模电童诗白清华第四版课件 第14讲 集成运算电路.ppt

多级放大电路,差分放大电路,直接耦合互补输出级,第一级,末级,集成运算放大电路,集成电路的发展历程,4.1 集成运算放大电路概述,4.1.1 集成电路的结构特点,1 集成,采用一定的制造工艺，将晶体管、二极管、电阻、电容等许多元件构成的完整的电路制作在同一半导体基片上，加以封装。,2 大规模集成电路,硅片的面积只有几十平方毫米,一个集成块内包含有一千个以上元器件,运算放大器外形图,相邻元件具有良好的对称性,受环境温度等影响的变化相同,差分放大电路,允许采用复杂的电路形式以提高各方面性能。,集成运放的体积越来越小，功能却越来越强,采用复合管,3 集成电路的特点,硅片上不能制作大电容,直接耦合方式,硅片上不能制作高阻值电阻,用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。,4 理想运算放大器,开环电压放大倍数,Auo,差模输入电阻,Rid,开环输出电阻,Ro0,高性能：高输入电阻，低输出电阻，高差模放大倍数，能较好抑制温漂的差分放大电路。, 集成运算放大电路是一个高性能的直接耦合放大电路。,4.1.2 集成运算放大电路的组成及各部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,4.1.3 集成运放的电压传输特性,1 集成运放的符号,集成运放有同相输入端和反相输入端。,Up:输入电压与输出电压同相，为同相输入端。,UN:输入电压与输出电压反相，为反相输入端。,ui=up-uN,线性区,uo=Aod(uP-uN),饱和区,uo=UOM,由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。,两个输入端加入微小的电压，输出电压都将超出其线性范围，达到UOM，所以必须引入负反馈才能保证集成运放工作在线性区。,2 电压传输特性 uO=f(uP-uN),运算放大器工作在线性区时，分析依据：,(1)由于运算放大器的差模输入电阻rid ,可认为两个输入端的输入电流为零。即：,uo=Auo(u+-u-),虚短路,(2)由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo 而输出电压是一个有限的数值,即:,T0、T1两只管子特性完全相同,UBE0=UBE1,IB0=IB1,IC0=IC1,IR=IC0+2IB,IB0=IB1=IB,IC0=IC1=IC,4.2 集成运放中的电流源电路,4.2.1 基本电流源电路（1） 镜像电流源,IC0，IC1呈镜像关系, 此电路为镜像电流源。,电阻R中的电流IR为基准电流,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,电路中有负反馈吗？有，见P189,基准电流,若较小，只有几到十几倍,若2,若=10,问题2：CC一定，如何改变输出电流IC1？,IC1IR,IR ，电阻的功耗增大,要增大IC1,要减小IC1,增大电阻R,不利于集成化,问题1：晶体管构成的电流源是否具有温度稳定性？,较小，可采用改进型的电流源,UBE0+IE0Re0= UBE1+IE1Re1,UBE0UBE1,IE0Re0 IE1Re1,右边电路：IC1IE1,左边电路：IRIC0IE0,（2） 比例电流源,首先求出基准电流,输出电流IC与IR成比例，可大于或小于IR，克服了镜像电流源的缺点。,REO、RE1是电流反馈电阻，IC1具有温度稳定性,IB0+IB1,（3） 微电流源,集成运放输入级放大管的集电极静态电流很小，又不能用大电阻，可以采用微电流源。,将比例电流源中的Re0减小到0.,IC1IE1,IC0,利用图解法或累试法求解,超越方程,IRIC0IE0,T0、T1、T2三只管子特性完全相同,IB0=IB1=IB,IC0=IC1=IC,IE2=2IB=(+1)IB2,4.2.2 改进型电流源电路,一、加射极输出器的电流源,加装T2且从发射集引出,说明即使很小，IC1趋向于IR,二、威尔逊电流源,T0、T1、T2三只管子特性完全相同,T1的c-e串联在T2的发射极，作为与典型工作点稳定电路重的Re，因很大，可使IC2高度稳定。,UBE0UBE1UBE2UBE3 因为UBE相差不多,UBE0+IE0Re0= UBE1+IE1Re1= UBE2+IE2Re2= UBE3+IE3Re3,IE0Re0IE1Re1IE2Re2IE3Re3,4.2.4多路电流源,1 基于比例电流源的多路电流源,可根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,2 多集电极管构成的多路电流源,注意：基极电流一定时，集电极电流之比等于他们的集电区面积之比。T多为横向PNP型管。,3 MOS管多路电流源,根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。,MOS管的漏极电流ID正比于沟道的宽长比。,设宽长比W/L=S，且T1T4的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则,基准电流,所有B-E间的电压均为0.7V。,试求：各管的集电极电流,电路中T10与T11为纵向管，,T12与T13是横向管，均为5,T10与T11微电流源,图4.2.9 F007中的电流源电路,T12与T13构成镜像电流源,解：,首先求基准电流IR,T10与T11构成微电流源,T12与T13构成镜像电流源,利用累试法或图解法求出IC1028uA,+VCC,Rc,Rc,ui1,ui2,100,T0,T1,已知:T0T4的均为100，rbb=200 ，Rc=7.5k， R1=6.2k,，R2=R3=100，VCC=VEE=6V，电位器 RP=100 ，试求：（1）电路的静态工作点（2）电路的差模Aud Ri Ro,解：,（1）电路的静态工作点,具有电流源的差分放大电路，计算静态工作点从电流源入手。,UCQ1=UCQ2=VCC-ICQRC=6-7.50.42=2.85V,(二）求解电路的动态参数,静态电流不变的情况下,如何增大电压放大倍数?,增大电阻RC,IC不变,提高电源电压VCC, 在集成运放中，用电流源来取代电阻RC,这样，在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，又可得到很高的电压放大倍数。,4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路,Au=?,一、有源负载共射放大电路,哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？静态时UIQ为多少？,RL(rce1/rce2),为什么要考虑 h22?1/ h22为c-e间动态电阻rce，为几百千欧,二、有源负载差分放大电路,差分放大电路，双端输出时具有良好的共模抑制比，而且增益是单端输出的两倍，所以双端输出的性能优于单端输出。,电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？静态时IO约为多少？动态时iO约为多少？,输入共模信号,共模输出电压为零,静态：,输出电流是单管输出两电流的两倍，从而实现了单端输出方式而具有双端输出的电压。,输入差模信号,4.3 集成运放电路简介 一、读图方法,（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。,已知电路图，分析其原理和功能、性能。,二、举例 型号为F007的通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。,双端输入、单端输出差分放大电路,以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路,用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级,三级放大电路,简化电路分解电路,输入级的分析,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。,共集-共基形式,Q点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8,IC9与IC8为镜像关系IC9,因为IC10不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2,T1和T2从基极输入、射极输出,T3和T4从射极输入、集电极输出,输入级的分析,T7的作用：抑制共模信号,T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。,作用？,+,_,放大差模信号,特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。,中间级的分析,中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。,F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。,中间级,输出级,输出级的分析,D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。,iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。,准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。,中间级,输出级,特点：输出电阻小最大不失真输出电压高,判断同相输入端和反相输入端,F007所具有的高性能,Ad较大：放大差模信号的能力较强Ac较小：抑制共模信号的能力较强rid较大：从信号源索取的电流小ro小：带负载能力强Uom大：其峰值接近电源电压输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。uIcmax大：接近电源电压,4.4 集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 Aod 106dB ,差模输入电阻 rid 2M ,共模抑制比 KCMR 90dB ,输入失调电压UIO 小于2mV 0,使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。,UIO的温漂dUIO/dT() 几V/ 0,指标参数 F007典型值 理想值,输入失调电流 IIO 20nA 0,IIO的温漂dIIO/dT() 几nA/ 0,-3dB带宽 fH 10Hz ,能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。,最大差模输入电压 UIdmax 30V,超过此值输入级差分管将损坏。,上限截止频率。,对大信号的反应速度,为什么这么低？,最大共模输入电压 UIcmax 13V,转换速率 SR 0.5V/S ,集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0UIO的温漂d UIO/dT() 几V/ 0输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0UIO的温漂d UIO/dT() 几nA/ 0 最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S ,4.5 集成运放的种类,按工作原理,电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压,按可控性,可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大,集成运放的种类,按性能指标,高 阻 型：rid，可高于1012。 用于测量放大器、信号发生器。高 速 型： fH和SR高， fH可达1.7GHz，SR可达 103V/S。 用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益， Aod高于105dB。 用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。低功耗型：工作电源电压低、静态功耗小，在100200W。 用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器,通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。,讨论一,根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。已知现有集成运放的类型是： 通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高压型 大功率型 高精度型1. 作低频放大器，应选用 。2. 作宽频带放大器，应选用 。3.