无源器件 避免使用大电容 大电阻 3 利用对称结构改善电路性能 参数一致性好 但单个元器件参数误差较大 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 8 图5 1集成运算放大器组成框图 差动放大器 负载为有源负载的共射放大器 射随器或互补射随器 提供各级偏流和有源负载 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 9 5 2电流源电路 电流源电路即电流恒定的电路 可为集成运放各级电路提供稳定的静态偏置电流 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 10 图5 2 1镜像电流源 工作电流 参考电流 一 镜像电流源 CurrentMirror 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 11 图5 2 2多路镜像电流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 12 图5 2 3多集电极晶体管镜像电流源 a 三集电极横向PNP管电路 b 等价电路 集成电路中多路镜像电流源的实现 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 13 二 比例电流源 图5 2 4比例电流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 14 室温下 当两管的射极电流相差10倍时 若 1 则IE1 Ir IE2 IC2 仅为此时两管UBE电压 600mV 的10 因此 UBE1 UBE2 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 15 三 微电流源 WidlarCurrent 图5 2 5微电流电流源 当 1 1时 IE1 Ir IE2 IC2 已知Ir 1mA 要求IC2 10 A时 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 16 四 负反馈型 威尔逊 电流源 图5 2 6威尔逊电流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 17 若三管特性相同 则 1 2 3 利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为 较大的动态内阻 输出电流受 的影响也大大减小 优点 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 18 五 有源负载放大器 图5 3 1有源负载放大器 a 共射电路 b 具有倒相功能的共射电路 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 19 5 3差动放大电路 DifferentialAmplifier 5 3 1零点漂移现象 1 静态时 由于温度变化 电源波动等因素的影响 会使工作点电压 即集电极电位 偏离设定值而缓慢地上下飘动 2 在阻容耦合电路中 因为耦合电容的存在 输入级工作点的缓飘很难传到下一级去 因此可忽略它的影响 但对直接耦合放大电路 这种飘动会逐级放大 会使后级放大器进入截止和饱和 这样整个电路将无法正常工作 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 20 3 差动放大器电路能有效地克服零点漂移 图5 4 1放大器的零点漂移 等效输入漂移电压 输出漂移电压 等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 21 5 3 2差动放大器的工作原理及性能分析 图5 4 3基本差动放大器 长尾式 当Ui1 Ui2 0时 则流过RE的电流I为 故有 静态分析 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 22 图5 4 3基本差动放大器 静态时 差动放大器两输出端之间的直流电压为零 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 23 U CC R C R L R C R E U EE V 1 V 2 u o u ic RE上有静态电压和交流信号电压 0V u ic 一 共模 Common Mode 抑制特性 动态分析 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 24 R C U o c2 R C U o c1 U ic V 1 V 2 U oc 2 R E 2 R E 图5 4 4基本差动放大器的共模等效通路 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 25 1 共模电压放大倍数 双端输出时 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 26 单端输出时 1 共模电压放大倍数 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 27 2 共模输入电阻 注 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 28 3 共模输出电阻 单端输出时 单端输出时 双端输出时 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 29 二 差模 Difference Mode 放大特性 动态分析 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 30 图5 4 6基本差动放大器的差模等效通路 U od1 U od2 R L 2 R L 2 V 2 V 1 U id1 U id2 U id R C R C U od I b1 I b2 I c1 I c2 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 31 双端输出 浮动输出 时 1 差模电压放大倍数 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 32 单端输出时 1 差模电压放大倍数 负载RL 情况下 或 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 33 2 差模输入电阻 InputDifferentialResistance 注 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 34 3 差模输出电阻 OutputDifferentialResistance 单端输出时为 双端输出时为 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 35 三 共模抑制比KCMR Common ModeRejectionRatio 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 36 四 对任意输入信号的放大特性 0V 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 37 1 任意输入信号的分解及输入电压 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 38 2 任意输入信号作用下 输出电压的计算 双端输出时的电路图 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 39 单端输出时的电路图 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 40 如两端都不接地 这种接法称为双端输入 如信号源一端接地 这种接法称为单端输入 3 关于只有一路信号源接入差动放大器 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 41 5 3 3具有电流源的差动放大电路 图4 12所示的基本差动放大器 存在两个缺点 一是共模抑制比做不高 若UEE 15V 则室温下 KCMR 单 的上限约为300 而与RE的取值无关 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 42 二是不允许输入端有较大的共模电压变化 公共射极电位变化 差放管的静态工作电流变化 rbe改变 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 43 图5 15具有电流源的差动放大器电路 a 用单管电流源代替RE的差动电路 b 电路的简化表示 恒流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 44 静态工作点的估算 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 45 一 共模抑制比可做的非常高 二 允许输入端有较大的共模电压变化 Auc 0 Auc 单 0 KCMR KCMR 单 高 电流源的输出电阻非常大 rbe几乎不变 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 46 5 3 4差动放大器的传输特性 TransferCharacteristic 图5 16简化的差动放大器 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 47 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 48 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 49 i C1 i C2 I i C1 i C2 i C1 i C2 6 U T 4 U T 2 U T 0 2 U T 4 U T 6 U T u id Q I 2 a 电流传输特性曲线 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 50 b 电压传输特性曲线 图5 17差动放大器的传输特性曲线 u o IR C 6 U T 4 U T 2 U T 0 2 U T 4 U T 6 U T u id IR C 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 51 一 两管集电极电流之和恒等于I 二 传输特性具有非线性特性 当uid 0时 差动电路处于静态 这时 iC1 iC2 ICQ I 2 1 在静态工作点附近 当 uid UT 即室温下 uid在26mV以内时 传输特性近似为一段直线 2 当 uid 4UT 即uid超过100mV时 传输特性明显弯曲 而后趋于水平 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 52 三 差动放大器的增益与I成正比 双端输出时跨导 单端输出时跨导 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 53 差动放大器的跨导与单级共射电路的跨导相等 从增益的角度看 相当于一级共射电路 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 54 实现了两个模拟信号电压相乘 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 55 5 3 5差动放大器的失调及温漂 一 差动放大器的失调 当输入信号为零时 由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称 因而使得输出不为零 这种现象 称为差动放大器的失调 与失调有关的具体因素 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 56 图1实际差动电路的失调电压和失调电流 总输入失调电压 总输出失调电压 差模源电压增益 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 57 UOOS 图1实际差动电路的失调电压和失调电流 IIO RS很大并接近开路时的输入失调参数 UIO RS为0时的输入失调参数 IIO UIO 差分放大器的固有参数 利用戴维南等效定理可得a b两点间开路电压 b a 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 58 R C R C R C U i V 1 V 2 U o U EE I U CC I B2 I IO 2 I IO 2 U IO I B1 图5 19差动电路的失调电压和失调电流 补偿电压 补偿电流 RS RS I B I B 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 59 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 60 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 61 图5 20差动放大器的调零电路 a 射极调零 b 集电极调零 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 62 二 失调的温度漂移 TemperatureDrift 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 63 5 4集成运算放大器的输出级电路 图5 21互补对称型射极 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 64 图5 22交越失真产生的原因及波形 硅管导通电压 约为0 5V 在0 5 0 5V之间 两管的输出电流近似为零 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 65 图5 23克服交越失真的互补电路 a 二极管偏置方式 b 模拟电压源偏置方式 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 66 5 5集成运放电路举例 5 5 1集成运算放大器F007 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 67 图5 24F007电路原理图 输入级 中间级 输出级 比例电流源 镜像电流源 镜像电流源 微电流电流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 68 5 7集成运算放大器的主要参数 一 输入失调电压UIO和输入失调电流IIO 二 失调的温漂 三 输入偏置电流IIB 四 开环差模电压放大倍数Aud 五 共模抑制比KCMR 当外接RS足够大 使IIORS UIO时 失调电流 IIO IB1 IB2 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 69 六 差模输入电阻Rid 七 共模输入电阻Ric 八 输出电阻Ro 九 输入电压范围 十 带宽 十一 转换速率 压摆率 SR 十二 静态功耗Pc 十三 电源电压抑制比PSRR 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 70 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 71 作业 4 1 1 4 2 4 4 4 5 4 7 4 6 4 12 4 14 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 72 图5 2单管电流源电路 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 73 图5 8威尔逊电流源 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 74 1 2 3 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 75 4 5 6 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 76 2020年2月14日星期五 模拟电子技术 77 以平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺 1 由外延 氧化 光刻 扩散和薄膜淀积 或叫蒸铝 五种基本技术组成平面工艺 2 采用PN结隔离技术和介质隔离技术 3 NPN型晶体三极管是最基本的器件 PNP型晶体三极管有纵向和横向两种结构 由于发射区不是高掺杂的 因而 它们的 值极低 约在2 20之间