第三章集成电路3.ppt

3.4集成运算放大器的中间放大级电路,能够提供足够高的电压增益;进行直流电平的移动，保证在输入为零电平时输出也为零电平;完成双端输入变成单端输出的功能。,中间级必须承担三项基本的功能：,集成运算放大器一般有两个输入端和一个输出端，几乎都存在一个将双端差分输入的信号转换为单端输出的问题,利用镜像电流源可以使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的效果。,3.4.1双端变单端电路,有源负载的差分放大电路,恒流源IEE决定工作点电流,差分输入、单端输出,差模输入信号产生的输出电流:,共模输入信号产生的输出电流:,电路虽为单端输出，但具有双端输出的性能。,与双端输出时共模电流为零是一致的,3.4.2电平移动电路,电平移动的作用就是要把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到当输入信号为零电平时，为了使输出保持为零电平输出为零电平的目的,并要求在直流电平移动的同时，交流信号不衰减。,1)电阻分压式电平移动电路,2)恒流源电平移动电路,3)PNP管电平移动电路,4)二极管电平移动电路,几种常用的电平移动电路：,1、电阻分压式电平移动电路,直流,交流,方法简单，但是在实现直流电平移动的同时，对交流信号进行了衰减，故在集成电路中不易使用,2.恒流源电平移动电路,恒流源的输出电流在电阻R1上产生恒压降IOR1,输出的直流电压比输入的直流电压降低了IOR1,例1:,由于恒流源地交流电阻很大，输出交流电压v2v1，几乎不衰减。,电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。,例2:,电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。,同时,输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。,中间级,输入来自前级差放的集电极；,中间级T16、T17组成复合管，IC13作为其有源负载。,8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。,3.5集成运算放大器的输出级,3.5.1功率放大器及集成运放输出级,1)定义,特殊工作场合：负载RL特别小,1.概述,以输出较大功率为目的的放大电路,从能量控制和转换的角度看，功率放大器和其他的放大器没有本质上的区别在电源电压一定的条件下，输出尽可能大的信号功率和提供尽可能大的转换效率。功率放大器的输出电压和输出电流的幅度较大，管子一般工作在接近极限运用的状态,2)几个特殊问题,(1)性能指标,输出功率,效率,(2)大信号（极限）状态,功放管的安全问题:（ICM、PCM、V(BR)CEO）,分析方法：大信号模型、图解法（求Vom）,(3)如何提高输出功率,要求最佳负载,PTPo（即效率提高）,电源功率PV一定时:,3)放大器的工作状态,根据在正弦信号整个周期内的三极管导通情况，可分为几个工作状态.,乙类,甲类,甲乙类,丙类,导通角等于180,一个周期内均导通,导通角大于180,导通角小于180,导通角等于360,2、单管甲类功率放大器的分析,1)静态分析-直流功率分析,输入信号为正弦波时，集电极电流也为正弦波,直流电源提供的功率不变,2)动态分析,共射放大电路输出功率小，效率低（25），不宜作功放。,在理想变压器的情况下变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线垂直于横轴且过(VCC，0)。,作出交流负载线,RL等效到原边的电阻为,最大输出功率为,三角形QAB的面积,当输入信号为正弦波，集电极电流也为正弦波时，直流电源提供的功率不变,电路的最大效率为:,Q应选在MN线段的中央，使iC、vCE在信号正峰点时摆动到M点，负峰点时摆动到N点。,3）输出功率和效率,放大器的集电极输出功率为,M、N点三极管集电极输出的交流电流和电压的幅度最大：,集电极的最大输出功率,电源电压的功率,功放的最高效率,分析功放电路应注意的问题:,(1)电路参数不能超过极限值放大管应工作在安全区（ICM、PCM、V(BR)CEO）,(2)提高电路效率静态时电源提供的功率被放大器所消耗，并转化为热能形式消耗掉；,甲类功放中，忽略管子的饱和压降且输出负载合理的理想条件下，理论效率最大也只能达到50%。,动态时电源提供的功率的一部分为有用功率，输入信号越大传输给负载的功率越大。,(3)静态功耗注要是静态电流产生的，将工作点下移，,输入信号为零时电源输出的功率等于零或很小；,电路工作时具有特点,输入信号增大时电源输出的功率也随之增大；,3.5.2互补推挽输出级,1.电路组成及工作原理,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。,工作时:T1和T2交替工作正、负电源交替供电输出与输入之间双向跟随。,静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。,RT,(1)互补：,(2)对称：,NPN、PNP特性相同（对管）正、负电源相等,2.分析计算,(1)图解分析（求）,(2)输出功率,最大不失真输出功率,(3)效率,管耗PT：,单个管子在半个周期内的管耗,电源功率,效率,3.功率BJT的选择（安全问题）,3个极限参数：PCM、ICM、V(BR)CEO,最大管耗PCM,集电极最大电流ICM,最大管压降0():,使用单电源供电的输出级,调整T3的静态偏置？,#在怎样的条件下，电容C才可充当负电源的角色？,电容C替代了另一电源,1)静态偏置,调整R1、R2阻值的大小，可使,电容上电压,2)动态工作情况,输出级在接近充分运用状态下工作时,负载上得到最大的交流输出电压为,电路对静态工作点漂移影响的抑制作用,温度变化,单电源互补对称输出级电路与双电源互补对称输出级电路的功率计算公式基本相同，不同的是其中的直流电源VCC用1/2VCC代替。,此路存在的问题：K点电位受到限制,3)带自举电路的单电源功放,将D点与电源分开，使VD有提高的可能性,静态时,C3充电后，其两端有一固定电压VC3比K点电位高,当C3的容量足够大时，在工作过程中此电压基本保持不变,#在怎样的条件下，电容C3才能起到电源的作用？,动态时,当输出电压向正方向升高时D点电位就随之升高,C3充当一个电源,保证了即使在饱和的条件下，K点的电压能够到达接近于电源电压VCC。,双电源互补对称电路,单电源互补对称电路,（1）负载电阻RL的值；（2）输出功率最大时电路的效率；,电路中已知VCC=32V，设BJT的VCES=1V，ICEO=0，电路最大的不失真输出功率为7.03W，求：,（3）BJTT1的最大管耗PT1及T1管耗最大时的输出功率P0和效率（按和管子静态电流都近似为0进行计算）。,例3.3,解:,（1）负载电阻RL的值；,（2）输出功率最大时电路的效率,（3）最大管耗PT1、输出功率P0和效率,（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。,电路中已知VCC15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降VCES3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL4,例3.4,解:,（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率,因为V0Vi，所以V0m8V。,（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。,最大输出功率,差模传输特性:指输出差模电流随差模输入电压变化的特性。,3.2.3差分放大电路的传输特性,(2)双端输出时,(1)单端输出时的差模传输特性方程,(3)差模特性曲线,集成运放的电压传输特性,电压传输特性,输出电压与两输入端的电压之间存在线性放大关系，即,集成运放的工作区域,线性区域：,AVD:差模开环放大倍数,非线性区域：,输出电压只有两种可能的情况：,+VOM,或-VOM,1、输入失调电压,定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。,电路两边存在着不对称，使得零输入时(即静态时)双端,差分放大器的失调:,输出电压V0不等于零,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。表征运放内部电路对称性的指标。,一般运放：VI0为110mV；高质量运放：VI0为1mV以下。,输入失调电压,2、输入失调电流,定义:当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,两管的不等,IB运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,输入端引入电流IIO,3、失调模型和调零电路,加到差放两输入端间的总失调电压:,调节调零RW，改变两端发射极电位或集电极电阻，使静态工作时双端输出的电压减小到零。,实用调零电路,发射极调零电路,集电极调零电路,晶体管特性参数随温度的变化而变化，从而引起VIO和IIO的漂移VIO和IIO随温度的变化率均分别与VIO和IIO成正比。调零电路的调零不可能跟踪温度的变化，因此，调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。,4、VIO和IIO的温漂,2)输入失调电流温漂IIO,定义：,一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,1)输入失调电压温漂VIO,定义：,一般运放为每度1020V；高质量运放低于每度0.5V以下；,输出电压为0时，运算放大器的两个输入端的静态电流的差,3.6.2集成运算放大器的性能参数,在室温下（25C）以及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压。,1、输入失调电压VIO,2、输入失调电流IIO,开环电压增益是指运放没有反馈时的差模电压增益，即集成运算放大器的输出电压与差模输入电压的比值,3、开环电压增益,差模输入电阻是在运算放大器输入差模信号时，运算放大器的两个输入端看进去的等效电阻,4、差模输入电阻,反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值。,额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。,5、转换速率（摆率）,运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号能够达到的最大变换率称为转换速率或者摆率，用SR表示，单位为V/uS。,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,6、温度漂移,1)输入失调电压温漂,2)输入失调电流温漂,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,7、最大差模输入电压,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,8、最大共模输入电压,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,理想运放的技术指标,3.7集成运算放大器的基本应用,3.7.2集成运算放大器组成的基本电路,1)理想运放工作在线性区时的特点,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，,即,（1）理想运放的差模输入电压等于零,开环电压增益无穷大，输出电压为有限值，故两个输入端的电压为无穷小，即两输入端电压差为零,可以视为短路,“虚短”,(2)理想运放的输入电流等于零,由于Rid=，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,集成运放的传输特性,2)理想运放工作在非线性区特点：,(1)理想运放的输入电流等于零,例如:F007的Vopp=14V，Aod2105线性区内输入电压范围,3)线性区范围很小,线性区非线性区实际特性,1、反相放大器,“虚短”:,“虚地”:,由“虚短”和“虚断”的模型：,“虚断”:,反相放大器的电压增益:,2、同相放大器,由“虚短”和“虚断”的模型：,同相放大器的输出电压与输入电压同相，放大器的放大倍数只与外加的电阻有关，与运算放大器无关,反相放大器的电压增益:,集成运放读图方法,了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。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。分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。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。定量计算：必要时可估算或应用计算机计算电路的主要参数。,根据电路图，分析其原理和功能、性能。,跟着信号走！,（1）放大电路的直流分析,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V。,差分输入级,中间放大级,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V,输出级,直流电平移动Vo=VB5-VBE5-VR5-VBE6=VB5-2VBEIC9R5,（2）放大电路的输入、输出电阻,rbe1=rbe2=5.45k，rbe3=262k，,=100,rce7=200k,rbe4=rbe5=2.8k，rbe6=725,（3）放大电路的总增益,通用型集成运放,LM741集成运放的简化电路,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。,三级放大电路,T7的作用：抑制共模信号放大差模信号,T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电