集成運(yùn)算放大電路

第4章集成運(yùn)算放大電路本章主要內(nèi)容介紹集成放大電路的特點(diǎn)。電流源電路——集成運(yùn)放中的電流源電路包括①鏡像電流源②改進(jìn)電流源③微電流源各自適用范圍※4.1集成運(yùn)算放大電路概述一.集成電路特點(diǎn)簡(jiǎn)稱IC【IntegratedCircuit】60年代初發(fā)展起來(lái)。它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。優(yōu)點(diǎn)：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。返回特點(diǎn)電路參數(shù)一致性好，大量采用差分放大電路和恒流源電路。用有源器件代替電阻。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。級(jí)間采用直接耦合方式。常用耦合方式有三種：①直接耦合②通過(guò)電容耦合——稱阻容耦合③通過(guò)變壓器耦合允許采用復(fù)雜電路形式。集成電路－AVR單片機(jī)背面焊點(diǎn)圖局部焊點(diǎn)uI1uI2uO二.通用集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成及使用典型集成運(yùn)放的方框圖：負(fù)載該方框圖分成3個(gè)級(jí)，四個(gè)部分。每一部分構(gòu)成的電路，稱為單元電路。4.1集成運(yùn)算放大器概述返回（1）（差分式）輸入級(jí)【又稱前置級(jí)】要求：①Ri高，以便把外加信號(hào)盡可能多的吸入電路中去；②差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)。——往往都是用雙端輸入的高性能差分放大電路。（2）中間（放大）級(jí)作用：主要用來(lái)提高電壓增益。在這一級(jí)把信號(hào)盡量放大，使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力?！嗖捎霉采洌ɑ蚬苍矗┓糯箅娐罚ā咚鼈兊腁V大）；——多采用復(fù)合結(jié)構(gòu)（∵它們的AV大）；（3）（互補(bǔ)）輸出級(jí)要求：①Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；②非線性失真小。多采用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成電路，保證功率放大。（4）（直流）偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)——采用電流源電路為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作電流，從而確定了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。+VCC-VEEPNuI1uI2OuOiI1iI2A集成運(yùn)放的使用同相輸入端反相輸入端這兩個(gè)電壓可不畫(huà)輸入與輸出的關(guān)系：當(dāng)uI從反相輸入端輸入時(shí)，uO與uI反相；當(dāng)uI從同相輸入端輸入時(shí)，uO與uI同相；（1）集成運(yùn)放的符號(hào)說(shuō)明（2）輸入電壓的兩種形式①差模輸入電壓uId【d：differential】②共模輸入電壓uIc【c：common】即：兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓大小相等，但極性相反。即：兩個(gè)差放管的輸入電壓大小相等，且極性相同。uId

——也稱為差模信號(hào)uIc

——也稱為共模信號(hào)分別表示為3.集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性

uO=f(uP-uN)

由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。+UOM-UOM線性區(qū)飽和區(qū)典型集成運(yùn)放F007內(nèi)部電路【簡(jiǎn)化圖】幾種集成運(yùn)放實(shí)物圖5.2集成運(yùn)放中的電流源電路（2）還可以作放大電路的有源負(fù)載。電流源電路的作用：（1）可以為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流；返回1.鏡像電流源【也稱電流鏡（CurrentMirror）】設(shè)T1、T2的參數(shù)完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2電源VCC通過(guò)電阻R和T1產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF，則（1）工作原理分析一.基本電流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2而又又整理后，得當(dāng)滿足條件β>>2時(shí)，有IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2即且通常有VCC>>UBE1由推導(dǎo)可見(jiàn)，IREF由VCC和R決定，而IC2像IREF的鏡像，與其本身一側(cè)的電阻RC無(wú)關(guān)。所以，無(wú)論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。無(wú)關(guān)補(bǔ)償作用（2）鏡像電流源的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；適用于較大工作電流（mA級(jí)）的場(chǎng)合。適用范圍：②T1管對(duì)T2管具有一定的溫度補(bǔ)償作用，使得IC2的溫度穩(wěn)定性較好。溫度T↑IC2↑IC1↑IREF↑VR(=IREFR)↑VB↓IB↓IC2↓T↓則相反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2VB缺點(diǎn)：①當(dāng)直流電源VCC變化時(shí)，輸出電流IC2幾乎按同樣的規(guī)律波動(dòng)，因此不適用于直流源在大范圍內(nèi)變化的集成運(yùn)放。②若輸入級(jí)要求微安級(jí)的偏置電流，則所用電阻將達(dá)到兆歐級(jí)，在集成電路中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。③該電路限制β>>2時(shí)才成立，若β值很小時(shí)，IC2與IREF就存在一定的差別，不能達(dá)到很好的鏡像。2.比例電流源由電路：又：所以：得：得：在一定條件下當(dāng)基準(zhǔn)電流IREF一定時(shí)，IC1可得：式中(UBE0-UBE1)通常只有幾十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的Re（幾千歐）即可獲得微小的工作電流IC1（μA級(jí)），稱為微電流源。3.微電流源IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE13.微電流源由上面電路因?yàn)镽e0=0其中IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE1以前電路限制β>>2時(shí)才成立，若β值很小時(shí)，IC2與IREF就存在一定的差別，不能達(dá)到很好的鏡像。二.改進(jìn)型電流源電路如：β=10時(shí)，則根據(jù)鏡像電流源公式，

可見(jiàn)兩者相差很大。IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe31.加射級(jí)輸出器的電流源對(duì)原電路進(jìn)行如下改進(jìn)：令接入電路中的T3與原電路中T1和T2參數(shù)完全一致?！痉治鲭娐贰慷諭REFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3又整理后，得：非常?。é藺級(jí)），可忽略IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3若取β＝10，則而原電路若也取β＝10由于可見(jiàn)該電路即使β很小，也可以認(rèn)為IC2≈IREF，二者能保持很好的鏡像關(guān)系。2.威爾遜電流源工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸出電阻大。若取β＝10，則可見(jiàn)該電路即使β很小，也可以認(rèn)為三.

多路電流源

1.基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。

UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因?yàn)閁BE相差不多，故IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re32.多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定集電結(jié)面積。設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則3.MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長(zhǎng)比。設(shè)寬長(zhǎng)比W/L=S，且T1～T4的寬長(zhǎng)比分別為S0、S1、S2、S3，則基準(zhǔn)電流通用集成運(yùn)放F007的內(nèi)部原理電路四.集成運(yùn)放電路中的電流源電路分析偏置電路了解內(nèi)容IREF【分析】由主偏置電路可求基準(zhǔn)電流IREF了解內(nèi)容IREF【分析】T10和T11構(gòu)成微電流源利用累試法或圖解法可求出IC10由圖可見(jiàn)：IC10作用：為輸入級(jí)T3、T4提供靜態(tài)電流。了解內(nèi)容IREF【分析】T12和T13構(gòu)成鏡像電流源IC13IC12由圖可見(jiàn)：作用：（1）為中間級(jí)T14、T15提供靜態(tài)電流并作為有源負(fù)載；（2）為輸出級(jí)T17、T18提供偏置電流。了解內(nèi)容IREF【分析】T8和T9構(gòu)成鏡像電流源IC13IC12作用：為輸入級(jí)T1、T1提供靜態(tài)電流了解內(nèi)容IREF四.電流源用作有源負(fù)載下圖為一個(gè)采用有源負(fù)載的單管共射放大電路。T1:放大管T2:有源負(fù)載組成鏡像電流源，代替原來(lái)共射放大電路中的電阻RC。電流源特點(diǎn)：直流電阻小，交流電阻大。在模擬集成電路中，廣泛地把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。了解內(nèi)容IREF設(shè)T2和T3管特性完全相同，有β2=β3=βIC2=IC3基準(zhǔn)電流由基準(zhǔn)電流就可以確定放大管的空載靜態(tài)工作電流IC1Q：∵∴電流源用作有源負(fù)載了解內(nèi)容∴在集成運(yùn)放中常常用三極管代替負(fù)載電阻RC，組成有源負(fù)載，以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。在共射電路中，可使每級(jí)的電壓增益達(dá)103甚至更高?！呷龢O管的集電極具有等效電阻rce比較大的特點(diǎn)電流源亦常用作射極負(fù)載。了解內(nèi)容用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時(shí)iO約為多少？④動(dòng)態(tài)時(shí)ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動(dòng)態(tài)：IREF集成運(yùn)放F007分析集成運(yùn)放F007輸入級(jí)分析通用集成運(yùn)放F007的內(nèi)部原理電路T1、T2、T3、T4共同構(gòu)成雙端輸入單端輸出的共集－共基差分式放大電路T5、T6、T7構(gòu)成帶緩沖級(jí)的鏡像電流源電路作為T(mén)3、T4發(fā)射極的有源負(fù)載作用：（2）減小共模增益，有利于抑制共模信號(hào)（1）提高差模增益[建議課后推導(dǎo)一下]兩個(gè)PNP型BJT構(gòu)成PNP型復(fù)合管復(fù)合三極管復(fù)合三極管的四種接法兩個(gè)NPN型BJT構(gòu)成NPN型復(fù)合管返回集成運(yùn)放F007中間級(jí)分析5.5集成運(yùn)放的中間級(jí)及復(fù)合三極管一.復(fù)合三極管復(fù)合三極管的四種接法兩個(gè)不同類(lèi)型的BJT構(gòu)成復(fù)合管，類(lèi)型與第一只相同。構(gòu)成PNP型構(gòu)成NPN型需要記住的幾點(diǎn)結(jié)論（1）構(gòu)成復(fù)合管的基本原則：第一只BJT的集電極（c）或發(fā)射極（e）要作為第二只BJT的基極（b）電流，且在外加電壓作用下，各極電流均有合適的通路，并工作在放大區(qū)。（2）由兩個(gè)不同類(lèi)型的BJT組成的復(fù)合管的類(lèi)型與第一只BJT的類(lèi)型一致。（3）復(fù)合管的電流放大系數(shù)β：（4）同類(lèi)型BJT組成復(fù)合管的輸入電阻rbe：不同類(lèi)型BJT組成復(fù)合管的輸入電阻rbe：需要記住的幾點(diǎn)結(jié)論如圖a所示rbe1rbe2β1ib1ib1β2ib2ib2=ie1圖arbe1ib1rbe2e1=c1c1=b2e2b1圖b以前面的NPN-PNP為例如圖b所示集成運(yùn)放F007中間級(jí)電路分析