第八章 集成运放1+差动放大器.ppt

上页,下页,后退,模拟电子技术基础,4.1,集成运算放大器的概述,集成电路,把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。,体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。,4,集成运算放大器,1.,集成电路的主要特点,2.,集成电路的分类,（,1,）按功能分,a.,模拟集成电路,b.,数字集成电路,主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。,主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。,数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。,(2),按集成度分,a.,小规模集成电路（,SSI,：,small scale integration circuit),一块芯片上包含的元器件在,100,个以下。,b.,中规模集成电路（,MSI,：,middle scale integration circuit),一块芯片上包含的元器件在,1001000,之间。,c.,大规模集成电路（,LSI,：,large scale integration circuit),一块芯片上包含的元器件在,1000100000,之间。,d.,超大规模集成电路（,VLSI,：,very large scale integration circuit),一块芯片上包含的元器件在,100000,以上。,d.,目前的集成电路：,(a),已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。,(b),集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。,(e),集成电路逐步向集成系统,（,integrated system,）,的方向发展。,(c),集成电路仍在高速发展。集成度每,2,4,年,增加一倍。,(d),出现的系统级芯片,（,SOCsystem on chip,）。,(3),按制造工艺分,a.,半导体集成电路,将元器件和电路集成在一块硅片上。,b.,薄膜集成电路,c.,厚膜集成电路,集成电路的元器件和电路由不到一微米厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。,厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。,3.,模拟集成电路的分类,（,1,）线性集成电路,输出信号与输入信号呈线性关系。,（,2,）非线性集成电路,集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。,集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。,输出信号与输入信号呈非线性关系。,4.,集成运算放大器概述,(1),集成运算放大器简称集成运放。,b.,信号处理。,(2),集成运算放大器的主要功能,a.,完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。,c.,波形产生。,(5),是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。,(3),输出电阻小，几百欧以下。,(4),通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。,5.,集成运放的主要特点,(1),电压放大倍数高，,10,3,10,5,倍。,(2),输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,4.1.2,集成运算放大器的典型结构,输入级,输出级,中间级,偏置电路,输入,输出,1.,典型结构,各级之间采用直接耦合，即集成运放内部既没有耦合电容，也没有旁路电容,。,（,1,）,偏置电路,2.,各,部分的作用,具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。输入级是一个差动放大器。,为各级电路提供直流偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。,（,2,）,输入级,输入级,输出级,中间级,偏置电路,为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。输出级一般采用互补推挽电路。,主要进行电压放大，具有很高的电压增益。中间级是直接耦合的多级放大器。,(3),中间级,(4),输出级,输入级,输出级,中间级,偏置电路,3.,集成运算放大器的电路符号,同相输入端,反相输入端,输出端,+,4.2.1,典型差分放大电路,4.2,集成运算放大器中的基本单元电路,1.,电路的组成,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,(1),电路特点,a.,电路两边对称。,b.,两管共用发射极电阻,R,E,。,c.,具有两个信号输入端。,d.,信号可以双端或单端输出。,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,两个输入端信号电压的差值是有用的，称之为差模输入信号，因而该电路称为差分放大电路。,(2),信号的输入,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,（,3,）抑制零漂的原理,T,1,和,T,2,特性相同；,(a),当温度,T,一定时,静态时，,(,u,I1,=,u,I2,=0),在有噪声影响下，,电路双端输出,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,(b),当温度增加 时,在双端输出的情况下，漂移为零。,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,2,静态分析,直流通路,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,因为电路对称，所以,+,+,+,+,列输入回路方程,由此可得,因,+,+,+,+,+,+,+,+,3.,动态分析,(1),小信号差模特性,差模信号：,记为,当 时的输入信号,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,差模输入时放大电路中的电流,交流通路,由于,故,1,）差模电压放大倍数,a.,双端输出,b.,单端输出,(a),输出,u,O1,或,输出,u,O2,2),差模输入电阻,a.,单端输出时,求,R,o,的等效电路,3),输出电阻,R,o,b.,双端输出时,求,R,o,的等效电路,（,2,）小信号共模特性,共模信号,记为,当,u,Ic1,=,u,Ic2,时的输入信号,1),共模电压放大倍数,a.,双端输出共模电压,共模电压放大倍数,由,知,故,b.,单端输出,交流通路,，,电压放大倍数,实际中,一般电路中,故,差分放大电路对共模信号有抑制作用，,R,E,越大，抑制共模信号的能力越强。,由讨论可知：,单端输出时,双端输出时,2),共模抑制比,共模抑制比的定义,或者,a.,双端输出,b.,单端输出,因,（,3,）任意输入信号的分解,既不是差模信号又不是共模信号的输入信号。,任意信号：,+,+,1,2,差 分,放 大,电 路,u,I2,_,u,I1,_,任意信号可以分解成差模和共模信号,+,+,1,2,差 分,放 大,电 路,u,I2,_,u,I1,_,差分,放大,电路,1,2,+,u,Id,_,+,u,Ic,_,+,_,+,_,2,u,Id,2,u,Id,任意输入的等效电路,+,+,1,2,差 分,放 大,电 路,u,I2,_,u,I1,_,例 电路如图所示。设,T,1,、,T,2,的特性一致，,=50,，,U,BE,=0.7V,，,u,Id,=50mV,，,u,Ic,=1V,，,试求：,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,（,a,）,静态工作点,I,C,、,U,C,之值,；,（,b,）,u,O,及,K,CMR,之值,；,（,c,）,若将,R,L,接在,C,1,对地之间，求,U,C,、,u,O,及,K,CMR,。,（,d,）,R,id,和,R,o,之值。,解,:,为了计算简单，设调零电位器,R,W,的滑动端在电位器的中间。,(a),画出放大电路的,直流等效电路,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,直流等效电路,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,I,B,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,直流等效电路,由图可得,由上两式得,因,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,则有,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,（,b,）,根据题意,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,(c),当,R,L,在,C,1,对地之间时,经整理可得,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,I,RL,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),c,1,c,2,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),c,1,c,2,(,d,),差模输入电阻,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12,V),(+12,V),I,C,U,C,c,1,c,2,输出电阻,R,o,1.,单端输出时,2.,双端输出时,双端输出,单端输出,对于图示电路,4.2.2,带恒流源的差分放大电路,R,E,越大,，,K,CMR,越大，电路抑制共模信号的能力越强,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,a.,当,V,EE,一定，,I,E,减小，,r,be,增,大，,A,ud,减小。,c.,在集成电路中不易制作较大阻值的电阻。,R,E,太,大对电路的影响,:,b.,为了维持,I,E,不变,，,必须提高电源电压,V,EE,。,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,恒流源的主要特点：,b.,直流电阻较小。,a.,具有很大的交流等效电阻。,恒流源,通常采用恒流源来代替,R,E,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,当,i,B,恒定,，,则,i,C,恒定,，晶体管相当于一个电流源。,当晶体管工作在放大区时，,i,C,基本上与,u,CE,无关,，,只取决于,i,B,。,晶体管恒流源,晶体管恒流源构成原理：,+,+,R,CE,1,r,ce,1,u,CE,i,C,=,带恒流源的差分放大电路,恒流源,+,-,+,-,+,-,D,e,+,+,+,-,-,-,选择,R,1,和,R,2,使,I,BQ,3,恒定，则,I,C,3,恒定。,+,-,+,-,+,-,D,e,+,+,+,-,-,-,I,C3,1,电流镜电路,T,1,和,T,2,特性相同,（,1,）电路组成,（,2,）电路特点,（,3,）电路分析,设,由于,U,BE1,=,U,BE2,=,U,BE,4.2.3,电流源电路,+,+,当,2,时,所以,I,B1,=,I,B2,=,I,B,故,+,+,T,1,和,T,2,特性相同,（,1,）电路组成,（,2,）电路特点,（,3,）电路分析,由图可知,2,比例电流源电路,+,+,由于,故有,+,+,3,微电流源电路,T,1,和,T,2,特性相同,（,1,）电路组成,（,2,）电路特点,（,3,）电路分析,由图可知,+,+,由,得,故有,+,+,例,1,已知,I,R,=0.73mA,I,C2,=20,m,A,求,R,E,=?,解 由,得,+,+,例,2,上例中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在,V,CC,=15V,时，欲获,I,C2,=20,m,A,求,R,=?,解 已知,I,C2,=20,m,A,则,R,V,CC,/,I,R,=750k,W,I,R,=20,m,A,+,+,+,-,+,-,4,电流源作有源负载的差动放大电路,（,1,）电路组成,代替,R,E,为,T,1,、,T,2,提供合适稳 定的静态工作点,代替,R,C,称有源负载,镜像电流源,比例电流源,+,-,+,-,因为,T,5,、,T,6,组成,镜象电流源，所以,a.,当,u,i1,=,u,i2,时,（,2,）电路分析,忽略,T,5,、,T,6,的,基极电流。则有,i,C5,i,C1,+,-,+,-,i,O,=,i,C6,+,i,C2,=,i,C5,i,C1,无共模信号输出,输出电流,0,+,-,+,-,b.,当,u,I1,=-,u,I2,时,输出电流,i,O,=,i,C6,+,i,C2,=,i,C1,+,i,C2,=2,i,C1,负载上得到了双端输出的电流,+,-,+,-,用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻,单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能,。,结论：,+,-,+,-,a.,采用电流源作有源负载。,b.,利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数,值。,集成运放获得高电压增益，通常采用的方法：,4.2.4,复合管电路,常见的复合管结构,a,.NPN,管,+,NPN,管,T,1,T,2,等效管,T,两个,NPN,型管可以复合成一个,NPN,型管,(a),等效管,T,1,T,2,由图可知,(b),复合管的电流放大系数,等效管,T,T,1,T,2,而,由于,等效管,T,T,1,T,2,复合管的电流放大系数,故,微变等效电路,T,1,T,2,(c),复合管的输入电阻,r,be,T,1,T,2,因为,故 复合管的输入电阻,T,1,T,2,b.PNP,管,+,PNP,管,T,1,T,2,等效管,(a),等效管,两个,PNP,型管可以复合成一个,PNP,型管,T,1,T,2,T,(b),复合管的,及,r,be,等效管,T,1,T,2,T,T,1,T,2,c,.NPN,管,+,PNP,管,等效管,T,(a),等效管,一个,NPN,和一个,PNP,型管可以复合成一个,NPN,型管,T,1,T,2,(b),复合管的,及,r,be,等效管,T,T,1,T,2,d.PNP,管,+,NPN,管,T,1,T,2,等效管,T,(a),等效管,一个,PNP,和一个,NPN,型管可以复合成一个,PNP,型管,T,1,T,2,(b),复合管的,及,r,be,等效管,T,1,T,2,T,R,L,T,1,u,I,+,V,CC,_,T,2,V,EE,u,O,+,_,4.2.5,互补推挽放大电路,1.,电路组成,2.,电路主要特点,(2),输出电阻小,(3),动态范围大,(4),带载能力强,(1),T,1,、,T,2,参数相同,3.,工作原理,(1),u,I,=0,时,T,1,、,T,2,截止,u,O,=0,(2),u,I,0,时,T,1,导通,、,T,2,截止,u,O,u,I,R,L,T,1,u,I,+,V,CC,_,T,2,V,EE,u,O,+,_,(3),u,I,100mV,时,（,3,）跨导线性回路原理,四个晶体三极管发射结构成的闭合回路，称为跨导线性回路，也称为跨导线性环。,任意偶数,n,个发射结,I,S,j,与发射区面积,A,j,成正比,（,4,）甲乙类推挽电流模电路,T,1,+,V,CC,T,2,_,V,EE,T,3,T,4,跨导线性回路,如各晶体管发射区面积相等,则有,若,i,I,=0,，,则,B,2,C,1,C,I,i,i,=,=,i,C2,=,i,C1,+,i,I,若,i,I,0,，,则,由以上各式得,电路工作在甲类状态。,I,I,B,i,当,时，,(a),T,1,+,V,CC,T,2,_,V,EE,T,3,T,4,I,I,B,i,R,i5,。,所以,输入级,中间级,输出级,对于中间级，由,T,5,管组成的共射放大电路的电压放大倍数,式中，,R,i6,为由于,T,6,管组成的射极输出器的输入电阻。,输入级,中间级,输出级,由于,R,i6,R,C5,，,所以,输入级,中间级,输出级,对于输出级，由,T,6,管组成的射极输出器的电压放大倍数,输入级,中间级,输出级,总的差模电压放大倍数,输入级,中间级,输出级,