西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第4章ppt课件

4.1集成运放概述,集成电路把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。,体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。,4集成运算放大器,1.集成电路的主要特点,2.集成电路的分类,(1)按功能分,a.模拟集成电路,b.数字集成电路,主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。,主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。,数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。,(2)按集成度分,a.小规模集成电路（SSIsmallscaleintegrationcircuit)。,b.中规模集成电路（MSImiddlescaleintegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。,集成度：一块芯片上包含的元器件在1001,000之间。,c.大规模集成电路（LSIlargescaleintegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000100,000之间。,d.超大规模集成电路（VLSIverylargescaleIntegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。,e.目前的集成电路,(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。,(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。,(c)集成度大约每3年增加一倍。,(d)出现了系统级芯片（SOCsystemonchip）。,(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。,(3)按制造工艺分,a.半导体集成电路,b.薄膜集成电路,集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。,c.厚膜集成电路,厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。,3.模拟集成电路的分类,(1)线性集成电路,输出信号与输入信号呈线性关系。,(2)非线性集成电路,线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。,线性集成电路有：集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。,输出信号与输入信号呈非线性关系。,4.集成运算放大器概述,(1)集成运算放大器简称集成运放,b.信号处理。,(2)集成运算放大器的主要应用,a.完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。,c.波形产生。,d.信号测量。,(3)集成运放发展的三个阶段,a.通用型集成运放的广泛使用。,b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。,c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。,(5)是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。,(3)输出电阻小，几百欧以下。,(4)通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。,5.集成运放的主要特点,(1)电压放大倍数高，103105倍。,(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,(1)相邻元器件的特性一致性好。,(2)用有源器件代替无源器件。,(3)二极管大多由三极管构成。,(4)只能制作小容量的电容，难以制造电感和较大容量的电容(C2000pF)。,(5)电路采用直接耦合的方式。,4.1.1集成电路中元器件的特点,4.1.2集成运放的典型结构,1.典型结构,(1)偏置电路,2.各部分的作用,具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。,为各级电路提供稳定合适的偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。,(2)输入级,为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。,主要进行电压放大，具有很高的电压增益。,(3)中间级,(4)输出级,3.集成运算放大器的电路符号,4.2.1典型差分放大电路,4.2集成运放中的基本单元电路,1.电路组成,(1)电路特点,a.电路两边对称。,b.两管共用发射极电阻RE。,c.具有两个信号输入端。,d.信号既可以双端，也可以单端输出。,两个输入端信号电压的差值是有用的，称之为差模输入信号，因而该电路称为差分放大电路。,(2)信号的输入,(3)抑制零漂的原理,（T1和T2特性相同）,(a)当温度T一定时,(uI1=uI2=0),a.电路双端输出,(b)当温度增加时,在双端输出的情况下，漂移为零。,b.单端输出时,因射极电阻RE的负反馈作用,可以抑制零点漂移,2静态分析,直流通路,因为电路对称，所以,列输入回路方程,由此可得,因,3.动态分析,(1)小信号差模特性,差模信号,记为,当时的输入信号,差模输入时放大电路中的电流,由于,电阻RE上无交流电流，T1、T2发射极虚地。,交流通路,由于,故,1)差模电压放大倍数,a.双端输出,b.单端输出,(a)输出uO1,(b)输出uO2,c.RL时,(a)双端输出,负载电阻RL的中点虚地,由于,等效电路,Aud与单级共射极电路电压放大倍数相同。可见，差分放大电路是用“数量换质量”。,(b)单端输出,从T1的集电极输出,输出与输入反相,从T2的集电极输出,输出与输入同相,2)差模输入电阻,a.单端输出时,求Ro的等效电路,3)输出电阻Ro,b.双端输出时,求Ro的等效电路,(2)小信号共模特性,共模信号,记为,当uIc1=uIc2时的输入信号,1)共模电压放大倍数,a.双端输出共模电压,共模电压放大倍数,故,b.单端输出,交流通路，,电压放大倍数,一般情况,一般情况中,故,差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。,综上所述,单端输出时,双端输出时,2)共模抑制比,共模抑制比的定义,或者,a.双端输出,b.单端输出,因,3)共模输入电阻,交流通路，,因为,故,4)输出电阻,双端输出时,单端输出时,(3)任意输入信号的分解,既不是差模信号又不是共模信号的输入信号,任意信号,令,那么,任意信号可以分解成差模和共模信号两种性质的输入信号,任意输入信号分解示意图,uI10，uI2=0,特别的，对于单端输入,即,或,uI1=0，uI20,单端输入是一种特殊的双端输入形式,(4)大信号传输特性,线性区,截止、饱和区,截止、饱和区,传输特性,(a)静态工作点IC、UC之值；,(b)uO及KCMR之值；,(c)若将RL接在C1对地之间，求UC、uO及KCMR；,(d)Rid、Ric和Ro之值。,例电路如图所示。设T1、T2的特性一致，=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。试求：,解为了计算简单，设调零电位器RW的滑动端在电位器的中间。,(a)画出放大电路的直流通路,直流通路,由图可得,由上两式得,因,则有,(b)根据题意,(c)当RL在C1对地之间时,经整理可得,(12V),(+12V),IC,UC,c1,c2,IE,IB,IRL,(d)差模输入电阻,共模输入电阻,输出电阻Ro,双端输出时,单端输出时,双端输出,单端输出,对于图示电路,4.2.2带恒流源的差分放大电路,RE越大，KCMR越大，电路抑制共模信号的能力越强。,a.当VEE一定，IE减小，rbe增大，Aud减小。,c.在集成电路中不易制作较大阻值的电阻。,RE太大对电路的影响,b.为了维持IE不变，必须提高电源电压VEE。,恒流源的主要特点,b.直流电阻较小,a.具有很大的交流等效电阻,恒流源,通常采用恒流源来代替RE,当iB恒定，则iC恒定，晶体管相当于一个电流源。,当晶体管工作在放大区时，iC基本上与uCE无关，只取决于iB。,晶体管恒流源,晶体管恒流源工作原理,带恒流源的差分放大电路,恒流源,选择R1和R2使IBQ3恒定，则IC3恒定。,IC3,1电流镜电路,T1和T2特性相同,(1)电路组成,(2)电路特点,(3)电路分析,设,由于UBE1=UBE2=UBE,4.2.3电流源电路,当2时,所以IB1=IB2=IB,故,T1和T2特性相同,(1)电路组成,(2)电路特点,(3)电路分析,由图可知,2比例电流源电路,由于,故有,3微电流源电路,T1和T2特性相同,(1)电路组成,(2)电路特点,(3)电路分析,由图可知,由,得,故有,例1已知IR=0.73mA，IC2=20mA，求RE=?,例2在例1中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在VCC=15V时，欲获IC2=20mA,求R=?,解已知IC2=20mA,则,RVCC/IR=750kW,IR=20mA,4电流源作有源负载的差分放大电路,(1)电路组成,代替RE，为T1、T2提供合适、稳定的静态工作点,代替RC，称有源负载,电流镜,比例电流源,因为T5、T6组成电流镜，所以,a.当ui1=ui2时,(2)电路分析,忽略T5、T6的基极电流。则有,iC5iC1,iO=iC6+iC2,=iC5iC1,无共模信号输出,输出电流,0,b.当uI1=uI2时,输出电流,iO=iC6+iC2,=iC1+iC2,=2iC1,负载上得到了双端输出的电流,用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻,以单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能。,结论,利用多个晶体管组成复合管，可以得到较大的电流放大系数值。,4.2.4复合管电路,四种常见的复合管结构,常见的复合管结构,a.NPN管+NPN管,两个NPN型管可以复合成一个NPN型管,(a)等效管,由图可知,(b)复合管的电流放大系数,而,由于,故,复合管的电流放大系数,(c)复合管的输入电阻rbe,因为,故复合管的输入电阻,b.PNP管+PNP管,(a)等效管,两个PNP型管可以复合成一个PNP型管,(b)复合管的及rbe,c.NPN管+PNP管,(a)等效管,一个NPN和一个PNP型管可以复合成一个NPN型管,(b)复合管的及rbe,d.PNP管+NPN管,(a)等效管,一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管,(b)复合管的及rbe,4.2.5互补推挽放大电路,1.电路组成,2.电路主要特点,(2)输出电阻小,(3)动态范围大,(4)带载能力强,(1)T1、T2参数相同,3.工作原理,(1)uI=0时,T1、T2截止,uO=0,(2)uI0时,T1导通、T2截止,uOuI,(3)uI100mV时,跨导,(3)跨导线性回路原理,四个晶体三极管发射结构成的闭合回路，称为跨导线性回路，也称为跨导线性环。,任意偶数n个发射结,ISj与发射区面积Aj成正比,(4)甲乙类推挽电流模电路,跨导线性回路,如各晶体管发射区面积相等,则有,由以上各式得,电路工作在甲类状态。,或,电路工作在乙类状态。,2电流模运算放大器,(1)电流模运算放大器工作原理,(2)电流模运算放大器的基本特性,思考题,通用型集成运放一般由几部分电路组成？每部分常采用哪种基本电路？通常对每一部分的性能的要求分别是什么？,练习题,例电路如图所示。已知gm=5mS，5=6=100，RC5=5.1kW，rbe5=rbe6=1kW，RL=1kW，RE5=510W。ui=0时uo=0。,(2)若RL上电压的极性为上正下负，则输入电压ui的极性如何？(3)写出差模电压放大倍数Aud的表达式，并求其值。,(1)试说明T1和T2、T3和T4、T5以及T6分别组成什么电路？,T1、T2管组成电流镜，作T3和T4管的漏极有源电阻。,T3、T4管组成差分放大电路，并且恒流源IS1作源极有源电阻。,T5管组成共射极放大电路，并起电平转化作用，使ui=0时uo=0。,T6管组成射极输出器，降低电路的输出电阻，提高带载能力。,解(1),(2)若RL上电压的极性为上正下负，则,