集成電路運(yùn)算放大器-課件

第六章

集成電路運(yùn)算放大器在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱(chēng)為集成電路。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放)是應(yīng)用極為廣泛的一種器件，是一種高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合的放大電路，其電壓放大倍數(shù)可高達(dá)107。本章首先討論集成運(yùn)放的基本單元電路，然后介紹通用型運(yùn)算放大器及其性能指標(biāo)。

1ppt課件第六章

集成電路運(yùn)算放大器與分立元件電路相比，模擬集成電路有以下幾方面的特點(diǎn)：(1)級(jí)間采用直接耦合方式(2)電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱(chēng)性(3)用有源器件代替無(wú)源器件(4)采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)的電路(5)電路大都采用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管，用作溫度補(bǔ)償元件或電位移動(dòng)電路。2ppt課件6.1

差動(dòng)放大電路集成電路運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。當(dāng)多級(jí)直接耦合放大電路的輸入端短路(ui＝0)，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。抑制零點(diǎn)漂移要著重于第一級(jí)。有效的措施之一是采用差動(dòng)放大電路，因而差動(dòng)放大電路成為集成運(yùn)放的主要組成單元。3ppt課件6.1.1

基本差動(dòng)放大電路

圖中所示是一個(gè)基本差動(dòng)放大電路，又稱(chēng)為長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：對(duì)稱(chēng)，即

Rs1=Rs2=Rs，

Rc1=Rc2=Rc，

β1=β2=β，UBEl=UBE2=UBE

兩個(gè)輸入端ui1和ui2兩個(gè)輸出端uo1和uo24ppt課件6.1.1

基本差動(dòng)放大電路

1.靜態(tài)分析(ui1=ui2=0)∵對(duì)稱(chēng)∴IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC

對(duì)輸入電路

RsIB+UBE+2ReIE1=UEE

有UE=2IE1Re-UEE≈2ICRe-UEEIB＝IC/βUC=UCC–RcICuO=UC1-UC2=0

5ppt課件抑制零點(diǎn)漂移的作用

1）電路的對(duì)稱(chēng)性有效抑制了零點(diǎn)漂移；2）RE

引入的電流負(fù)反饋，穩(wěn)定電路工作點(diǎn)，抑制單個(gè)管子的零點(diǎn)漂移。3）電源（-UEE）的作用是：

a）對(duì)三極管T1、T2

提供基極電流；

b）補(bǔ)償IE在RE

上產(chǎn)生的直流壓降，使UE=0，則UCE=UC，輸出電壓有較大的變化范圍。6ppt課件2.動(dòng)態(tài)分析

差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)可以分為兩種類(lèi)型：共模信號(hào)和差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入端的信號(hào)為ui1＝-ui2＝uid/2時(shí)，輸入方式稱(chēng)為差模輸入。uid＝ui1-ui2稱(chēng)為差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)為ui1＝ui2＝uic，uic稱(chēng)為共模信號(hào)，其輸入方式稱(chēng)為共模輸入。uic的作用與溫度影響相似，所以常常用對(duì)共模信號(hào)的抑制能力來(lái)反映電路對(duì)零漂的抑制能力。7ppt課件2.動(dòng)態(tài)分析

當(dāng)兩個(gè)輸入端各加一個(gè)任意的信號(hào)電壓ui1和ui2，這兩個(gè)輸入信號(hào)可以分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)，uid＝ui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2兩個(gè)輸入電壓可用共模和差模信號(hào)表示， ui1＝uic+uid/2ui2=uic-uid/2在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，對(duì)于線(xiàn)性放大電路來(lái)說(shuō)，可利用疊加原理來(lái)求出總的輸出電壓。

uo=Auduid+Aucuic

Aud=uod／uid為差模電壓放大倍數(shù)Auc=uoc／uic為共模電壓放大倍數(shù)。

8ppt課件主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算

(1)共模電壓放大倍數(shù)

雙端輸入、雙端輸出若電路的完全對(duì)稱(chēng)有，uic=ui1=ui2ue=ieRe=2Reie1uoc=0Auc=uoc/uic=0

共模電壓放大倍數(shù)越小，說(shuō)明放大電路的性能越好。

共模輸入信號(hào)時(shí)的信號(hào)通路

9ppt課件主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算

(1)共模電壓放大倍數(shù)

單端輸出Auc1=Auc2=uoc1/uic=-βRc/(Rs+rbe+(1+β)2Re)

一般情況下，(1+β)2Re>>(rbe+Rs)，β>>1Auc1=Auc2≈-Rc/2Re

Re越大，ie的恒流性能越好，Auc1越小，說(shuō)明它抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。共模輸入信號(hào)時(shí)的信號(hào)通路

10ppt課件(2)差模電壓放大倍數(shù)

雙端輸入、雙端輸出

∵ui1=-ui2，ie1=-ie2

，ie=0∴差模信號(hào)對(duì)Re不起作用，Re可視為短路，差模電壓放大倍數(shù)與單邊放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。

Aud=uo/uid=(uo1-uo2)/uid=uo1/ui1=-Rc/(Rs+rbe)

當(dāng)集電極c1、c2間接入負(fù)載電阻RL時(shí)，電壓放大倍為

Aud=-R’L/(Rs+rbe)

R’L=Rc//（RL/2）差模信號(hào)通路11ppt課件(2)差模電壓放大倍數(shù)

雙端輸入、單端輸出∵

uo1=uo/2

(同相

),或

uo2=-

uo/2

(反相

)∴單端輸出電壓放大倍數(shù)只有雙端輸出時(shí)的一半。Aud1=uo1/uid=Aud/2=-Aud2=-Rc/2(Rs+rbe)

若從集電極c1或c2點(diǎn)與地之間接入負(fù)載電阻RL時(shí)Aud1=-Aud2=-R’L/2(Rs+rbe)R’L=Rc//RL

差模信號(hào)通路12ppt課件(2)差模電壓放大倍數(shù)

單端輸入(設(shè)

ui2=0)∵uid=ui1-ui2=ui1uic=(ui1+ui2)/2=ui1/2一方面：若電路完全對(duì)稱(chēng)，

ui1=uic+uid/2≈uid/2ui2=uic-uid/2

≈-uid/2單端輸入可等效為雙端輸入。另方面：若滿(mǎn)足Re>>rb‘eie=ue/Re≈0，所以，uid近似地均分在兩管的輸入回路上。結(jié)論：差模電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān)，雙端輸出，電壓放大倍數(shù)Aud與單邊放大電路相同；單端輸出，Aud1=-Aud2=Aud/2

，而輸入電阻都是相同的。

差模信號(hào)通路13ppt課件(3)共模抑制比KCMR

為了衡量差動(dòng)放大電路抑制共模信號(hào)的能力，常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)，其定義為

KCMR=|Aud/Auc|

或KCMR=20lg|Aud/Auc|dB

若差動(dòng)放大電路完全對(duì)稱(chēng)，雙端輸出時(shí)，KCMR=|Aud/Auc|→∞

單端輸出時(shí)，

KCMR=|Aud/Auc|=

(Rs+rbe+(1+β)2Re)/2(Rs+rbe)一般有

(1+β)2Re>>(rbe+Rs)，β>>1，所以KCMR

=

βRe/(Rs+rbe)單端輸出時(shí)，總輸出電壓為

uo1=uidAud1+uic1Auc1=uidAud1

(1+uic/(uidKCMR))14ppt課件

輸入電阻

差動(dòng)放大器的輸入電阻分為差模輸入電阻rid和共模輸入電阻ric。rid=uid/iid

無(wú)論單、雙端輸入

，都有uid=ui1–ui2=ib1(Rs+rbe)–ib2(Rs+rbe)iid=ib1=–ib2

rid=uid/iid=2(Rs+rbe)

在對(duì)稱(chēng)的條件下，無(wú)論單、雙輸入，rid是其單邊差模信號(hào)通路輸入電阻的2倍

15ppt課件

輸入電阻ric=uic/iic∵uic=ui1=ui2

=ib1(Rs+rbe)+ib1(1+β)2Re

iic=ib1+ib2=2ib1∴ric=uic/iic

=[(Rs+rbe)+(1+β)2Re]/2

對(duì)稱(chēng)的條件下，共模輸入電阻ric是其單邊共模信號(hào)通路輸入電阻的一半。

16ppt課件(5)差模輸出電阻

差模輸出電阻ro是在差模信號(hào)作用下從RL兩端向放大器看去的等效電阻。因?yàn)椴顒?dòng)放大電路由兩邊對(duì)稱(chēng)的共射極電路組成，可用共射極電路來(lái)分析，所以雙端輸出電阻ro=2Rc

單端輸出電阻ro=Rc17ppt課件6.1.2

恒流源差動(dòng)放大電路長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路，由于接入Re提高了共模信號(hào)的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈強(qiáng)。若Re增大，則Re上的直流壓降增大，為了保證管子工常工作，必須提高UEE值，這是不合算的。為此希望有這樣一種器件：交流電阻r大，而直流電阻R小。18ppt課件恒流源電路的等效電阻計(jì)算T3構(gòu)成的恒流源，輸出電阻ro3由微變等效電路計(jì)算。輸出回路uo=(io-βib3)rce+(io+ib3)R3

輸入回路ib3(rbe+R1//R2)+(io+ib3)R3=0

19ppt課件6.2

集成電路運(yùn)算放大器中的電流源恒流源電路使用電阻較多，且作為恒流源的管子，它的UBE還要受溫度的影響，因此抑制零漂不夠理想。在電子電路特別是模擬集成電路中，廣泛使用的另一種單元電路是電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作放大電路的有源負(fù)載。利用晶體管輸出特性具有恒流的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)妮o助電路可以使其恒流特性更接近于理想情況。

20ppt課件6.2.1

鏡像電流源T1、T2特性完全相同，有β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，IEl＝IE2。RL是后級(jí)電路的等效電阻，R稱(chēng)作限流電阻。對(duì)整個(gè)T1管應(yīng)用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+2/β)IC2當(dāng)β>>2，IR≈Io=IC2而IR=(UCC-UBE)/R所以，當(dāng)R確定后，IR就確定了，Io也隨之而定，Io就如同IR在鏡子中的影像一樣，故稱(chēng)該電路為鏡像電流源，IR稱(chēng)作電流源的基準(zhǔn)電流。在UCC>>UBE的條件下，Io≈UCC/R與晶體管的參數(shù)無(wú)關(guān)，具有很好的溫度穩(wěn)定性和較好的恒流特性。

21ppt課件6.2.2

微電流源

鏡像電流源電路適用于較大工作電流(毫安數(shù)量級(jí))的場(chǎng)合，為了減少I(mǎi)C2的值，得到微安數(shù)量級(jí)的輸出電流，而又不使限流電阻R過(guò)大，可采用微電流源電路。

與鏡像電流源相比，在T2的射極電路接入電阻Re2，用來(lái)控制Io的大小?！逫E2Re2=UBE1-UBE2=△UBE，而IC2≈IE2=△UBE/Re2∴利用兩管基—射極電壓差△UBE可以控制輸出電流IC2=Io。由于△UBE的數(shù)值小，故用阻值不大的Re2即可獲得微小的輸出電流。22ppt課件輸出電流Io與基準(zhǔn)電流IR的關(guān)系

∵T1和T2發(fā)射結(jié)是正向偏置，有IE=ISeUBE/UT，IS1=IS2，

∴UBE1≈UTlnIE1/ISUBE2≈UTlnIE2/IS△UBE=UTlnIE1/IE2

又∵IC2=Io≈IE2，IE1≈IR，

∴Io≈IE2=△UBE/Re2=UT/Re2lnIR/Io

IR≈UCC/R當(dāng)基準(zhǔn)電流IR和所需要的輸出電流Io確定以后，由上兩式可以很容易地求得Re2及限流電阻R的值。23ppt課件6.2.3

多路電流源

用一個(gè)基準(zhǔn)電流去控制多個(gè)輸出電流，就構(gòu)成了多路電流源

當(dāng)β較大時(shí)，有IE≈IC≈IR

由于各管的β、UBE相同，則IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3≈IRRe

所以IC1≈IE1=IRRe/Re1

，IC2≈IE2=IRRe/Re2

，IC3≈IE3=IRRe/Re3

當(dāng)IR確定后，改變各Rei

，可獲得不同的輸出電流。

24ppt課件6.3

復(fù)合管電路

為獲得高放大倍數(shù)，可以利用多個(gè)晶體管組成復(fù)合管，以得到較大的電流放大系數(shù)。

1.復(fù)合管的組成形式

一般復(fù)合管由兩個(gè)晶體管組成，兩個(gè)晶體管的類(lèi)型可以相同，也可不同。組成后的復(fù)合管應(yīng)滿(mǎn)足復(fù)合起來(lái)的管子都處于導(dǎo)通狀態(tài)的條件，即滿(mǎn)足發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。復(fù)合管的類(lèi)型與第一個(gè)晶體管的類(lèi)型相同。

25ppt課件26ppt課件2.復(fù)合管的主要參數(shù)

復(fù)合管的主要參數(shù)是等效電流放大系效β和等效輸入電阻rbe。由上圖四種接法的復(fù)合管各極電流關(guān)系可以推出：復(fù)合管的等效電流放大系數(shù)是兩管電流放大系數(shù)的乘積，即β≈β1β2。（a）(b)兩種接法的復(fù)合管中，T1管是共集電極組態(tài)，而rbe2是T1管的射極電阻，所以復(fù)合管等效輸入電阻為rbe=rbe1+（1+β）rbe2，。

（c）(d)兩種接法的復(fù)合管中,rbe=rbe1。

27ppt課件6.5

集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1．開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod是指集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無(wú)負(fù)反饋情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)。2．最大輸出電壓Uop-p最大輸出電壓是指在額定的電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰一峰值。用集成運(yùn)放的傳輸特性曲線(xiàn)表示Uop-p的影響。3．最大差模輸入電壓Uidmax所指的是集成運(yùn)放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。4．最大共模輸入電壓Uicmax這是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。UoUidUOM=Uop-p/

2-UOM0線(xiàn)性區(qū)28ppt課件小結(jié)

1.

集成電路運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是，高電壓放大倍數(shù)、直接耦合、多級(jí)放大。2.

差動(dòng)放大電路是集成電路運(yùn)算放大器的重要組成單元，它既能放大直流信號(hào)，又能放大交流信號(hào)；它對(duì)差模信號(hào)具有很強(qiáng)的放大能力，而對(duì)共模信號(hào)卻具有很強(qiáng)的抑制能力。3.

基本差動(dòng)放大電路（或稱(chēng)為長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路）是靠以下兩方面來(lái)抑制零漂：一是利用了電路的對(duì)稱(chēng)性；二是射極接了大電阻Re，引進(jìn)了共模電流負(fù)反饋，從單管著手，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。4.

差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端ui1和ui2，兩個(gè)輸入信號(hào)的差值稱(chēng)為差模