集成电路 (1).ppt

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1、6 集成电路运集成电路运算放大器算放大器 第六章 集成运算放大器模拟集成电路的特点：（1）电路结构与元件参数具有对称性；（2）用有源器件代替无源器件；（3）采用复合结构的电路；（4）及间采用直接耦合方式；（5）电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路。在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的器件制作在一块硅片上，构成特功能的电子电路，称为集成电路集成电路。第六章 集成运算放大器6.1.1 6.1.1 镜象电流源镜象电流源 1.电路组成：镜象电流源是由三级管电流源演变而来的。电路中采用两个参数相同的三极管。6.1 6.1 集成运放中的电流源集成运放中的电流源 第六章 集成运算放大器2

2、.电流估算 当R和VCC确定后，基准电流IREF也就确定了，IC2也随之而定。由于Ic2IREF,我们把IREF看作是IC2的镜象，所以 这种电流源称为镜象电流源。由于两管的VBE相同，所以它们的发射极电流和集电极电流均相等。电流源的输出电流，即T2的集电极电流为当b1时第六章 集成运算放大器6.2.2 6.2.2 微电流源微电流源 镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。1.电路组成 为了减小IC2的值，可在镜象电流源电路中的T2发射极串入一电阻Re2，如图所示，便构成微电流源。第六章 集成运算放大器可见,用阻值不大的Re

3、2就可获得微小的工作电流。2.电流估算 由电路可得3.多路电流源 在模拟集成电路中，经常用到多路电流源。目的是用一个电流源对多个负载进行偏置。典型的多路电流源如图所示。第六章 集成运算放大器第六章 集成运算放大器6.2.3 6.2.3 电流源用作有源负载电流源用作有源负载 由于电流源具有交流电阻大的特点（理想电流源的内阻为无穷大），所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。这种由有源器件及其电路构成的放大电路的负载称为有源负载有源负载。第六章 集成运算放大器 6.2 6.2 差分式放大电路差分式放大电路 6.2.1 6.2.1 差模信号和共模信号的概念差模信号和共模信号的概念 1.概念 差

4、分式放大电路就其功能来说，是两个输入信号之差。是集成运放的主要组成单元。线性放线性放大电路大电路ui1ui2uo在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压为第六章 集成运算放大器 当差分放大电路的两个输入端子接入的输入信号分别为vi1和vi2时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号。即差模信号 共模信号 根据以上两式可以得到 可以看出，两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分。第六章 集成运算放大器2.两种信号的特点 差模分量：大小相等，相位相反；共模分量：大小相等，相位相同；3.增益 差模电压增益 4.共模抑制比 共模抑制比是衡量放大电路抑制零点漂移能力的重要指

5、标。共模电压增益第六章 集成运算放大器6.2.26.2.2基本差分式放大电路基本差分式放大电路 1.电路组成及特点 由两个共射级电路组成,如图所示。特点：电路对称，射级电阻共用，或射级直接接电流源（大的电阻和电流源的作用是一样的）有两个输入端，有两个输出端 第六章 集成运算放大器2.工作方式 双端输入，双端输出；端输入，单端输出；单端输入，双端输出；单端输入，单端输出3.工作原理(1)静态分析 这是因为在静态时，Vi=0即V短路 静态时Vc1=Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。即输入为0时，输出也为0。第六章 集成运算放大器（2）动态分析 当电路的两个输入端各加入一个大小相等极性相反的差模

6、信号时，Vi1=Vi2=Vid/2一管电流将增加，另一管电流减小，输出电压为:Vo=Vc1-Vc20即差模信号输入时，两管之间有差模信号输出。2.抑制零点漂移的原理（1）零点漂移 当放大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，这种现象称为零点漂移零点漂移，简称零零漂漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。第六章 集成运算放大器（2）零漂产生的主要原因 a)温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流IC的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。b)电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。无论是温度变化还是电源波动，

7、都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。第六章 集成运算放大器（3）差动放大电路对零漂的抑制 a)双端输出时-靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。温度变化 两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同的变化 在电路完全对称的情况下，双端输出（两集电极间）的电压可以始终保持为零（或静态值）抑制了零点漂移 b)单端输出时由于电路中Re的存在，将对电路产生如下影响：第六章 集成运算放大器 以上过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。由于Re的存在，使Ic得到了稳定，所以在双端输出的情况下，两管的输出会稳定在0（静态）值

8、。抑制了零点漂移。Re越大，抑制零漂的作用越强。即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。但由于Re上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更强。第六章 集成运算放大器3差模电压增益（1）双端输入双端输出 交流通路和差模等效电路第六章 集成运算放大器动态指标计算结果如下：第六章 集成运算放大器注意：(a)差模输入时，vi1=-vi2=vid/2,当一管电流ic1增加时，另一管的电流ic2必然减小。由于电路对称，ic1 的增加量必然等于ic2的减少量。所以流过恒流源（或Re）的电流不变，ve=0.故如图所示的交流通路中Re为0（短路）。(b)差模输入时，vi1=-vi2=v

9、id/2,每一管上的电压仅为总的输入电压vid 的1/2。故虽然电路由两管组成，但总的电压放大倍数仅与单管的相同。即Av=-BRc/rbe 第六章 集成运算放大器 (c)如果在输出端接有负载电阻RL,由于负载两端的电位变化量相等，变化方向相反，故负载的中点处于交流地电位。因此，如图所示的交流通路中每一管的负载为RL/2。此时，总的电压放大倍数与单管的相同。即Av=-BRL/rbe.(d)由于双端输入，故输入电阻为两管输入电阻的串联，即Rid=2rbe (e)由于双端输出，故输出电阻为两管输出电阻的串联，即Ro=2Rc 第六章 集成运算放大器（2）双端输入单端输出 电路和差模等效电路 （a）由于

10、单端输出时负载上输出的只是一个管子的变化量，而输入情况与双端输出时完全一样。故放大倍数是双端输出的一半。(b)单端输出时，输出电阻是一个管子的输出电阻。故输出电阻为双端输出的一半。第六章 集成运算放大器动态指标计算结果：第六章 集成运算放大器(3)单端输入应用：有时要求放大电路的输入端有一端接地，就要使用这种放大器单端输入时的交流通路如图所示。（1）图中的ro很大（Re或者电流源的等效电阻），满足rore(发射结电阻)，故ro可视为开路。（2）Ro开路后，可认为Vi均分在两管的输入回路上。即每管的输入电压为Vi/2.（3）于是，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。各指标也近似相同。第

11、六章 集成运算放大器4共模电压增益 （1）双端输出共模电压增益：双端输出时的共模电压增益是指电路的双端输出电压与共模输入电压之比。在电路完全对称的情况下，vo1=vo2,vo=vo1-vo2=0共模增益为 输入电阻,共模情况下，两输入端是并联的，因此 第六章 集成运算放大器（2）单端输出 单端输出时的共模等效电路如图所示。它等效于一个射级电阻为2ro的共射放大电路。共模增益为：一般情况下，2rorbe,1,则有：第六章 集成运算放大器（3）共模抑制比 共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即 或（dB）电路的共摸抑制比KCMR显示电路对零漂的抑制能力的大小。因此希望KCMR越大越好。双端输出

12、时，电路完全对称的理想情况下，由于共模增益Aoc=0，所以KCMR=。单端输出时，第六章 集成运算放大器6.2.3 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 传输特性就是放大电路输出信号（电流或电压）随输入信号变化的函数关系。它可以用BJT的be结值电压vBE与发射极电流IE的基本关系求出。由PN结的伏安特性可知又因为 由以上各式可解得 第六章 集成运算放大器由上式做出iC1、iC2与vid的传输特性曲线如图所示。第六章 集成运算放大器从传输特性曲线可以看出：1当vid=vi1-vi2=0时，ic1+ic2=Io,ic1=ic2=Io/2,电路工作在曲线的Q点，处于静态。2

13、.当vid 在0-VT的范围内，vid增加时，ic1增加，ic2减小。且ic1、ic2与vid呈线性关系。电路工作在放大区。如图中用竖虚线所示的区域。3 当vid4VT 即超过100mV时，曲趋于平坦。当vid增大时，T1管趋于饱和，T2管趋于截止。ic1-ic2几乎不变。这时电路工作在特性曲线的非线性区。差动放大电路呈现良好的限幅特性。4在两管的发射极上分别串接电阻R1=R2=Re，可以扩大传输特性的线性范围。如图中虚线所示。第六章 集成运算放大器 6.3 6.3 简单的集成电路简单的集成电路运算放大器运算放大器 6.3.1 6.3.1 集成电路运算放大器的组成集成电路运算放大器的组成 集成

14、电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。第六章 集成运算放大器（1）输入级一般是差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。第六章 集成运算放大器 （2）电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成 （3）输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环

15、节等。第六章 集成运算放大器6.3.2 6.3.2 简单的运算放大器简单的运算放大器 简单运算放大器的原理电路如图所示。第六章 集成运算放大器 （3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压vid=vi1-vi2为零时，输出电压vO=0的目的。（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压。（5）运算放大器有两个输入端,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用“-”号表示，同相输入端用“+”表示。（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电

16、压增益。第六章 集成运算放大器6.4 6.4 集成电路运算集成电路运算放大器的主要参数放大器的主要参数6.4.16.4.1输入失调电压输入失调电压V VIOIO 理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称。在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压失调电压VIO。即第六章 集成运算放大器6.2.2 6.2.2 输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB BJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成

17、运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值。当 时，偏置电流为 VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。VIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为（110）mV。第六章 集成运算放大器6.3.3 6.3.3 输入失调电流输入失调电流I IIOIO 由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1 nA0.1A。在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即第六章 集成运算放大器6.3.4 6.3.4

18、 温度漂移温度漂移 放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用两种方式表示：2.输入失调电流温漂IIO/T：这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。1.输入失调电压温漂VIO/T：这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。VIO/T不能用外接调零装置的办法来补偿。第六章 集成运算放大器6.3.5 6.3.5 最大差模输入电压最大差模输入电压V Vidmaxidmax ：集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。6.3.6 6.3.6 最大共模输入电压最大共模输入电压V Vicma

19、xicmax：这是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值。6.3.7 6.3.7 最大输出电流最大输出电流I Iomaxomax：是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。6.3.8 6.3.8 开环差模电压增益开环差模电压增益A AV VO O：是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。第六章 集成运算放大器9 9开环带宽开环带宽BWBW（f fH H）开环带宽BW又称为3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。741型集成运放的频率响应AVO（f）如图XX_02所示。由于电路中补偿电容C的作用，它的f

20、H约为7Hz。1010单位增益带宽单位增益带宽BWBWG G（f fT T）对应于开环电压增益AVO频率响应曲线上其增益下降到AVO=1时的频率，即AVO为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的AVO=2105时，它的。第六章 集成运算放大器 6.5 6.5 专用型集成电路运算专用型集成电路运算放大器简介放大器简介 6.5.1 6.5.1 高输入阻抗型高输入阻抗型 该类型集成运放的差模输入电阻rid(1091012)W，输入偏置电流IIB为几皮安几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FE

21、T相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。第六章 集成运算放大器6.5.2 6.5.2 高精度、低漂移型高精度、低漂移型 这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。6.5.3 6.5.3 高速型高速型 对这种类型的运放，要求转换速率SR30V/ms，单位增益带宽BWG10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。第六章 集成运算放大器6.5.4 6.5.4 低功耗型低功耗型 要求在电源电压15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.54）V时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能。在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻，以保证降低静态偏置电流和总功耗，使电路处于最佳工作状态，以获得良好的电气性能。第六章 集成运算放大器6.5.5 6.5.5 高压型高压型 为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决BJT的耐压、动态工作范围等问题。为此在电路结构上利用BJT的cb结和横向BJT（PNP型）的耐高压性能，或用单管的串接方式来提高耐压，或用FET作为输入级，耐压指标可提高到300V左右。此外，为使运放工作在高电压和大电流（或大功率）的情况下，电路中加入一些特殊保护电路。第六章 集成运算放大器