西安交大模电PPT集成运算放大电路.ppt

上页,下页,后退,模拟电子技术基础,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西安交大模电PPT集成运算放大电路,(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。,(3)集成运放发展的三个阶段,a.通用型集成运放的广泛使用。,b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。,c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。,(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。,(1)相邻元器件的特性一致性好,(2)用有源器件代替无源器件,(3)二极管大多由三极管构成,(4)只能制作小容量的电容，不能制造电感,(5)电路采用直接耦合的方式。,4.1.1 集成电路中元器件的特点,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,（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。,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。,主要进行电压放大，具有很高的电压增益。,(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,(,u,I1,=,u,I2,=0),a.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。,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,b.单端输出时,因射极电阻,R,E,的负反馈作用,可以抑制零点漂移,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,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,由于,电阻,R,E,上无交流电流T,1,、T,2,发射极虚地。,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,(b)输出,u,O2,c.,R,L,时,(a)双端输出,负载电阻,R,L,的中点虚地。,由于,等效电路,A,u,d,与单级共射极电路电压放大倍数相同。可见，差分放大电路是用“数量换质量”。,(b)单端输出,从T,1,的集电极输出,输出与输入反相,从T,2,的集电极输出,输出与输入同相,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)共模输入电阻,交流通路，,因为,故,4)共模输出电阻,因为输出只与电路的结构有关，而与输入信号的性质（共模、差模）无关。所以输出电阻,双端输出时,单端输出时,（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,_,令,那么,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,_,u,I1,0,，,u,I2,=0,特别的，对于,单端输入,即,或,u,I1,=,0,，,u,I2,0,单端输入是一种特殊的双端输入形式,+,1,2,差 分,放 大,电 路,u,I,_,单端输入电路,),(,2,C,1,C,u,Id,f,i,i,=,、,（4）大信号传输特性,1,-1,线性区,截止、饱和区,截止、饱和区,传输特性：,0,2,4,6,-,2,-,4,-,6,.,0.1,0.9,i,c1、,i,c2,U,T,u,Id,/,0.7,0.5,0.3,例 电路如图所示。设,T,1,、T,2,的特性一致，,=50,，,U,BE,，,u,Id,=50mV，,u,Ic,=1V,，试求：,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12V),(+12V),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,、,R,ic,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,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12V),(+12V),I,C,U,C,c,1,c,2,直流等效电路,(-12V),(+12V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,I,B,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,(-12V),(+12V),I,C,U,C,c,1,c,2,信号可以双端或单端输出。,（d）Rid、Ric和Ro之值。,两个PNP型管可以复合成一个PNP型管,一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管,1开环差模电压增益Aud,带恒流源的差分放大电路,(1)电压放大倍数高，103105倍。,输出信号与输入信号呈非线性关系。,iC5 iC1,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。,4单位增益上升速率SR,(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,(1)uI=0时,如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。,RE越大，KCMR越大，电路抑制共模信号的能力越强,(3)uI0时,5建立时间Tset,(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,当uIc1=uIc2时的输入信号,直流等效电路,由图可得,由上两式得,因,(-12V),(+12V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,则有,(-12V),(+12V),I,C,U,C,c,1,c,2,I,E,I,B,(3)uI0时,uI10，uI2=0,单端输入是一种特殊的双端输入形式,iC5 iC1,具有两个信号输入端。,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。,(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,集成运算放大器的电路符号,=iC1+iC2,差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。,(3)uI2 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,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,0时,T,1,截止、T,2,导通,u,O,u,I,4.输出动态范围,5.电路存在的缺陷交越失真,当输入电压小于发射结死区电压时，输出电压为零。,R,L,T,1,u,I,+,V,CC,_,T,2,V,EE,u,O,+,_,D,1,R,L,T,1,u,I,+,V,CC,_,T,2,D,2,u,O,+,_,R,1,R,2,V,EE,克服交失真的方法：,给T,1,、T,2,的发射结加一定的直流偏置，使其工在微导通状态。,克服交失真的互补电路,思 考 题,1.单端输出的差分放大器输出电路并不对称，为什么也能抑制零点漂移？,2.在放大电路中采用复合管的优缺点都有那些？,3.带恒流源的差分放大电路的主要特点是什么？,4.3.1双极型通用运算放大器简化电路,4.3通用集成运算放大器,反相输入端,同相输入端,输出端,+,-,+,-,输入级,+,-,中间级,输出级,+,输入级,+,-,+,-,中间级,输出级,+,4.3.2CMOS运算放大器,4.4.1交流参数,1,开环差模电压增益,A,u,d,2开环带宽（-3dB带宽）f,H,3单位增益带宽f,BWG,4,单位增益上升速率,S,R,4.4运算放大器的主要参数及简化低频等效电路,5,建立时间,T,set,6,最大差模输入电压,U,IDM,7,最大共模输入电压,U,ICM,8,最大输出电流,I,OM,9,输出电压峰-峰值,U,opp,