西安交通大學(xué) 趙進全 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第4章ppt課件

4.1集成運放概述,集成電路把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有某種特定功能的電子電路。,體積小，重量輕，成本低，可靠性高，組裝和調(diào)試的難度小。,4集成運算放大器,1.集成電路的主要特點,2.集成電路的分類,(1)按功能分,a.模擬集成電路,b.數(shù)字集成電路,主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和電流信號。,主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號。,數(shù)字集成電路種類多，形式較為簡單，通用性強。,(2)按集成度分,a.小規(guī)模集成電路（SSIsmallscaleintegrationcircuit)。,b.中規(guī)模集成電路（MSImiddlescaleintegrationcircuit),集成度：一塊芯片上包含的元器件在100個以下。,集成度：一塊芯片上包含的元器件在1001,000之間。,c.大規(guī)模集成電路（LSIlargescaleintegrationcircuit),集成度：一塊芯片上包含的元器件在1,000100,000之間。,d.超大規(guī)模集成電路（VLSIverylargescaleIntegrationcircuit),集成度：一塊芯片上包含的元器件在100,000以上。,e.目前的集成電路,(a)已經(jīng)可以在一片硅片上集成幾千萬只，甚至上億只晶體管。,(b)集成電路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。,(c)集成度大約每3年增加一倍。,(d)出現(xiàn)了系統(tǒng)級芯片（SOCsystemonchip）。,(e)集成電路逐步向集成系統(tǒng)（integratedsystem）的方向發(fā)展。,(3)按制造工藝分,a.半導(dǎo)體集成電路,b.薄膜集成電路,集成電路的元器件和電路由不到1mm厚的金屬半導(dǎo)體或金屬氧化物重疊而成。,c.厚膜集成電路,厚膜集成電路與薄膜集成電路基本相同，膜的厚度約幾微米到幾十微米。,3.模擬集成電路的分類,(1)線性集成電路,輸出信號與輸入信號呈線性關(guān)系。,(2)非線性集成電路,線性集成電路有：集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關(guān)穩(wěn)壓電源等。,線性集成電路有：集成運算放大器、集成音頻功率放大器、集成高頻、中頻放大器等。,輸出信號與輸入信號呈非線性關(guān)系。,4.集成運算放大器概述,(1)集成運算放大器簡稱集成運放,b.信號處理。,(2)集成運算放大器的主要應(yīng)用,a.完成比例、求和、積分、微分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法等數(shù)字運算。,c.波形產(chǎn)生。,d.信號測量。,(3)集成運放發(fā)展的三個階段,a.通用型集成運放的廣泛使用。,b.專用集成運放的出現(xiàn)。如高速型、高輸入電阻型、高壓型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。,c.開發(fā)更高性能指標的產(chǎn)品，進一步提高集成度。,(5)是線性集成電路中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣、最為龐大的一族成員。,(3)輸出電阻小，幾百歐以下。,(4)通用型和靈活性強、成本低、用途廣、互換性好。,5.集成運放的主要特點,(1)電壓放大倍數(shù)高，103105倍。,(2)輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。,(1)相鄰元器件的特性一致性好。,(2)用有源器件代替無源器件。,(3)二極管大多由三極管構(gòu)成。,(4)只能制作小容量的電容，難以制造電感和較大容量的電容(C2000pF)。,(5)電路采用直接耦合的方式。,4.1.1集成電路中元器件的特點,4.1.2集成運放的典型結(jié)構(gòu),1.典型結(jié)構(gòu),(1)偏置電路,2.各部分的作用,具有與輸出同相和反相的兩個輸入端，較高的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。,為各級電路提供穩(wěn)定合適的偏置電流，并使整個運放的靜態(tài)工作點穩(wěn)定且功耗較小。,(2)輸入級,為負載提供足夠的電壓和電流，具有很小的輸出電阻和較大的動態(tài)范圍。,主要進行電壓放大，具有很高的電壓增益。,(3)中間級,(4)輸出級,3.集成運算放大器的電路符號,4.2.1典型差分放大電路,4.2集成運放中的基本單元電路,1.電路組成,(1)電路特點,a.電路兩邊對稱。,b.兩管共用發(fā)射極電阻RE。,c.具有兩個信號輸入端。,d.信號既可以雙端，也可以單端輸出。,兩個輸入端信號電壓的差值是有用的，稱之為差模輸入信號，因而該電路稱為差分放大電路。,(2)信號的輸入,(3)抑制零漂的原理,（T1和T2特性相同）,(a)當(dāng)溫度T一定時,(uI1=uI2=0),a.電路雙端輸出,(b)當(dāng)溫度增加時,在雙端輸出的情況下，漂移為零。,b.單端輸出時,因射極電阻RE的負反饋作用,可以抑制零點漂移,2靜態(tài)分析,直流通路,因為電路對稱，所以,列輸入回路方程,由此可得,因,3.動態(tài)分析,(1)小信號差模特性,差模信號,記為,當(dāng)時的輸入信號,差模輸入時放大電路中的電流,由于,電阻RE上無交流電流，T1、T2發(fā)射極虛地。,交流通路,由于,故,1)差模電壓放大倍數(shù),a.雙端輸出,b.單端輸出,(a)輸出uO1,(b)輸出uO2,c.RL時,(a)雙端輸出,負載電阻RL的中點虛地,由于,等效電路,Aud與單級共射極電路電壓放大倍數(shù)相同?？梢?，差分放大電路是用“數(shù)量換質(zhì)量”。,(b)單端輸出,從T1的集電極輸出,輸出與輸入反相,從T2的集電極輸出,輸出與輸入同相,2)差模輸入電阻,a.單端輸出時,求Ro的等效電路,3)輸出電阻Ro,b.雙端輸出時,求Ro的等效電路,(2)小信號共模特性,共模信號,記為,當(dāng)uIc1=uIc2時的輸入信號,1)共模電壓放大倍數(shù),a.雙端輸出共模電壓,共模電壓放大倍數(shù),故,b.單端輸出,交流通路，,電壓放大倍數(shù),一般情況,一般情況中,故,差分放大電路對共模信號有抑制作用，RE越大，抑制共模信號的能力越強。,綜上所述,單端輸出時,雙端輸出時,2)共模抑制比,共模抑制比的定義,或者,a.雙端輸出,b.單端輸出,因,3)共模輸入電阻,交流通路，,因為,故,4)輸出電阻,雙端輸出時,單端輸出時,(3)任意輸入信號的分解,既不是差模信號又不是共模信號的輸入信號,任意信號,令,那么,任意信號可以分解成差模和共模信號兩種性質(zhì)的輸入信號,任意輸入信號分解示意圖,uI10，uI2=0,特別的，對于單端輸入,即,或,uI1=0，uI20,單端輸入是一種特殊的雙端輸入形式,(4)大信號傳輸特性,線性區(qū),截止、飽和區(qū),截止、飽和區(qū),傳輸特性,(a)靜態(tài)工作點IC、UC之值；,(b)uO及KCMR之值；,(c)若將RL接在C1對地之間，求UC、uO及KCMR；,(d)Rid、Ric和Ro之值。,例電路如圖所示。設(shè)T1、T2的特性一致，=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。試求：,解為了計算簡單，設(shè)調(diào)零電位器RW的滑動端在電位器的中間。,(a)畫出放大電路的直流通路,直流通路,由圖可得,由上兩式得,因,則有,(b)根據(jù)題意,(c)當(dāng)RL在C1對地之間時,經(jīng)整理可得,(12V),(+12V),IC,UC,c1,c2,IE,IB,IRL,(d)差模輸入電阻,共模輸入電阻,輸出電阻Ro,雙端輸出時,單端輸出時,雙端輸出,單端輸出,對于圖示電路,4.2.2帶恒流源的差分放大電路,RE越大，KCMR越大，電路抑制共模信號的能力越強。,a.當(dāng)VEE一定，IE減小，rbe增大，Aud減小。,c.在集成電路中不易制作較大阻值的電阻。,RE太大對電路的影響,b.為了維持IE不變，必須提高電源電壓VEE。,恒流源的主要特點,b.直流電阻較小,a.具有很大的交流等效電阻,恒流源,通常采用恒流源來代替RE,當(dāng)iB恒定，則iC恒定，晶體管相當(dāng)于一個電流源。,當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時，iC基本上與uCE無關(guān)，只取決于iB。,晶體管恒流源,晶體管恒流源工作原理,帶恒流源的差分放大電路,恒流源,選擇R1和R2使IBQ3恒定，則IC3恒定。,IC3,1電流鏡電路,T1和T2特性相同,(1)電路組成,(2)電路特點,(3)電路分析,設(shè),由于UBE1=UBE2=UBE,4.2.3電流源電路,當(dāng)2時,所以IB1=IB2=IB,故,T1和T2特性相同,(1)電路組成,(2)電路特點,(3)電路分析,由圖可知,2比例電流源電路,由于,故有,3微電流源電路,T1和T2特性相同,(1)電路組成,(2)電路特點,(3)電路分析,由圖可知,由,得,故有,例1已知IR=0.73mA，IC2=20mA，求RE=?,例2在例1中，如果不用微電流源，而采用電流鏡，那么在VCC=15V時，欲獲IC2=20mA,求R=?,解已知IC2=20mA,則,RVCC/IR=750kW,IR=20mA,4電流源作有源負載的差分放大電路,(1)電路組成,代替RE，為T1、T2提供合適、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點,代替RC，稱有源負載,電流鏡,比例電流源,因為T5、T6組成電流鏡，所以,a.當(dāng)ui1=ui2時,(2)電路分析,忽略T5、T6的基極電流。則有,iC5iC1,iO=iC6+iC2,=iC5iC1,無共模信號輸出,輸出電流,0,b.當(dāng)uI1=uI2時,輸出電流,iO=iC6+iC2,=iC1+iC2,=2iC1,負載上得到了雙端輸出的電流,用電流鏡取代差分放大電路的集電極電阻,以單端輸出的電路形式，實現(xiàn)了雙端輸出的功能。,結(jié)論,利用多個晶體管組成復(fù)合管，可以得到較大的電流放大系數(shù)值。,4.2.4復(fù)合管電路,四種常見的復(fù)合管結(jié)構(gòu),常見的復(fù)合管結(jié)構(gòu),a.NPN管+NPN管,兩個NPN型管可以復(fù)合成一個NPN型管,(a)等效管,由圖可知,(b)復(fù)合管的電流放大系數(shù),而,由于,故,復(fù)合管的電流放大系數(shù),(c)復(fù)合管的輸入電阻rbe,因為,故復(fù)合管的輸入電阻,b.PNP管+PNP管,(a)等效管,兩個PNP型管可以復(fù)合成一個PNP型管,(b)復(fù)合管的及rbe,c.NPN管+PNP管,(a)等效管,一個NPN和一個PNP型管可以復(fù)合成一個NPN型管,(b)復(fù)合管的及rbe,d.PNP管+NPN管,(a)等效管,一個PNP和一個NPN型管可以復(fù)合成一個PNP型管,(b)復(fù)合管的及rbe,4.2.5互補推挽放大電路,1.電路組成,2.電路主要特點,(2)輸出電阻小,(3)動態(tài)范圍大,(4)帶載能力強,(1)T1、T2參數(shù)相同,3.工作原理,(1)uI=0時,T1、T2截止,uO=0,(2)uI0時,T1導(dǎo)通、T2截止,uOuI,(3)uI100mV時,跨導(dǎo),(3)跨導(dǎo)線性回路原理,四個晶體三極管發(fā)射結(jié)構(gòu)成的閉合回路，稱為跨導(dǎo)線性回路，也稱為跨導(dǎo)線性環(huán)。,任意偶數(shù)n個發(fā)射結(jié),ISj與發(fā)射區(qū)面積Aj成正比,(4)甲乙類推挽電流模電路,跨導(dǎo)線性回路,如各晶體管發(fā)射區(qū)面積相等,則有,由以上各式得,電路工作在甲類狀態(tài)。,或,電路工作在乙類狀態(tài)。,2電流模運算放大器,(1)電流模運算放大器工作原理,(2)電流模運算放大器的基本特性,思考題,通用型集成運放一般由幾部分電路組成？每部分常采用哪種基本電路？通常對每一部分的性能的要求分別是什么？,練習(xí)題,例電路如圖所示。已知gm=5mS，5=6=100，RC5=5.1kW，rbe5=rbe6=1kW，RL=1kW，RE5=510W。ui=0時uo=0。,(2)若RL上電壓的極性為上正下負，則輸入電壓ui的極性如何？(3)寫出差模電壓放大倍數(shù)Aud的表達式，并求其值。,(1)試說明T1和T2、T3和T4、T5以及T6分別組成什么電路？,T1、T2管組成電流鏡，作T3和T4管的漏極有源電阻。,T3、T4管組成差分放大電路，并且恒流源IS1作源極有源電阻。,T5管組成共射極放大電路，并起電平轉(zhuǎn)化作用，使ui=0時uo=0。,T6管組成射極輸出器，降低電路的輸出電阻，提高帶載能力。,解(1),(2)若RL上電壓的極性為上正下負，則,