模擬集成電路及運算放大器應用技術

1、第五章模擬集成電路及運算放大器的應用教學內(nèi)容：理想運算電流源工作原理；差分放大電路的分析和計算；集成運算放大器及主要技術指標,放大器及其組成的各種運算電路，實際運算放大器運算電路的誤差分析。教學要求：1熟悉集成運放的組成及各部分作用，正確理解集成運放主要指標的物理意義；2、了解電流源的工作原理；3、了解LM324的工作原理及應用重點、難點：集成運放的電路組成及各部分作用，集成運放主要性能指標的物理意義及選用。教學方法：講授法、討論法教學時數(shù)：12學時教學過程：5.1模擬集成電路中的直流偏置技術電流源電路1.鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同即別=込ICEO1=ICEO2Vbe2=Vbei,Ie2=

2、Ie1,IC2C1當BJT的B較大時，基極電流Ib可以忽略VCC-VBE一(VEE)VCCVEE1O=1C21REFRR動態(tài)電阻r。/CiC2、4=()VCE2r1C1Jco般r。在幾百千歐以上1C1=1R=VR(1RR)=VB=TB2電路簡單，應用廣泛;要求IC1電流較大情況下,R的功耗較大，集成電路應避免;要求IC1電流較小時，要求R數(shù)值較大，集成電路難以實現(xiàn)。2微電流源-VBERe2r。：7(1足2rbe2Re2)3比例電流源+f&il+f&ilJrefR-PeeVBE0-II_VBE1Vbe2OC2E2由于VBE很小，所以I。?也很小VBE0-II_VBE1Vbe2OC2E2由于VBE

3、很小，所以I。?也很小E0ReOVBE1IE1Re1Vbeo-Vbe1:VtInIe0IE1IE0IE1右L：:2時，則Ico：3IE0-IR,IC-IE1.VCCVBE0RRe01E1Re1：1E0Re0VTlnT1、R1和T4支路產(chǎn)生基準電流IREFT1和T2、T4和T5構成鏡像電流源T1和T3,T4和T6構成了微電流源VCCVEEVBE1VEB4IREFR1電流源MOSFET鏡像電流源+DDVddVssVgs1O=ID2=1REF=R當器件具有不同的寬長比時w2/l2.1REFW1/L1(=0)ro=rds2用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當=0時,輸出電流為22t4t4

4、IREF-ID0Kn0(VgS0-Vt0)2ID2-(W/L)2Kn2(VGS2-Vt2)Kn2(VgS2_Vt2)D2W2/L2W1/L11REFD3W3/L3W/L11REF1D4W4/L4WJL.1REFJFET電流源(b)5.2差分式放大電路一.直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象零點漂移現(xiàn)象:在直接耦合放大電路中，輸入電壓vl=0,輸出電壓v30的現(xiàn)象。零點漂移產(chǎn)生的原因:溫度變化，直流電源波動，器件老化等。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。抑制零點漂移的方法：引入直流負反饋，溫度補償，典型電路：差分放大電路二.差分放大電路差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路構成的

5、，兩個基本電路參數(shù)完全相同，管子的特性也完全相同，電路有兩個輸入端和兩個輸出端。電路中兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時將時時相等，因此以兩集電極電壓差作為輸出，可以克服溫度的漂移。共模輸入和差模輸入工作情況：（1）共模輸入兩輸入端所加信號vI1和vl2大小相同極性（相位）也相同。由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管所產(chǎn)生的電流變化相等，即iB1iB2iC1=心T1管和T2管集電極電位變化也相等：.：Vc.-：-.Vc2從而輸出電壓Vo=Vci-Vc2=（VcQ1人Vci）-（VcQ2人VC2）=0結論：差分式放大電路對共模信號有很強的抑制作用，在電路參數(shù)完全相同的情況下，共模輸出為零。（2）差

6、模輸入兩輸入端所加信號vI1和vl2大小相同極性（相位）相反。結論：差分式放大電路對差模信號有放大作用。但由于有射極電阻Re,其放大能力較差。差分式放大電路的改進電路：在差模輸入情況下，兩管發(fā)射極電流與其它電流一樣，變化量的大小相等，方向相反。將兩個基本放大電路的發(fā)射極電阻合并為一個射極電阻Re,則在差模信號的作用下，Re中的電流變化量為零，即Re對差模信號無反饋作用。即Re對差模信號相當于短路，從而提高了對差模信號的放大能力。一般情況下，差分式放大電路采用雙電源供電，右圖為典型的差分式放大電路差分式放大電路的一般結構用三端器件組成的差分式放大電路有關概念VidVid=Vi172差模信號Vic

7、A/dV。1=(VilVi2)2i1共模信號Vid差模電壓增益AvcVoVic共模電壓增益其中Vo差模信號產(chǎn)生的輸出Vo共模信號產(chǎn)生的輸出總輸出電壓Vo=VoVo二A/dVidAVcVicKcmrAVdA/c共模抑制比反映抑制零漂能力的指標根據(jù)Vid=Vi1一Vi2Vi2=VbVid共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。射極耦合差分式放大電路1.電路組成及工作原理靜態(tài)1Ici=IC2二ICIO2VcE1=VcE2=Vcc-=Vcc-IcRc2_V=Vcc-ICRc2-(-0.7V)I-

8、1-上IB1一IB2動態(tài)差模信號：大小相等，極性相反的輸入信號。vI1=-vI2=vId/2。iE仁一iE2,所以e點的電位不變2.抑制零點漂移原理溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。溫度ici、iciriE1iE1iC2riE2（vBi、vB2不變）vBE1禾口VBE2“iBi和怙汕差分式放大電路對共主要指標計算差分放大電路的四種接法：根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單

9、端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。雙端輸入雙端輸出3.主要指標計算(1)差模情況八_V。V1-v22viAvd=+cbeVidVi1一Vi22Vii以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力接入負載時1B（RcRl）Avd2be雙入、單出A/diVoiVolVid2vii1AAvd二22Rc2beKRc/Rl）接入負載時Avd2be單端輸入等效于雙端輸入扌旨標計算與雙端輸入相同TDC1L2(2)共模情況雙端輸出共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以Voc-Voc4-Voc20Ac共模增益Ac共模增益仏0vic單端輸出A/C1A/C1voclvicVoc2vic-恥rbe（1-）2ro

10、Rc2ror。一；Avci-抑制零漂能力增強丄i+T,Ti(3)共模抑制比AvdAvdAvcKcmr-20lgAvdAvcdB雙端輸出，理想情況Kcmr二二Kcmr單端輸出Kcmr單端輸出ViciC)KcmrVidKcmr越大，抑制零漂能力越強Vol=AvdiVid(1單端輸出時的總輸出電壓(4)頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。差分放大電路四種接法的比較各種接法輸入電阻相同：差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)、輸出電阻與輸入方式無關，與輸出方式有關:雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模輸入。帶有源負載的射極耦合差分式放大電路CMOS差分式放大電路d5V)PMOS1-F蔦也PM

11、OS也+DE14壬T4pnNMOS11Tf1O1.一%pDI也11012Q超高輸入電阻運放rid1013aIIB100MQ最大共模輸入電壓Vicmax般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達13V。大信號動態(tài)特性轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(例如階躍信號)時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即卩dvo(t)dtmax全功率帶寬BWP指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即BWp=fmaxSR-2NomSR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR在nV/以下，741的SR=0.5V/s而高速運放要求SR30V

12、/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/七。電源特性電源電壓抑制比KSVR衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響靜態(tài)功耗PV集成運放應用中的實際問題集成運放的選用根據(jù)技術要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流110和偏置電流IIB帶來的誤差輸入為零時的等效電路廣Vp=-(IIB-)R22VVn-(Iib+導)(RJ/Rf)-VioR

13、f2JVpm解得誤差電壓Vo=(1Rf/Ri)VioliB(RiRf-R2)lio(RiRfR2)當R2=RiRf時，可以消除偏置電流1IB引起的誤差，此時V。=(1+Rf/RIWio*hoR2)Rf換成電容c,貝yVio和丨|。引起的誤差仍存在。當電路為積分運算時，即11Vo（t）io（t）Tio（t）R2RiJST。曲時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態(tài)。調(diào)零補償（a）調(diào)零電路（b）反相端加入補償電路5.6運算放大器集成電路運算放大器i.集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成運算放大器的內(nèi)部結構框圖運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號2.運算放大器的電路模型（b）國內(nèi)外常用符號

14、通常：開環(huán)電壓增益Avo的105（很高）輸入電阻ri106幽艮大）輸出電阻ro100Q（很?。﹙0=Avo(vPvN)(VvvOvV+)注意輸入輸出的相位關系當Avo(vPvN)羽+時vO=V+當Avo(vPvN)W/-時vO=V-電壓傳輸特性vO=f(vPvN)線性范圍內(nèi)vO=Avo(vPvN)Avo斜率vO的飽和極限值等于運放的電源電壓V+和V運放的開環(huán)電壓增益很高若（vPvN）0貝VvO=+Vom=V+若（vPvN）v0右VvOR3時，(1)試證明VS=(R3R1/R2)IM;(2)Ri=R2=150kl】,R3=1k輸入所以12=IS=VS/R1所以12=IS=VS/R1信號電壓VS=

15、100mV時，通過毫伏表的最大電流IM(max)又根據(jù)虛短有VP=VN=0R2和R3相當于并聯(lián)，所以-2R2=R3(I2-IM)./R2+RsVsIM=()所以RsRi當R2R3時，VS=(R3R1/R2)IM(2)代入數(shù)據(jù)計算即可564同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用求差電路從結構上看，它是反相輸入和同相輸入相結合的放大電路。根據(jù)虛短、虛斷和p點的KCL得:Vi2VpViiVnVRi一il0-R4Vn二VpSjo1*m爲R2Vp-0RTV。=(RiRiEAMR2R3R4R4RiRs,V。弓(Vi2R2尺-Vii)若繼續(xù)有R4=Ri，則Vo二Vi2-旳R4_R3R-!R2時,V。Vi2Ri-Vii)從放大器角度看增益為:Vi2一Vii(該電路也稱為差分電路或減法電路)求差電路一種高輸入電阻的差分電路氏=v二一色（1退）V!_V2R3Ri求和電路根據(jù)虛短、虛斷和n點的K