教学课件PPT集成电路运算放大器.ppt

第六章集成电路运算放大器 6 1集成电路运算放大器中的电流源 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 把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上 构成特定功能的电子电路 1 就集成度分 小规模 中规模 大规模 超大规模 每块芯片上可有上亿个元件 2 就导电类型分 双极型 单极型 两者兼容型 3 就功能分 数字集成电路 模拟集成电路 集成电路 分类 由于制造工艺上的原因 模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点 1 电阻和电容的值不宜做得太大 电路结构上采用直接耦合方式 由于集成电路中 电阻是利用npn管的基区体电阻构成 电阻值的范围一般为几十欧 10千欧左右 阻值范围不大 且阻值精度不易控制 误差可达10 20 所以 若需要高阻值电阻 可用bjt或fet等组成的恒流源代替 或采用外接电阻的方法 电容则采用pn结的结电容构成 约在100pf以下 误差也较大 因此电路结构只能采用直接耦合方式 电感的制造则更加困难 集成电路的特点 2 为克服直接耦合电路的温度漂移 常采用差分式放大电路作为输入级 3 尽量采用bjt 或fet 代替电阻 电容和二极管等元件 在集成电路制造工艺中 制造三极管 特别是npn管 比制造其他元件容易 且占用面积小 性能好 因此常用bjt 或fet 构成恒流源作偏置电阻 将bjt的基极和集电极短接构成二极管 稳压管等 用复合管 共射 共基 共集 共基等组合电阻来改善单管电路的性能 1 镜像电流源 2 微电流源 3 电流源用作有源负载 6 1集成电路运算放大器中的电流源 1 镜像电流源 设t1 t2参数完全相同 1 2 iceo1 iceo2 vbe1 vbe2 ie1 ie2 ic1 ic2 ic2 ic1 iref vcc vbe r vcc r 无论rc的值如何 ic2的电流值将保持不变 ic2 iref ic2与iref互为镜像 改进 带缓冲的镜像电流源 镜像电流源电路适合用于较大工作电流 ma级 的场合 若需要ic2 r 在集成电路中不易实现 故推出微电流源 a级 iref 利用t3的电流放大作用 减小ib对irfe的分流作用 提高ic3与irfe互成镜像的精度 r 2 微电流源 ie2re2 vbe1 vbe2 ie2re2 vbe2 vbe1 kvl方程 ie2 vbe1 vbe2 re2 vbe re2 ic2 vbe的数值很小 ic2亦很小 故称为微电流源 iref vcc vbe r vcc r 当电源变化时 iref变化 vbe变化很小 ic2变化很小 远小于iref的变化 ic2较稳定 3 电流源作有源负载 共射电路的电压增益为 对于此电路rc就是镜像电流源的交流电阻 一般在几百千欧以上 因此增益为 比用电阻rc作负载时提高了 end 放大管 6 2差分式放大电路 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 0概述 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 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 电源电压波动也是原因之一 例如 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 第一级是关键 3 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差分式放大电路 漂了100uv 漂移10mv 100uv 漂移1v 10mv 漂移1v 10mv 共模抑制比 反映抑制零漂能力的指标 4 差分式放大电路中的一般概念 根据1 2两式又有 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 总输出电压 差模信号输出 共模信号输出 6 2 1基本差分式放大电路 1 电路组成及工作原理 静态 vi1 vi2 0 动态 仅输入差模信号 大小相等 相位相反 大小相等 信号被放大 相位相反 1 电路组成及工作原理 2 抑制零点漂移 温度变化和电源电压波动 都将使集电极电流产生变化 且变化趋势是相同的 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号 2 抑制零点漂移 另一方面 由此看出 温度升高时 引起两集电极电流增加 使得流过re上的电流增加 发射极电位上升 从而限制了集电极电流的增加 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程 所以 即使电路处于单端输出方式时 仍有较强的抑制零漂能力 3 主要指标计算 1 差模电压增益 接入负载时 双入 双出交流通路 双入 单出 双入 双出 接入负载时 3 主要指标计算 1 差模电压增益 单端输入 等效于双端输入 指标计算与双端输入相同 2 共模电压增益 双端输出 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化 所以 共模增益 单端输出 抑制零漂能力增强 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 单端输出时的总输出电压 4 频率响应 高频响应与共射电路相同 低频可放大直流信号 4 几种方式指标比较 4 几种方式指标比较 与共源电路相同 6 2 2fet差分式放大电路 1 电路组成 2 差模增益 3 差模输入电阻 作业 6 1 1 6 1 2 6 1 3 6 2 2 6 2 3 6 2 7 6 3集成电路运算放大器 二 简单的集成电路运算放大器 一 集成电路运放内部组成原理框图 一 集成电路运放内部组成原理框图 功放 电压 流 放大 恒流源 差分式输入 二 简单的运算放大器电路 r1 r2 t1 t2 t7 t8 r8 t4 t3 r4 r3 r7 t9 t6 t5 r6 r5 vee vcc vi1 vi2 vo ic1 ic2 ir3 ic7 ir4 ie5 ie6 iref 电路特点 vid vi1 vi2 0vo 0 1 电路分析 2 电路计算 放大电路的直流计算 放大电路总电压增益av的计算 结论 多级放大电路的增益等于各级放大电路的增益之积 其中 输入级的电压增益avd 电压放大级的电压增益av2 输出级的电压增益av3近似为1 6 4集成电路运算放大器的主要参数 开环差模电压增益avo 集成运放工作在线性区 接入规定的负载 无外加反馈时的差模电压增益 通用型集成运放的avo通常在左右 2 共模抑制比kcmr 等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值 3 差模输入电阻rid 集成运放在输入差模信号时的输入电阻 希望越大越好 6 4集成电路运算放大器的主要参数 6 4集成电路运算放大器的主要参数 7 温度漂移 希望越小越好 由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的 表示为 输入失调电压温漂 vio t 指在规定温度范围内vio的温度系数 输入失调电流温漂 iio t 指在规定温度范围内iio的温度系数 最大差模输入电压vidmax 集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值 当输入电压大于此值时 输入级将损坏 6 4集成电路运算放大器的主要参数 9 最大共模输入电压vicmax 运放所能承受的最大共模输入电压 超过此值 集成运放便不能对差模信号进行放大 最大输出电流iomax 运放所能输出的正向或负向的峰值电流 开环带宽bw fh 3db 开环带宽bw又称 3db带宽fh 是指开环差模电压增益下降3db时对应的频率fh 6 4集成电路运算放大器的主要参数 12 单位增益带宽bwg ft 对应于开环电压增益avo频率响应曲线上其增益下降到avo 1时的频率 即avo为0db时的信号频率ft 与晶体管特征频率相似 13 转换速率sr 放大电路在闭环状态下 输入为大信号 例如阶跃信号 时 放大电路输出电压对时间的最大变化速率 一般在大信号和高频信号工作时 要求集成运放的sr也就越大 一般 在近似分析中常把集成运放理想化 在理想运放中 把avo kcmr rid bw sr视为无穷大 把vio iib iio vio t iio t ro视为零 思考题 答 两个放大电路是否都可以放大0 1mv的信号 end 输入端漂移电压为0 2mv 输入端漂移电压为0 002mv a1不可以 a2可以 思考题 1 若在基本差分式放大电路中增加两个电阻re 如图所示 则动态指标将有何变化 答 双端输出差模增益