電子技術(shù)基礎(chǔ)檔模電第五章

1、第五章集成運(yùn)算放大電路教學(xué)內(nèi)容§5.1§5.2§5.3集成放大電路的特點(diǎn)集成集成的主要技術(shù)指標(biāo)的基本組成部分§5.4§5.5§5.6集成的典型電路各類集成運(yùn)算放大的性能特點(diǎn)集成使用中的幾個(gè)具體問(wèn)題§ 5.1 集成放大電路的特點(diǎn)一、集成電路的分類：集成電路簡(jiǎn)稱 IC (Integrated Circuit)數(shù)字集成電路按其功能分模擬集成電路集成運(yùn)算放大器；集率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。模擬集成電路類型集成電路的外形(b)圓殼式(a)雙列直插式(c)扁

2、平式§ 5.1 集成放大電路的特點(diǎn)二、集成電路的特點(diǎn)：1. 對(duì)稱性好，適用于差分放大電路。2.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(shí)，要在電路上另想辦法。3.在上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。4.在上制作比較大的電容和電感非常，電路通常采用直接耦合電路方式。5. 集成電路中的 NPN 、 PNP管的 b 值差別較大， 通常 PNP 的 b 10 。§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)反相輸入端A+輸 出 端同相輸入端§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)一、運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)1輸入失調(diào)電壓 UIO

3、定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。：UIO 為 1 10 mV；一般：UIO 為 1 mV 以下。高質(zhì)量輸入失調(diào)電壓溫漂 aUIO= dUIO定義：a一般UIOdT為每度 10 20 mV；高質(zhì)量低于每度 0.5 mV 以下；§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)一、運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)輸入失調(diào)電流 IIO定義：當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流 之差，即=- IB2IIOIB1為 幾十 一百納安；高質(zhì)量的低于 1 nA。一般輸入失調(diào)電流溫漂 aIIO= dIIOa定義：IIOdT一般為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十。§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)一、運(yùn)算放大

4、器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)輸入偏置電流 IIB定義：輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平 均值。= 1 ( I+ II)IBB1B22最大共模輸入電壓 UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。最大差模輸入電壓 UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)二、運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益 Aod一般用對(duì)數(shù)表示，定義為 UOA= 20lg：分貝od U - U+-理想情況 Aod 為無(wú)窮大； 140 dB。差模輸入電阻 rid實(shí)際情況 Aod 為 100 = UId定義： r一般集成為幾兆歐。id IId§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)二、

5、運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)10共模抑制比 KCMRAod= 20 lg定義：KCMRAoc在 80 dB 以上，高質(zhì)量的可達(dá) 160 dB。多數(shù)集成11 - 3 dB帶寬 fH表示 Aod 下降 3 dB 時(shí)的頻率。一般集成幾赫至幾千赫。fH 只有§ 5.2集成的主要技術(shù)指標(biāo)二、運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)12Aod增益帶寬 BWG降至 0 dB 時(shí)的頻率，此時(shí)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于 1 。13 轉(zhuǎn)換速率 SR額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸為V / ms 。出電壓的最大變化率。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成的 SR 值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)

6、功耗及輸出電阻等。§ 5.3 集成的基本組成部分輸入級(jí)：（前置級(jí)）電路：一個(gè)高性能的差動(dòng)放大器特點(diǎn)：輸入電阻高，抑制溫度漂移能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小。偏置電路輸出級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)§5.3.1偏置電路作用：向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。一、鏡像電流源1.電路組成：對(duì)稱（三極管的工藝、結(jié)構(gòu)和參數(shù)都一致）+VCCIREFIRIC1C22IBIB2IB12.基準(zhǔn)電流：VTVT+12UBE2UBE1- UV= I REF=I R CCBE 1R§5.3.1偏置電路- 2 IC 2= I= I- 2I= I3. 電路對(duì)稱： IbC 2C1REFBREF12b

7、+ 2= I= I(1-I)4. 鏡像電流：C 2REF1+ 2REFb >>2 II+VCCC2REFIREF2IBRIC1IC2R值確定后，I就確定，REFI也隨之確定。IIC2B2B1VTVT+UBE1+125. 特點(diǎn)：三極管集電極電流是UBE2電流源電路的鏡像（電流相等）適用于較大工作電流的場(chǎng)合（mA級(jí))§5.3.1二、比例電流源在鏡像電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻， 使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。偏置電路+VCCIREFRIC22IBIC1IIB2B1VTVT+ UBE1+12UBE2Re2UBE1 + IE1 ×

8、; Re1 = UBE2+ IE 2 × Re2Re1UBE1UBE2IE1Re1IE2Re2Re1IC 2Re1»II»忽略基極電流有：C 2REFRIRe2C1e2§5.3.1三、微電流源通過(guò)接入Re 電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用于微功耗的集成電路中。偏置電路引入Re后將使UBE2<UBE1,可得+VCCIREFUBE1-UBE2=IE2ReIC2ReIRC22IBDUIC1VT1»IC 2 BEReVT21. 電源電壓波動(dòng)對(duì)工作電流IC2的影響不大。2. 提高了恒流源對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性。Re§5.3.1偏

9、置電路與鏡像電流源比較，微電流源的特點(diǎn)：1. 提高了恒流源對(duì)電源變化的穩(wěn)定性。2. 提高了恒流源對(duì)溫度變化的穩(wěn)定性。3. 由于引入了電流負(fù)反饋，微電流源的輸出電阻比T2本身的輸出電阻（rce)要高得多。§5.3.2差分放大輸入級(jí)直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：零點(diǎn)漂移：直接耦合放大電路的輸入端短路（ui=0）時(shí)，輸出電壓卻不為零，這種現(xiàn)象 稱零點(diǎn)漂移（或溫度漂移）。：主要是三極管的溫度漂移?；拘问介L(zhǎng)尾式 恒流源式電路形式克服零點(diǎn)漂移的主要方法是采用差分放大電路。§5.3.2差分放大輸入級(jí)一、基本形式差分放大電路1. 電路組成：由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路組成，對(duì)稱的含義是兩個(gè)

10、三極管的特性一致，電路參數(shù)對(duì) 應(yīng)相等。+VCCb =b =b12Rc2Rc1UBE1=UBE2= UBErbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBORRb2+ uob1R1VT2VT1+u1 uId2Id+1R=R= RuId2C1C2CR2Rb1=Rb2= RbR1=R2§5.3.2差分放大輸入級(jí)根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個(gè)輸入2.差分放大電路的端號(hào)反之，如果所得到的輸出所差分放大電路一般得則 信號(hào)的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。同相輸入端反相輸入端信號(hào)的輸入方式：若信號(hào)同時(shí)加到同相輸入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加入，稱為入。

11、差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是集電極C1，另一個(gè)是集電極C2。從C1 和C2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或C2 對(duì)地輸出稱為出。§5.3.2差分放大輸入級(jí)3.差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度的溫度對(duì)三極管電流的影響相當(dāng)于加入了共模信號(hào)。差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信 號(hào)抑制。輸相等，極性相反的信號(hào)。信號(hào)。§5.3.2差分放大輸入級(jí)4.差分放大電路的工作原理對(duì)共模信號(hào)有抑制作用：電源電壓波動(dòng)、外界干擾、溫度變化引起的電路內(nèi)部電流及電位的變化， 均可認(rèn)為是共模信號(hào)。+VCC輸入信號(hào)為零時(shí):i=iu=uRRb2C1C2O1O2+

12、 uoVT1b1uo=uo1uo2=0溫度變化引起：R1VT2+u1 uId2Id+1uId2R2共模電壓放大倍數(shù)D uoA= 0o2+ uo2)=0ucD uIcRc1Rc2§5.3.2差分放大輸入級(jí)對(duì)差模信號(hào)有放大作用：差模信號(hào)（有用的信號(hào)）輸入時(shí)，+VCCRc2Rc1由于輸入端信號(hào)大RRb2+ uob1小相等，方向相反，R1VT因此，若iC1 ,則VT12+1+uIduId2i。+1 uC2IdR22uO=(uO1+uO1) (uO2 uO2)=2uO1§5.3.2差分放大輸入級(jí)+VCC求差模電壓放大倍數(shù)：= uoRc2Au =uuRc1oo1o2udRuRb2+ u

13、ob1iu = 1 u+ 1 u 2R1= uVTiIdIdIdVT122+1 uIdu2兩邊電路參數(shù)對(duì)稱Id+1uId2R2A=A則有：u1u2u= A× 1 u= 1 A× uo1u1Idu1Id22u =uu=Au=Auoo1o2u1Idu2Id11= Au 2 × (- 2 uId ) = - 2 Au 2uIduo 2= uo= Au1ui= AAudu1uuii§5.3.2差分放大輸入級(jí)5. 共模抑制比CMRR (Common Mode Rejection Ratio）Aud= 20 lg Aud或=KKCMRACMRAucucAudAu1=

14、 ¥K基本差分放大電路： CMRA0uc共模抑制比越大說(shuō)明電路對(duì)零漂的抑制能力越強(qiáng)。6.該電路存在的缺點(diǎn):不易保持電路的對(duì)稱性，單管仍存在零點(diǎn)漂移，兩個(gè)三極管輸出端的溫漂不可能完全抵消。為了減 小每管的零漂，采用長(zhǎng)尾式電路。§5.3.2差分放大輸入級(jí)二、長(zhǎng)尾式差分放大電路1.電路組成：添加Re，似尾巴，稱長(zhǎng)尾式差分放大+VCCRRcc電路。添加負(fù)電源VEE，去掉Rb。+ uoR1uIdVT1VT2+1+uId2+1 uReIdR22-VEE差模輸入雙端輸出§5.3.2Re和VEE的作用：靜態(tài)時(shí)：差分放大輸入級(jí)+VCCRRcc+ uoR1IRe=IE1+IE2=2I

15、EURe=IReRe=2IEReVTVT+1+uId12uId2+1uId2ReR=IE(2Re )2-VEERe越大，負(fù)反饋越顯著，抑制作用越強(qiáng)，但差¯¯T號(hào)o UE會(huì)使UBE,工作電流變小，電路不能正常工2作，因此應(yīng)加VEE. VEE和Re提供基極偏置電流,不再需要Rb.§5.3.22.靜態(tài)分析由于電路完全對(duì)稱，因此兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)相同。差分放大輸入級(jí)0 - IBQ1 × R1-UBEQ1- 2IEQ1Re= -VEEVEE -UBEQ1=IR + 2(1+ b )RBQ11» bIBQ1eICQ1UEQ=UBQUBEQUCQ1=VCCIC

16、QRCUBQ=IBQR1UCEQ=UCQUEQ=VCCICQRC+IBQR1+UBEQ§5.3.23. 動(dòng)態(tài)分析分析一邊的單管電路即可，注意公共元件的處理。差分放大輸入級(jí)+VCCRRuocc+ DuRcRcR1o+VTRVTDuI2+1R2+DuI1LuId22u12Id+R1 uRRL中點(diǎn)為交流地電位， 2TR12ReIVdVT2每邊負(fù)載RL/2,Re對(duì)差模信號(hào)短路。-VEE§5.3.2差分放大輸入級(jí)差模電壓放大倍數(shù):R / RLRcRcDu = Uod1co+2= -bADuI2ud1R + rRL 2RL 2DuUI1id1be1R / RLRRVTVT2= Uod

17、2c12= -bAud 2R + rUid 2be 2= Uod1 -Uod 2= 2Uod1= A= AA單管放大倍數(shù)udud1ud 2-UU2Uid1id 2id12） 差模輸入電阻：Rid=2(R+rbe)3） 差模輸出電阻：Ro=2Rc單管的2倍單管的2倍§5.3.2差分放大輸入級(jí)VCCRcuI2uI1RWRRVT1VT2ReVEE+uoRcRL§5.3.2差分放大輸入級(jí)三、恒流源式差分放大電路Re越大，抑制零點(diǎn)漂移的效果越好。但Re過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致：若VEE一定，則IEIB,非線性失真大若IE一定，VEE要大大增大。并且在集成電路中制作大電阻較。因此，用恒流源代替Re

18、，既能起到大電阻的作用，又不需很高的負(fù)電源電壓。§5.3.2差分放大輸入級(jí)三、恒流源式差分放大電路用三極管代替“長(zhǎng)尾式”電路的長(zhǎng)尾電阻，即流源式差分放大電路恒1. 電路組成+VCCRcRcVT3：恒流管+uouuI2Rb2I1作用：能使 i、C1RRVT1VT2iC2基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號(hào)的變化。VT3Rb1ReVEE§5.3.2靜態(tài)分析差分放大輸入級(jí)2.當(dāng)忽略 VT3 的基極電流時(shí)，Rb1 上的電壓為Rb 1=+ VU(V)Rb 1CCEE+ RRb 1b 2UR- U+VCCBEQ3ICQ3 » IEQ3= b1ReRRcc+uo1uI1

19、uRICQ1 = ICQ2 » 2 ICQ3I2b2RRICQ1VT1VT2IBQ1 = IBQ2»bVT31UCQ1 = UCQ2= VCC- ICQ1 RCRb1ReVEEUBQ1 = UBQ2= -IBQ1 R§5.3.2動(dòng)態(tài)分析由于恒流三極管相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的長(zhǎng)尾電阻，它差分放大輸入級(jí)3.的作用也是引入一個(gè)共模負(fù)反饋，對(duì)差模電壓放大倍數(shù)沒(méi)有影響，所以與長(zhǎng)尾式交流通路相同。差模電壓放大倍數(shù)為b ( R/ RL) uOC2A = -d u- uR + rI1I 2be差模輸入電阻為= 2( R + rbe )Rid差模輸出電阻為Ro = 2Rc§5

20、.3.2差分放大輸入級(jí)四、差分放大電路的輸入、輸出接法雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、出；四種不同的接法入、雙端輸出；入、出。1. 雙端輸入、雙端輸出+VCCb (R/ RLRcRc)+ uoC2A = -udI2R + rVTVT12be+uIRRR= 2(R + r)idbeIRRo = 2RcVEE§5.3.22. 雙端輸入、差分放大輸入級(jí)出uO 約為雙端輸出的一半，即= - 1 b ( RC / RL )AdR + r2be+VCCRcRc+uuoI2o+uRR= 2(R + rbe )VT1VT2RidIIRR = RocVEE若由 VT2 集電極輸出， uO 為“正”。&#

21、167;5.3.2入、雙端輸出入當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐虿罘址糯筝斎爰?jí)3.+VCCRcRc+uoVT2VT112+uIR強(qiáng)時(shí)RuE =uI= u - u» 1 uI uBE1IEI2VEE= 0 - u» - 1 u uBE2EI2三極管仍然基本工作在差分狀態(tài)，所以b ( R / RL )CR + r2A = -R= 2( R +r= 2R)Ridbedocbe§5.3.2入、差分放大輸入級(jí)4.出+VCC= - 1 b ( RCRcRc/ RL )A+uR + rbed2o+uIR若改從 VT2 集電極RVTVT21輸出，則I= 1 b ( RC / RL )AVR +

22、rEEd2be» 2( R + rbe )RidRo = Rc這種接法比一般的單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。§5.3.2差分放大輸入級(jí)結(jié)論(1)雙端輸出時(shí)，Ad與單管Au 基本相同；出時(shí)，Ad 約為雙端輸出時(shí)的一半。雙端輸出時(shí)，Ro = 2Rc；出時(shí)， Ro = Rc 。雙端輸出時(shí)，理想情況下，KCMR ¥(2)；出時(shí)，共模抑制比不如雙端輸出高。(3)出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。(4)入時(shí)，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個(gè)管子仍基本工作在差分狀態(tài)。入時(shí)， Rid » 2(R + rbe)。(5)§5

23、.3.3中間級(jí)中間級(jí)的主要任務(wù)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。集成的中間級(jí)經(jīng)常利用三極管作為有源負(fù)載，并且常常采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式。一、有源負(fù)載：利用有源負(fù)載代替負(fù)載電阻Rc，可獲得較高的電壓放大倍數(shù)。§5.3.3中間級(jí)一、有源負(fù)載基準(zhǔn)電流+VCCVT3VT2I = VCC - UBE3+uORIR+uIVT1§5.3.3中間級(jí)有源負(fù)載的差分放大電路+VCC放大電路采用差分輸入、出；VTVT34ioic4ic2ic3ic1I工作電流由恒流源決定；+輸出電流Dio = Dic4 - Dic2 = 2Dic4I VEE該電路有相當(dāng)于雙端輸出時(shí)的 Dio，在集成中的應(yīng)用十分廣泛。VT1VT2uI&#