《模拟集成电路》课件.ppt

6 2差分式放大电路 6模拟集成电路 6 4集成电路运算放大器 6 1模拟集成电路中的直流偏置技术 6 3差分式放大电路的传输特性 2 2理想运算放大器 2 3基本线性运放电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 6 6变跨导式模拟乘法器 6 7放大电路中的噪声与干扰 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 引言 一 集成电路的简述 1 各元件在同一个芯片上 对称性好 2 用有源元件代替无源器件 4 级间采用直接耦合方式 5 二极管一般用三极管的发射结构成 二 模拟集成电路的特点 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 3 采用复合结构的电路 高阻值电阻用三极管代替或外接 三 BJT在模拟集成电路的特殊应用 b 1 用BJT构成二极管 BJT 若电流源的电流越恒定 ro就越大 可得到高值电阻 四 电流源在放大电路中作为直流偏置的应用及作用 作用 提供稳定偏置电流IB 2 提高输入电阻 Ri rbe ro 作用 提供稳定偏置电流IE和IC 稳定静态工作点 2 提高电压放大倍数 作用 提供稳定偏置电流IE和IC 稳定静态工作点 2 提高输入电阻 1 镜像电流源 1 参数计算 用BJT或FET构成电流源 6 1模拟集成电路中的直流偏置技术 一 BJT构成电流源电路 当较大时 显然IC2与RL无关 相当于向RL提供恒定的电流 因为T1 T2参数完全相同 2 负载电流IC2的确定 若需 A级电流的电流源 则要求R很大 在IC中难以实现 可采用微电流源电路 3 电流源在放大电路的应用 电流源在电路中 一方面提供集电极电流 另一方面它也起集电极电阻 的作用 由于电流源的交流电阻大 常常在IC中作为有源负载 提高电压放大倍数 2 微电流源 T2管射极串有电阻Re2 T1 T2参数不要求对称 3 多路电流源 1 电路结构 2 工作原理 参数计算 1 差模输入信号 2 共模输入信号 差模电压增益Avd 2 共模电压增益Avc 6 2差分式放大电路 用于输入级 一 输入信号的分类 3 任意输入信号 由有用信号决定的输入信号 vi1 vi2 vic 主要由有温度 干扰等引起的等效输入信号 二 术语 一 概念 对放大电路而言 其值越大越好 对放大电路而言 其值越小越好 一对任何输入信号 可分解为差模输入和共模输入的线性组合 差模和共模信号同时存在时 可由叠加原理求总输出 其中 例如 vi1 10mV vi2 6mV 其中vic vi1 vi2 2 8mV vid vi1 vi2 4mV 则原信号可分解为 vi1 mV mV vi mV mV 三 零点漂移及抑制 当有用信号vi 0时 由于温度变化及干扰等共模信号的存在 可以测出输出电压v0并不为零 而为缓慢地 无规则地变化着 出现不应有的输出信号 把温度变化及干扰等共模信号在放大电路的输出端造成的缓慢地 无规则地变化的输出信号称为零点漂移 把它折算到输入端的电压称为等效输入漂移电压vic voc 零点漂移的抑制须在多级放大电路的最前级 输入级 开始 作为输入级的放大电路应采用差分式放大电路 二 BJT射极耦合差分式放大电路的结构 分类 由两个结构对称 特性及参数相同的 单级放大电路组成 恒流源提供直流偏置 电路由正电源 VCC和负电源 VEE供电 一 结构 基本型 有两个输入端 同相输入端 反相输入端 同相输入端 反相输入端 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单输输入 双端输出 单端输入 单端输出 二 分类 共四种电路形式 一 静态分析 电路完全对称 算一个管子即可 三 射极耦合差分式放大电路的分析 RC1 RC2 RC 1 差模信号双端输入情况的动态分析 二 动态分析 差模信号交流通道 1 步骤 原电路 对差模信号 差模信号交流通路 差模微变等效电路 差模信号交流通路 差模信号交流通道 差模微变等效电路 差模动态分析步骤 差模信号交流通路 差模微变等效电路 原电路 差模动态分析步骤 2 动态值的计算 差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 a 双端入 双端出的情况 b 双端入 单端出的情况 差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 差模电压放大倍数大 差模输入电阻很小 如何解决 差模动态分析 v01 vo1和vo2大小相等 相位相反 负载中点必为零电位 差模信号交流通路 差模微变等效电路 原电路 思考 若在T1 T2的集电极接负载电阻RL 它的差模信号交流通路 差模微变等效电路 动态值如何 VEE 差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 a 双端入 双端出的情况 b 双端入 单端出的情况 差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 差模动态分析 差模信号单端输入情况的动态分析 ro很大 ro可开路 vid近似均分在两管的b e间 由于两管电路完全对称 单端输入的电路工作情况与双端输入时的电路工作情况近似一致 动态值的计算也一样 共模信号双端输入情况的动态分析 共模信号交流通道 1 步骤 原电路 对共模信号 共模信号交流通路 共模信号交流通路 共模信号交流通道 共模微变等效电路 共模放大倍数计算 T1管的共模微变等效电路 同理 2 双端输出的共模增益 1 单端输出的共模增益 当ro越大 共模增益越小 抑制共模信号 零点漂移 的能力越强 四 共模抑制比 例 AVD 200AVC 0 1 KCMR KCMR dB 分贝 则KCMR 20lg 200 0 1 66dB 双端输出时 理想地 AVC 0 KCMR 为衡量差动放大器 放大差模信号 抑制共模信号的能力 引入了 共模抑制比 6 4集成电路运算放大器 简称 运放 一 集成运算放大器的基本结构及符号 基本结构 2 符号 国际标准符号 国内标准符号 同相输入端 反相输入端 对直流信号 交流信号放大 1 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 提高KCMRR 采用差分放大器 输入阻抗Ri尽可能大 采用复合三极管或场效应管 通频带要宽 采用复合三极管 2 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 采用带有源负载的高增益放大器 3 对输出级的要求 主要提高带负载能力 给出足够的输出电流io 即输出阻抗Ro小 采用互补功率放大器 二 对集成运放内部各级的要求 4 对直流偏置电流源的要求 提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流 以稳定工作点 采用高精度电流源 5 对各级之间连接要求 级间采用直接耦合方式 三 集成运放的类型 1 通用型 性能指标适合一般性使用 其特点是电源电压适应范围广 允许有较大的输入电压等 如CF741等 还有宽带型 高压型等等 使用时须查阅集成运放手册 详细了解它们的各种参数 作为使用和选择的依据 2 低功耗型 静态功耗 2mW 如XF253等 3 高精度型 失调电压温度系数在1 V 左右 能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性 如CF75 CF7650等 4 高阻型 输入电阻可达1012 如F55系列等 四 集成运放内部结构举例 以BJTLM741为例 3 2 偏置电路 T10 T11 微电流源 向T3 T4提供基极偏置电流 T8 T9 镜像电流源 向T1 T2提供集电极偏置电流 T12 T13 镜像电流源 其中T13的 路向输出级中的T14 T15复合管提供偏置电流 B路向中间级的T17提供偏置电流 同时有源负载 提高中间级电压增益 T22 T23 镜像电流源 向T21提供集电极偏置电流 3 中间级 由T16 T17组成 其中T16为共集电极放大电路 提高输入电阻 它的基极接受由 6传来的有用信号 作为中间级的输入端 T17为共射极放大电路 它的集电极负载为T13B组成的有源负载 可获得很高的电压增益并将放大的信号传到T24组成的缓冲级 通过T24的发射极又将信号传到输出级中的T20的基极 达到阻抗匹配的作用 4 输出级 由T14 T20组成互补对称OCL功率放大电路 T18 T19向T14 T20的基极间提供偏压 从而消除功率放大电路的交越失真 T15 T21分别作为T14 T20的旁路 限制T14 T20的电流 从而保护功率管T14 T20 正电源 负电源 1 输入级 由T1 T3和T2 T4组成共集 共基复合差分放大电路 提高输入电阻 共模抑制比 改善频率响应 其中T1 T2为共集电路 T3 T4为共基电路 由T5 T7组成高精度电流源 向T3 T4提供集电极偏置电流 同时也作为T4的有源负载 提高输入极电压增益 由T4的集电极将输入信号传输到中间级做进一步的放大 同相输入端 反相输入端 六 集成运放的外型封装结构 金属封装器件以管键为辨认标志 由器件顶上向下看 管键朝向自己 管键右方第一根引线为引脚1 双列直插式以缺口为辨认标记 由器件顶上向下看 标记朝向自己 标记右方第一根引线为引脚1 然后逆时针围绕器件 依次数出其余引脚数 集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装 如上图所示 金属壳封装有8 10 12管脚等种类 双列直插式有8 10 12 14 16管脚等种类 2 2理想运算放大器 一 理想集成运放的主要参数 1 开环差模电压放大倍数 Av 2 输入电阻 Ri 3 输出电阻 Ro 0 4 带宽 BW 6 转换速率 SR 5 共模抑制比 KCMR Av越大 运放的线性范围越小 对于理想运放而言 当反相输入端和同相输入端不等时 输出电压是一个恒定的值 失去放大作用 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 例 若VOM 12V Ao 106 则 ui 12 V时 运放处于线性区 线性放大区 二 运放的电压传输特性曲线 vo f vi f vp vn 的曲线 当vi不等于零时 即当反相输入端的电压和同相输入端的电压不等时 形成输出电压vo 二 理想运放的特点 虚短 虚断 0 一 反相输入的比例运算电路 2 3基本线性运放电路 比例运算 ip in 0 放大倍数 1 反相输入端对地之间无电阻的情况 vp 0 vn i1 if R2 R1 Rf 当两个输入端分别对地的电阻相等时 才能保证输入级的对称 平衡电阻 一 反相输入的比例运算电路 ip in 0 电压放大倍数 反相输入端对地之间有电阻的情况 vp 0 vn ii if ii if in i3 i3 0 结论 对反相输入的比例运算电路而言 反相输入端对地之间 有无电阻 电压放大倍数都一样 R2 R1 R Rf 平衡电阻 二 同相输入的比例运算电路 ip in 0 电压放大倍数 1 同相输入端对地之间无电阻的情况 vp 0 vn ii if 二 同相输入的比例运算电路 ip in 0 电压放大倍数 同相输入端对地之间有电阻的情况 vn ii if 结论 对同相输入的比例运算电路而言 同相输入端对地之间 有无电阻 电压放大倍数不一样 三 同相输入的比例运算电路的特例 电压跟随器 R1 Rf 0 由同相输入的比例运算电路电压放大倍数 可知 当 R1 Rf 0时 Av 1 从而可构成电压跟随器 同相输入的比例运算电路 电压跟随器 特点 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 加法 减法 积分 微分运算电路 引言 运放电路的分析方法 方法一 利用同相输入和反相输入放大电路的放大倍数公式及叠加原理 方法二 利用虚短 虚断的概念进行推导 该法特点 计算量小且快捷 但不能适用于所有的运放电路 该法特点 推导 整理较繁琐 但适用于所有的运放电路 一 求差电路 减法运算 vi1 vi2共同作用 vi1单独共同作用 vi2单独共同作用 当R1 R2 R3 R4时 vo vi2 vi1 差分放大电路 二 求和电路 加法运算 同相求和 反相求和电路 1 反相求和运算电路 vi1 vi2共同作用 vi1单独共同作用 vi2单独共同作用 当R1 R2 R3时 vo vi1 vi2 同相求和运算电路 vi1 vi2共同作用 vi1单独共同作用 vi2单独共同作用 当R1 R2 R3 R4时 vo vi1 vi2 例 试求下图所示电路的电压vo v0 v01 v02 v03 v04 解 例2 试求下图所示电路的电压增益Av v4 i1 i2 ip in 0 又 i2 i4 i3 解 vi vo 三 仪用放大器 Rt 热敏电阻 集成化 仪表放大器 Rt f T0C 1 应用举例 2 分析 根据虚短概念可得 A2 A1 A3 运放A1 A2的反相输入端的电位分别为vi1 vi2 根据虚断概念可得 iR2 iR1 iR3 iR1 即R1与两个R2构成串联 四 积分运算电路与微分运算电路 一 微分运算 由虚短