模擬電子技術第五版第四章

1、第四章集成運算放大電路第四章集成運算放大電路4.14.1集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述4.24.2集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源電路4.1集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述集成電路簡稱集成電路簡稱 IC ( (Integrated Circuit) )集成電路按集成電路按其功能分其功能分數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路模擬集成模擬集成電路類型電路類型集成運算放大器；集成運算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器集成比較器；集成乘法器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓集成穩(wěn)壓器器；集成數(shù)；集成

2、數(shù)/?；蚰Ｄ；蚰?數(shù)轉換器等。數(shù)轉換器等。集成電路的外形集成電路的外形集成電路的外形集成電路的外形( (a) )雙列直插式雙列直插式( (b) )圓殼式圓殼式( (c) )扁平式扁平式4.1.1集成運放的電路結構特點集成運放的電路結構特點一一. 對稱性好，適用于構成差分放大電路。對稱性好，適用于構成差分放大電路。二二. 集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。三三. 在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替代

3、替電阻電阻( (特別是大電阻特別是大電阻) )。四四. 在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。電路通常采用直接耦合電路方式。五五. 集成電路中的集成電路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差別較大，值差別較大，通常通常 PNP 的的 10 。常采用復合管的形式。常采用復合管的形式。一、輸入級一、輸入級差分電路，大大減少溫漂。差分電路，大大減少溫漂。二、中間級二、中間級采用采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。三、輸出級三、輸出級 互補對稱互補對稱 電路，帶負載能力強電路，帶負載能力強四、偏置電

4、路四、偏置電路 電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。輸入級輸入級偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級+ uo uid4.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用集成運放電路的組成及其各部分的作用實質上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。實質上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。圖圖 4.1.1集成運算的基本組成集成運算的基本組成4.1.3集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性圖圖 4.1.2集成運放的符號和電壓傳輸特性集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成運放的兩個輸入端分別

5、為同相輸入端集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端u uP P和反向輸入端和反向輸入端u uN N。電壓傳輸特性電壓傳輸特性輸出電壓與其兩個輸入端的電壓輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系，即之間存在線性放大關系，即)(odONPuuAuuOuP-uN集成運放的工作區(qū)域集成運放的工作區(qū)域線性區(qū)域：線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。為輸出電壓的飽和電壓。+UOM-UOM理想運算放大器 理想運放可以理解為實際運放的理想化模型。就是將集成運放的各

6、項技術指標理想化，得到一個理想的運算放大器。1 .理想運放的結構由數(shù)十級晶體管放大電路組成 （1）電壓放大倍數(shù)A=； （2）輸入電阻rid=； （3）輸出電阻rod=0； （4） i+=i-0 這一特性稱為理想運放輸入端的“虛斷” （5）u+ u- 這一特性稱為理想運放輸入端的“虛短”。“虛短”和“短路”是截然不同的兩個概念，“虛短”的兩點之間，仍然有電壓，只是電壓十分微?。欢岸搪贰钡膬牲c之間，電壓為零。 基本性質（特點） 電壓控制的電壓源 1.反相放大器 運放的線性應用電路2 同相放大器同相放大器 4. 反相求和電路 4.2集成運放中的電流源電路集成運放電路中的晶體管和場效應管除了作為集成

7、運放電路中的晶體管和場效應管除了作為放大管外，還構成放大管外，還構成電流源電路電流源電路，為各級提供合為各級提供合適的靜態(tài)電流適的靜態(tài)電流;或作為或作為有源負載有源負載取代高阻值電阻取代高阻值電阻，從而增大放，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。大電路的電壓放大倍數(shù)。4.2.1基本電流源電路基本電流源電路一、鏡像電流源一、鏡像電流源 ( (電流鏡電流鏡 Current Mirror) )+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2RUVI1BECCREF 基準電流基準電流由于由于 UBE1 = UBE2，T1與與 T2 參數(shù)基本相同，則參數(shù)基本相同，則IB1 = IB

8、2 = IB；IC1 = IC2 = IC C2REFBREF1C2C22IIIIII 所以所以 211REF2C II當滿足當滿足 2 時，則時，則RUVII1BECCREF2C 圖圖 4.2.1+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源二、比例電流源R1R2由圖可得由圖可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，則，則22E11ERIRI 忽略基極電流，可得忽略基極電流，可得REF211C212CIRRIRRI 兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的

9、阻值成反比，故稱為比例電流源。阻值成反比，故稱為比例電流源。圖圖 4.2.2比例電流源比例電流源三、微電流源三、微電流源 在鏡像電流源的基礎上在鏡像電流源的基礎上接入電阻接入電阻 Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe 引入引入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 IC1 ，即在，即在 Re 值不值不大的情況下，得到一個比較大的情況下，得到一個比較小的輸出電流小的輸出電流 IC2 。圖圖 4.2.3 微電流源微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關系基本關系e2Ce2E2BE1BERIRIUU 因二極管方程因二極管方程TTUUUUIIIBEBEe

10、eSSC )1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln 2S1SII e2C2C1CTlnRIIIU 若若 IC1和和 IC2 已知，可求出已知，可求出 Re。圖圖 4.2.3微電流源微電流源4.2.2 改進型電流源電路改進型電流源電路問題：基本電流源電路在問題：基本電流源電路在 很小時，很小時， IR和和 IC2相差很大。相差很大。為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本準電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本電流源電路進行改進。電流源電路進行改進。一、加射極輸出器一、加射極輸出器 的

11、電流源的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB 由于增加了由于增加了T3，使，使IC2更更加接近加接近IREF（如何證明）（如何證明）缺點：缺點： 1. 受電源波動影響大；受電源波動影響大； 2.電流最低至電流最低至mA級。級。I IC2C2=I=IC1C1=I=IREFREF-I-IB3B3=I=IREFREF-I-IE3E3/(+1)/(+1)REFREFCCREFBIIIIIII) 1(11) 1(212222REF如10 IC2=0.982 IREF 增加電阻Re2目的是使IE3增大。圖圖4.2.4加射極輸出器的電流源加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1IC

12、1IREFIB3Re2二、威爾遜電流源二、威爾遜電流源T1管的管的c-e串聯(lián)在串聯(lián)在T2管的發(fā)管的發(fā)射極，其作用與典型的工作射極，其作用與典型的工作點穩(wěn)定電路中的點穩(wěn)定電路中的Re相同。相同。圖圖4.2.5威爾遜電流源威爾遜電流源RR22CII2221I）（公式推導（略）公式推導（略）當10 IC2=0.984 IR可見，在可見，在很小時，也可認為很小時，也可認為IC2= IR 。 IC2受基極電流影響很小。受基極電流影響很小。RIRIC2+VCCIC0IC問題：問題：IR如何計算？如何計算？4.2.3多路電流源多路電流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3電路圖電路圖公式推導公式

13、推導IC= IE IREF- IB/(+1)當當較大時較大時IC=IREF由于各管的由于各管的， UBE相同，相同，IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以所以ICTIBRIREFVCCT0ReIE圖圖4.2.6基于圖基于圖4.24的多路電流源的多路電流源多集電極管構成的多集電極管構成的多路電流源多路電流源圖圖4.2.7多集電極管構成的多路電流源多集電極管構成的多路電流源當基極電流一定時，集電極當基極電流一定時，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)電流之比等于它們的集電區(qū)面

14、積之比。面積之比。MOS管多路電流源管多路電流源圖圖4.2.8MOS管多路電流源管多路電流源設溝道寬設溝道寬長比長比W/LS漏極電流之比正比于溝道漏極電流之比正比于溝道的寬長比。的寬長比。例例4.2.1圖4.2.9所示電路是F007的電流源部分。其中T10與與T11為縱向縱向NPN管； T12與與T13是橫向橫向PNP管，它們的為5，b-e間電壓值約為0.7V，試求各管的電電流。圖圖4.2.9F007中的電流源電路中的電流源電路解解511BE12BECCCCREFRUUVVI0.73mA410C10TlnRIIIUCRIC1028uA2R12C13CIII0.52mA4.2.4 以電流源為有源

15、負載的放大電路以電流源為有源負載的放大電路在集成運放中，常用電流源電路取代在集成運放中，常用電流源電路取代RC或或Rd ，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的等效等效RC或或Rd的。的。晶體管和場效應管是有源元件，又可作為負晶體管和場效應管是有源元件，又可作為負載，故稱為有源負載。載，故稱為有源負載。一、有源負載共射放大電路一、有源負載共射放大電路1.電路圖電路圖2.靜態(tài)分析（求參考電流，略）靜態(tài)分析（求參考電流，略）3.動態(tài)分析動態(tài)分析UAbe1bLce2ce11)/(rRRrrTR Rb1b1R Rb2b2rce2bebL1rRRUA二、有源負載差分放大電路二、有源負載差分放大電路利用鏡像電流源利用鏡像電