西安交通大學(xué)-趙進(jìn)全-模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-第4章

4.1 集成運(yùn)放概述集成電路——把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成具有某種特定功能的電子電路。體積小，重量輕，成本低，可靠性高，組裝和調(diào)試的難度小。4集成運(yùn)算放大器1.集成電路的主要特點(diǎn)2.集成電路的分類(lèi)(1)按功能分a.模擬集成電路b.數(shù)字集成電路主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和電流信號(hào)。主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號(hào)。數(shù)字集成電路種類(lèi)多，形式較為簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。(2)按集成度分

a.小規(guī)模集成電路（SSI—smallscaleintegrationcircuit)。

b.中規(guī)模集成電路（MSI—middlescaleintegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100個(gè)以下。集成度：一塊芯片上包含的元器件在100~1,000之間。

c.大規(guī)模集成電路（LSI—largescaleintegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在1,000~100,000之間。d.超大規(guī)模集成電路（VLSI—verylargescaleIntegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100,000以上。e.目前的集成電路(a)已經(jīng)可以在一片硅片上集成幾千萬(wàn)只，甚至上億只晶體管。(b)集成電路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大約每3年增加一倍。(d)出現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC—systemonchip）。(e)集成電路逐步向集成系統(tǒng)（integratedsystem）的方向發(fā)展。(3)按制造工藝分a.半導(dǎo)體集成電路b.薄膜集成電路集成電路的元器件和電路由不到1mm厚的金屬半導(dǎo)體或金屬氧化物重疊而成。c.厚膜集成電路厚膜集成電路與薄膜集成電路基本相同，膜的厚度約幾微米到幾十微米。3.模擬集成電路的分類(lèi)(1)線(xiàn)性集成電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線(xiàn)性關(guān)系。(2)非線(xiàn)性集成電路線(xiàn)性集成電路有：集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源等。線(xiàn)性集成電路有：集成運(yùn)算放大器、集成音頻功率放大器、集成高頻、中頻放大器等。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈非線(xiàn)性關(guān)系。4.集成運(yùn)算放大器概述(1)集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放b.信號(hào)處理。(2)集成運(yùn)算放大器的主要應(yīng)用a.完成比例、求和、積分、微分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法等數(shù)字運(yùn)算。c.波形產(chǎn)生。d.信號(hào)測(cè)量。(3)集成運(yùn)放發(fā)展的三個(gè)階段a.通用型集成運(yùn)放的廣泛使用。b.專(zhuān)用集成運(yùn)放的出現(xiàn)。如高速型、高輸入電阻型、高壓型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。c.開(kāi)發(fā)更高性能指標(biāo)的產(chǎn)品，進(jìn)一步提高集成度。(5)

是線(xiàn)性集成電路中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣、最為龐大的一族成員。

(3)輸出電阻小，幾百歐以下。(4)

通用型和靈活性強(qiáng)、成本低、用途廣、互換性好。5.集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)(1)電壓放大倍數(shù)高，103~105倍。(2)輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。(1)相鄰元器件的特性一致性好。(2)用有源器件代替無(wú)源器件。(3)二極管大多由三極管構(gòu)成。(4)只能制作小容量的電容，難以制造電感和較大容量的電容(C>2000pF)。(5)電路采用直接耦合的方式。4.1.1 集成電路中元器件的特點(diǎn)4.1.2 集成運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu)1.典型結(jié)構(gòu)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路輸入輸出(1)偏置電路2.各部分的作用具有與輸出同相和反相的兩個(gè)輸入端，較高的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。為各級(jí)電路提供穩(wěn)定合適的偏置電流，并使整個(gè)運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定且功耗較小。(2)輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路為負(fù)載提供足夠的電壓和電流，具有很小的輸出電阻和較大的動(dòng)態(tài)范圍。主要進(jìn)行電壓放大，具有很高的電壓增益。(3)中間級(jí)(4)輸出級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路3.集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)同相輸入端反相輸入端輸出端–+4.2.1 典型差分放大電路4.2 集成運(yùn)放中的基本單元電路1.電路組成+-+-+-+--+(1)電路特點(diǎn)a.電路兩邊對(duì)稱(chēng)。b.兩管共用發(fā)射極電阻RE。c.具有兩個(gè)信號(hào)輸入端。d.信號(hào)既可以雙端，也可以單端輸出。+-+-+-+--+兩個(gè)輸入端信號(hào)電壓的差值是有用的，稱(chēng)之為差模輸入信號(hào)，因而該電路稱(chēng)為差分放大電路。(2)信號(hào)的輸入+-+-+-+--+(3)抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)當(dāng)溫度T一定時(shí)(uI1=uI2=0)a.電路雙端輸出+-+-+-+--+(b)當(dāng)溫度增加時(shí)在雙端輸出的情況下，漂移為零。+-+-+-+--+b.單端輸出時(shí)因射極電阻RE的負(fù)反饋?zhàn)饔每梢砸种屏泓c(diǎn)漂移+-+-+-+--+2．靜態(tài)分析直流通路+-+-+-+--+因?yàn)殡娐穼?duì)稱(chēng)，所以–+–+–+–+列輸入回路方程由此可得因–+–+–+–+–+–+–+–+3.動(dòng)態(tài)分析(1)小信號(hào)差模特性差模信號(hào)記為當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)+-+-+-+--+差模輸入時(shí)放大電路中的電流⊕由于電阻RE上無(wú)交流電流，T1、T2發(fā)射極虛地。⊕交流通路⊕由于故1)差模電壓放大倍數(shù)a.雙端輸出b.單端輸出(a)輸出uO1(b)輸出uO2c.RL時(shí)(a)雙端輸出負(fù)載電阻RL的中點(diǎn)虛地由于等效電路Aud與單級(jí)共射極電路電壓放大倍數(shù)相同?？梢?jiàn)，差分放大電路是用“數(shù)量換質(zhì)量”。(b)單端輸出從T1的集電極輸出輸出與輸入反相從T2的集電極輸出輸出與輸入同相2)差模輸入電阻a.單端輸出時(shí)求Ro的等效電路3)輸出電阻Rob.雙端輸出時(shí)求Ro的等效電路(2)小信號(hào)共模特性共模信號(hào)記為當(dāng)uIc1=uIc2時(shí)的輸入信號(hào)1)共模電壓放大倍數(shù)a.雙端輸出共模電壓共模電壓放大倍數(shù)由知故b.單端輸出交流通路，電壓放大倍數(shù)一般情況一般情況中故差分放大電路對(duì)共模信號(hào)有抑制作用，RE越大，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。綜上所述單端輸出時(shí)雙端輸出時(shí)2)共模抑制比共模抑制比的定義或者a.雙端輸出b.單端輸出因3)共模輸入電阻交流通路，因?yàn)楣?)輸出電阻雙端輸出時(shí)單端輸出時(shí)(3)任意輸入信號(hào)的分解既不是差模信號(hào)又不是共模信號(hào)的輸入信號(hào)任意信號(hào)++12差分放大電路uI2_uI1_令那么任意信號(hào)可以分解成差模和共模信號(hào)兩種性質(zhì)的輸入信號(hào)++12差分放大電路uI2_uI1_差分放大電路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意輸入信號(hào)分解示意圖++12差分放大電路uI2_uI1_uI1≠0，uI2=0特別的，對(duì)于單端輸入即或uI1=0，uI2≠

0單端輸入是一種特殊的雙端輸入形式+12差分放大電路uI_單端輸入電路)(2C1CuIdfii=、(4)大信號(hào)傳輸特性1-1線(xiàn)性區(qū)截止、飽和區(qū)截止、飽和區(qū)傳輸特性0246-2-4-6.0.10.9iC1、iC2UTuId/0.70.50.3+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(a)靜態(tài)工作點(diǎn)IC、UC之值；(b)uO及KCMR之值；(c)若將RL接在C1對(duì)地之間，求UC、uO

及KCMR；(d)

Rid、Ric和Ro之值。

[例]電路如圖所示。設(shè)T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。試求：[解]為了計(jì)算簡(jiǎn)單，設(shè)調(diào)零電位器RW的滑動(dòng)端在電位器的中間。(a)畫(huà)出放大電路的直流通路+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2直流通路(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2由圖可得由上兩式得因(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB則有(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB(b)根據(jù)題意+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(c)當(dāng)RL在C1對(duì)地之間時(shí)經(jīng)整理可得(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2(d)差模輸入電阻共模輸入電阻+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2輸出電阻Ro雙端輸出時(shí)

單端輸出時(shí)

+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2雙端輸出單端輸出對(duì)于圖示電路4.2.2 帶恒流源的差分放大電路RE越大，KCMR越大，電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。+-+-+-+--+a.當(dāng)VEE一定，IE減小，rbe增大，Aud減小。c.在集成電路中不易制作較大阻值的電阻。RE太大對(duì)電路的影響b.為了維持IE不變，必須提高電源電壓VEE。+-+-+-+--+恒流源的主要特點(diǎn)b.直流電阻較小a.具有很大的交流等效電阻恒流源通常采用恒流源來(lái)代替RE+-+-+-+--+當(dāng)iB恒定，則iC恒定，晶體管相當(dāng)于一個(gè)電流源。

當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，iC基本上與uCE無(wú)關(guān)，只取決于iB。晶體管恒流源晶體管恒流源工作原理RCE1rce1uCEiC=–++–帶恒流源的差分放大電路恒流源+-+-+-De+++---選擇R1和R2使IBQ3恒定，則IC3恒定。+-+-+-De+++---IC31．電流鏡電路T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(diǎn)(3)電路分析設(shè)由于UBE1=UBE2=UBE4.2.3 電流源電路–+–+當(dāng)β>>2時(shí)所以IB1=IB2=IB故–+–+T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(diǎn)(3)電路分析由圖可知2．比例電流源電路–+–+由于故有–+–+3．微電流源電路T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(diǎn)(3)電路分析由圖可知–+–+由得故有–+–+[例1]已知IR=0.73mA，IC2=20mA，求RE=?[解]由得–+–+[例2]在例1中，如果不用微電流源，而采用電流鏡，那么在VCC=15V時(shí)，欲獲IC2=20mA,求R=?[解]已知IC2=20mA,則RVCC/IR=750kWIR=20mA–+–++-+-4．電流源作有源負(fù)載的差分放大電路(1)電路組成代替RE，為T(mén)1、T2提供合適、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)代替RC，稱(chēng)有源負(fù)載電流鏡比例電流源+-+-因?yàn)門(mén)5、T6組成電流鏡，所以a.當(dāng)ui1=ui2時(shí)(2)電路分析忽略T5、T6的基極電流。則有

iC5

iC1

+-+-

iO=iC6

+

iC2=

iC5

–

iC1無(wú)共模信號(hào)輸出輸出電流

0+-+-b.當(dāng)uI1=–

uI2時(shí)輸出電流

iO=

iC6

+

iC2=

iC1

+

iC2=2

iC1負(fù)載上得到了雙端輸出的電流+-+-用電流鏡取代差分放大電路的集電極電阻,以單端輸出的電路形式，實(shí)現(xiàn)了雙端輸出的功能。結(jié)論+-+-利用多個(gè)晶體管組成復(fù)合管，可以得到較大的電流放大系數(shù)值。4.2.4 復(fù)合管電路四種常見(jiàn)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)a.NPN管+NPN管b.PNP管+PNP管c.NPN管+PNP管dPNP管+NPN管常見(jiàn)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)a.NPN管+NPN管T1T2等效管T兩個(gè)NPN型管可以復(fù)合成一個(gè)NPN型管(a)等效管T1T2由圖可知(b)復(fù)合管的電流放大系數(shù)等效管TT1T2而由于等效管TT1T2故等效管TT1T2復(fù)合管的電流放大系數(shù)等效管TT1T2微變等效電路T1T2(c)復(fù)合管的輸入電阻rbeT1T2因?yàn)楣蕪?fù)合管的輸入電阻T1T2b.PNP管+PNP管T1T2等效管(a)等效管兩個(gè)PNP型管可以復(fù)合成一個(gè)PNP型管T1T2T(b)復(fù)合管的及rbe等效管T1T2TT1T2c.NPN管+PNP管等效管T(a)等效管一個(gè)NPN和一個(gè)PNP型管可以復(fù)合成一個(gè)NPN型管T1T2(b)復(fù)合管的及rbe等效管TT1T2d.PNP管+NPN管T1T2等效管T(a)等效管一個(gè)PNP和一個(gè)NPN型管可以復(fù)合成一個(gè)PNP型管T1T2(b)復(fù)合管的及rbe等效管T1T2TRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_4.2.5 互補(bǔ)推挽放大電路1.電路組成2.電路主要特點(diǎn)(2)輸出電阻小(3)動(dòng)態(tài)范圍大(4)帶載能力強(qiáng)(1)T1、T2參數(shù)相同3.工作原理(1)uI=0時(shí)T1、T2截止uO=0(2)uI>0時(shí)T1導(dǎo)通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0時(shí)T1截止、T2導(dǎo)通uO

uI4.輸出動(dòng)態(tài)范圍5.電路存在的缺陷——交越失真當(dāng)輸入電壓小于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時(shí)，輸出電壓為零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交越失真的方法給T1、T2的發(fā)射結(jié)加一定的直流偏置，使其工作在微導(dǎo)通狀態(tài)?？朔皇д娴幕パa(bǔ)電路思考題1.差分放大電路中，單端輸出與雙端輸出在性能上有何區(qū)別？單端輸入與雙端輸入在性能上有何區(qū)別？3.差分放大電路中為什么要用恒流源代替公共發(fā)射極電阻RE?2.差分放大電路中，公共發(fā)射極電阻對(duì)共模信號(hào)有什么影響？為什么？對(duì)差模信號(hào)有什么影響？為什么？4.3.1 雙極型通用運(yùn)放簡(jiǎn)化電路4.3 通用集成運(yùn)放反相輸入端同相輸入端輸出端+-+-輸入級(jí)+-中間級(jí)輸出級(jí)+輸入級(jí)+-+-中間級(jí)輸出級(jí)+4.3.2 CMOS運(yùn)放4.4.1 交流參數(shù)1．開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aud

2．開(kāi)環(huán)帶寬（–3dB帶寬）fH3．單位增益帶寬fBWG4．單位增益上升速率SR

4.4 運(yùn)放的主要參數(shù)及簡(jiǎn)化低頻等效電路5．建立時(shí)間Tset

6．最大差模輸入電壓UIDM

7．最大共模輸入電壓UICM

8．最大輸出電流IOM

9．輸出電壓峰——峰值Uopp0.1UomUomTset1．輸入失調(diào)電壓UIO2．輸入偏置電流IIB

3．輸入失調(diào)電流IIO

4．失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫漂

UIOT、IIOT

4.4.2

直流參數(shù)+-+-(+)(-)4.4.3 簡(jiǎn)化低頻等效電路4.5.1幾種特殊用途的運(yùn)放簡(jiǎn)介4.5 其它集成運(yùn)放1．高精度運(yùn)算放大器2．高輸入阻抗運(yùn)算放大器3．高速運(yùn)算放大器4．低功耗運(yùn)算放大器5．高壓運(yùn)算放大器跨導(dǎo)型運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化電路4.5.2 跨導(dǎo)運(yùn)放+-+-跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路符號(hào)gmuIdiOu_u++–+電流模電路具有與閉環(huán)增益無(wú)關(guān)的近似恒定帶寬1．電流模電路基礎(chǔ)(1)電流模電路的一般概念4.5.3電流模運(yùn)放電流模（電流型）電路:以電流為參量傳遞信號(hào)電壓模（電壓型）電路:以電壓為參量傳遞信號(hào)(2)跨導(dǎo)線(xiàn)性的基本概念工作在放大區(qū)的雙極型晶體管，當(dāng)UBE>100mV時(shí)跨導(dǎo)(3)跨導(dǎo)線(xiàn)性回路原理四個(gè)晶體三極管發(fā)射結(jié)構(gòu)成的閉合回路，稱(chēng)為跨導(dǎo)線(xiàn)性回路，也稱(chēng)為跨導(dǎo)線(xiàn)性環(huán)。任意偶數(shù)n個(gè)發(fā)射結(jié)ISj與發(fā)射區(qū)面積Aj成正比(4)甲乙類(lèi)推挽電流模電路T1+VCCT2_VEET3T4跨導(dǎo)線(xiàn)性回路如各晶體管發(fā)射區(qū)面積相等則有若iI=0，則B2C1CIii==iC2=iC1+iI若iI0，則由以上各式得電路工作在甲類(lèi)狀態(tài)。IIBi<<當(dāng)時(shí)，(a)T1+VCCT2_VEET3T4IIBi>>(b)當(dāng)時(shí)或電路工作在乙類(lèi)狀態(tài)。T1+VCCT2_VEET3T4+YT1T2同相輸入端T3T4–反相輸入端XZT9T10T5T6T11T12uO+VCC_VEE2．電流模運(yùn)算放大器(1)電流模運(yùn)算放大器工作原理(2)電流模運(yùn)算放大器的基本特性+1RiIi?RZCZ+1Ii?uo+–XYZ思考題通用型集成運(yùn)