集成电路运算放大电路PPT课件

1、模拟电子线路一、 BJT电流源电路1、 镜像电流源BE1BE2=VVE1E2= IIC1C2= IIT1、T2的参数全同 即12，ICEO1ICEO2 当BJT的 较大时，基极电流IB可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符号5.1 直流偏置技术第1页/共75页模拟电子线路动态电阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般ro在几百千欧以上ce r 第2页/共75页模拟电子线路2、 微电流源e2BE2BE1RVV E2C2OIII e2BERV 由于很小，BEV 所以IC2也很小。rorce2（1 ） e2be2e2RrR （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻

2、）oR 第3页/共75页模拟电子线路 由PN结基本电流方程2lnREFEOOIkTRqIITBETBEVVsatRVVsatREeIeII/)(/)()1()(lnsatRETBEIIVV122212()1()2(lnln)EEEEBEBETR satR satIIIRVVVII21()1()2TEOEREFRsatRsatkTVIIIIIIq第4页/共75页模拟电子线路3、多路输出电流源 设置公共的参考电流，采用不同的镜像电路和参数，使多级恒流源有不同的电流输出。第5页/共75页模拟电子线路二、FET电流源1、 MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时RVVVIIIGSSSDDREFD

3、2O REF1122O/ILWLWI （=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流 第6页/共75页模拟电子线路2T2GS22n2T2GS22n2D2)( )()/(VVKVVKLWI 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为 常用的镜像电流源 第7页/共75页模拟电子线路2、 MOSFET多路电流源REF1122D2/ILWLWI REF1133D3/ILWLWI REF1144D4/ILWLWI 2T0GS0n0D0REF)( VVKII 第8页/共75页模拟电子线路一、差分式放大电路的一般结构1、 用三端器件组成的差分式放大电路5.2 差分放大电路第9

4、页/共75页模拟电子线路2、 有关概念i2i1id=vvv 差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号idod=vvv A差模电压增益icoc=vvv A共模电压增益icciddooo =vvvvvvvAA 总输出电压其中ov 差模信号产生的输出ov 共模信号产生的输出共模抑制比反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK第10页/共75页模拟电子线路根据2=idici1vvv 2=idici2vvv i2i1id=vvv )(21=i2i1icvvv 有 共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小

5、相等，相位相反。第11页/共75页模拟电子线路二、射极耦合差分式放大电路1、 电路组成及工作原理静态OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 oo1o20 vvv第12页/共75页模拟电子线路动态仅输入差模信号， i2i1vv和和大小相等，相位相反。 O2O1vv和和大小相等，oo1o20 vvv信号被放大。相位相反。第13页/共75页模拟电子线路2、 抑制零点漂移原理 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。 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。以双倍的元器件换取抑制零漂的能力第

6、14页/共75页模拟电子线路3、 主要指标计算（1）差模情况对于差模信号，vi1=-vi2，射极电流源上信号电流相互抵消，压降保持直流不变，即VE=0。电路的交流通路可等效为对称的半边电路。相应参数的计算也可对称简化。第15页/共75页模拟电子线路 idod=vvvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时i1o122vv becrR beLcd)21/(=rRRA v 双入、双出第16页/共75页模拟电子线路 双入、单出 ido1d1=vvvAi1o12vvd21vA bec2rR 接入负载时beLcd2)/(=rRRA v第17页/共75页模拟电子线路 单端输入oe()rr发射结电阻等效于双端

7、输入指标计算与双端输入相同。近似于开路。vid近似均匀分布在两三极管上。第18页/共75页模拟电子线路（2）共模情况 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0oc2oc1oc vvv0icocc vvvA共模增益第19页/共75页模拟电子线路 单端输出icoc1c1vvv A抑制零漂能力增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or c1vA第20页/共75页模拟电子线路（3）共模抑制比cdCMRvvAAK dB lg20cdCMRvvAAK 双端输出，理想情况 CMRK 单端输出 CMRKc1d1vvAAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力越强单端输

8、出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA （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。第21页/共75页模拟电子线路例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:mA1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV。时，时，当当，均为硅管，均为硅管，、V008050TTTOi321321 vvC3C2ECE3CE2e2iO(1);(2);(3)5mV?IIIVVR、 、及的值差模放大倍数当时，vv(1)静态第22页/共75页模拟电子线路mA37. 0c2BE3e3E3C2 RVRII V9V )7 . 0(1037.

9、012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74. 022C2E2E III k2 . 5k 74. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR第23页/共75页模拟电子线路 k3 .245)1(e33be3i2RrR 50)(2)/(b1bei2c22d2 RrRRAvd23195AAA vvv k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)差模放大倍数 k78. 3mV26)1(200E22be2Ir 333333.91cvbeeRArR 第24页/共75页模拟电子线路(3)ici1i211()(5mV0)2.5mV22vvv差分电路的共模增益3 . 0)(2

10、)1()/(e2e12b1bei2c22c2 RRRrRRAvOO23d2idc2ic3()50 5 ( 0.3) 2.5 ( 3.9)972mVAAAA vvvvvvvv共模输入电压不计共模输出电压时输出电压mV975O v输出电压第25页/共75页模拟电子线路(4)时时 k12LRd2397.5AAA vvv33333/ /11.95cLvbeeRRArR 第26页/共75页模拟电子线路4、带有源负载的射极耦合差分式放大电路静态 IE6 IREFe6BE6EECCRRVVV E6E5E6IRR IO IE5第27页/共75页模拟电子线路差模电压增益（负载开路） 0ce4o2ce2o2c2c

11、4 rvrvii0)2(2ce4o2ce2o2beidbeid rvrvrvrv bece4ce2ido2d2)/(rrrvvAv 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益，常做双端单端变换。 第28页/共75页模拟电子线路差模输入电阻 Rid2rbece4ce2o/rrR 输出电阻第29页/共75页模拟电子线路共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5第30页/共75页模拟电子线路三、源极耦合差分式放大电路CMOS差分式放大电路第31页/共75页模拟电子线路双端输出差模电压增益ido1i2i1o2o1d2vvvvvvv A) /(2 )/(o1o3idmo1o3i1mo1rrgrrgvv

12、v 而:)/( )/(ds1ds3mo1o3mdrrgrrgA v所以：第32页/共75页模拟电子线路单端输出差模电压增益vo2(id4-id2)(ro2/ ro4) gm vid（ro2 / ro4） )2(2idmidmvvgg (ro2/ ro4) ido2dvvv A gm(ro2 / ro4 )第33页/共75页模拟电子线路5.3 差分式放大电路的传输特性根据TBE/ESEeVIiv iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）

13、第34页/共75页模拟电子线路vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线第35页/共75页模拟电子线路5.4 集成电路运算放大器集成运放大体上可分为四个部分n 输入级：采用差分放大电路实现信号引入。n 中间级：一至两级直接耦合共射放大电路，提供足够大的AV。n 输出级：单端或互补射极跟随电路，提高负载能力。n 偏置电路：由恒流源组成，为各器件提供合适的静态工作点及有源负载。第36页/共75页模拟电子线路一、CMOS MC14573 集成电路运算放大器1、电路结构和工作原理第37页/共75页模拟电子线路2、电路技术指标的分析计算(1)直流分析REFGS5SSDDREFSG5SSDDoREF RVV

14、VRVVVII 2TGS5P5REF)(VVKI 已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。第38页/共75页模拟电子线路(2)小信号分析2idgs1vv 2idgs2vv 设 gm1 = gm2 = gm )/)( )/(4o2o2d4d4o2oogs7o2rriirri vv则)/()/)(2()2( ds4ds2idm4o2oid2mid1mrrgrrggvvv )/)(4o2o2d1drrii )/(ds4ds2mido21rrgAv vv输入级电压增益 第39页/共75页模拟电子线路总电压增益 Av = Av1Av2 Av2= vo/ v gs7

15、 =gm7(rds7/rds8) 第二级电压增益 将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）第40页/共75页模拟电子线路二、集成运算放大器741原理电路 第41页/共75页模拟电子线路简化电路第42页/共75页模拟电子线路一、实际集成运放的主要参数一、实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）1. 输入失调电压VIO 在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。2. 输入

16、偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。5.5 实际集成运放的主要参数及应用问题实际集成运放的主要参数及应用问题第43页/共75页模拟电子线路3. 输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN| 一般约为1 nA0.1A。 4. 温度漂移（1）输入失调电压温漂VIO / T（2）输入失调电流温漂IIO / T第44页/共75页模拟电子线路差模特性1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO

17、开环带宽BW (fH)单位增益带宽 BWG (fT)741型运放AvO的频率响应 第45页/共75页模拟电子线路2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。3. 最大差模输入电压Vidmax第46页/共75页模拟电子线路共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。 2. 最大共模输入电压Vicmax 一般指运放

18、在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。第47页/共75页模拟电子线路大信号动态特性1. 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，输出电压对时间的最大变化速率，即 maxoRd)(dttSv 若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom第48页/共75页模拟电子线路2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在数V/s，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD

19、9610的SR3500V/s。omRmaxP2 VSfBW 第49页/共75页模拟电子线路电源特性1. 电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV SVR/IOOvdCCEECCEEVVAKVVVV输入信号为零时，运放消耗的总功率。 第50页/共75页模拟电子线路1、集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。 二、

20、 集成运放应用中的实际问题第51页/共75页模拟电子线路2、失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路2IOIBP)2( RIIV f11ONRRRVV NPVV )/)(2(f1IOIBRRII IOV 第52页/共75页模拟电子线路 )/(21)/()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时f12/ RRR IBI当电路为积分运算时，即 换成电容C，则fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)( 1)()()(2IOIO12IOIOO时间越长，误差

21、越大，且易使输出进入饱和状态。IOIO IV和和引起的误差仍存在第53页/共75页模拟电子线路3、调零补偿（a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路第54页/共75页模拟电子线路5.6 理想运放的特性理想运放有以下主要特性： 开环电压放大倍数AV0= 差模输入电阻Rid= 共模输入电阻Ric= 输出电阻Ro=0 共模抑制比KCMR= 输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为0第55页/共75页模拟电子线路 利用运放的理想参数，可导出以下两个重要结论： 理想运放的输入电流i=0，又称虚断。因为其输入电阻无穷大，不从信号源取电流。 理想运放的差模输入电压 ，又称虚短。当理想运放工作在线性区时，

22、，由于AV0=，vo有限，则差模输入电压为0。0NPvv)(NPVOovvAv第56页/共75页模拟电子线路一、 同相放大电路（a）电路图 （b）小信号电路模型1、 基本电路 5.7 基本线性运放电路第57页/共75页模拟电子线路2、 负反馈的基本概念n 开环n 闭环n 反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。n 瞬时电位变化极性某时刻电位的斜率电路有 vo Avo (vpvn)引入反馈后 Vn加大，vp(vi)不变 (vpvn) vo 使输出减小了，增益Avvo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。第58页/共75页模拟电子线路3、 几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av

23、根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ipin0o211npivvvv RRR所以12121io1RRRRRA vvv第59页/共75页模拟电子线路（2）输入电阻Ri 输入电阻定义 iiiivR 根据虚短和虚断有 vivp，ii ip0所以 iiiivR（3）输出电阻Ro Ro0第60页/共75页模拟电子线路4、 电压跟随器根据虚短和虚断有vovn vp vi1io vvvA 虽然电压跟随器的电压增益等于1,但它的输入电阻Ri，输出电阻Ro0，故它在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器 。第61页/共75页模拟电子线路无电压跟随器时 负载上得到的电压sssLsLo01. 011001vvvv RRR电

24、压跟随器时ip0，vpvs根据虚短和虚断有vovn vp vs第62页/共75页模拟电子线路二、 反相放大电路（a）电路图 （b）由虚短引出虚地vn0 1、 基本电路 第63页/共75页模拟电子线路2、 几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有 vn vp 0 ， ii0所以 i1i2 12ioRRA vvv2on1niRRvvvv 即第64页/共75页模拟电子线路（2）输入电阻Ri 11iiiii/RRiR vvv（3）输出电阻Ro Ro0第65页/共75页模拟电子线路当R2 R3时，（1）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（1）根据虚断有 Ii =0所以 I2 = Is = (Vs Vn )/ R1 例 直流毫伏表电路（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？ 又根据虚短有 Vp = Vn =0R2和R3相当于并联，所以 I2R2