6、模拟集成电路.ppt

1、1,6 集成电路运算放大器,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,6.2 差分式放大电路,6.3 集成电路运算放大器,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,*6.5 专用型集成电路运算放大器,*6.6 放大电路中的噪声与干扰,2,多级放大电路,输入级Ri,中间放大级AV ,输出级Ro ,共集、共射,共射、共基,共集,第5章 场效应管,第6.2节 差分放大电路,2个信号相减,第8章 功率放大电路,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第6.1节 电流源,第6章 集成运算放大器,性能改善,第7章 反馈技术、方法,第2、9、10章 运算放大器应用 各种功能电路,3,6.1 集成电路运算放大器中的 电流源,

2、 镜像电流源, 多路电流源, 电流源用作有源负载, 微电流源, 概述, BJT基本电流源, 比例电流源,学习要求,会计算电流源的输出 电流（求Q）,能辨认电路（电流源结构的变化规律）,4,1. 概述,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,直流电阻小,交流电阻大,恒流源：Rs = ， iO = Is ，与RL无关,三极管工作在放大区，其输出特性 具有恒流特性。,易受温度影响,特点：,分析任务,确定电流源的输出电流， 并提高计算精度,提高输出电阻Ro,5,2. BJT基本电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,分压式射极偏置电路,在满足条件 I1 IB ；VB VBE 时,电流源内阻 Rs

3、= Ro（输出电阻）,与Rc无关，且能稳定Q（温度影响）,式4.4.8（137页）,6,3. 比例电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,提高计算精度,满足条件： I1 IB,VB VBE, 增加1个二极管D,并使D与T（Je）具有相同的温度特性（补偿）,即： VD = VBE,所以，在Je回路有：,VD +I1 Rb2 = VBE +IC Re,比例电流源,集成电路中，DT1,BJT基本电流源,特殊状态,思路：,7,BJT电流源接法与放大电路接法比较,8,4. 镜像电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,思路：,比例系数1,比例电流源,去掉2个电阻，减少占用硅片面积,求 IC2

4、= ?,对管T1与T2特性相同,（温度补偿）,假设T1处于放大区（问题？）,对T1的C点列KCL方程：,镜像,9,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,4. 镜像电流源,思路：提高精度,VCE1 = VBE1 0.6V VCE2,但仍造成：IC2 IC1,虽有：VBE2 = VBE1 ；2 = 1,修正如下：考虑基区宽度调制效应（109页）,10,带缓冲级的镜像电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,4. 镜像电流源,思路：提高精度,若 较小，则分流造成的误差不能忽略！,解决方法：增加1个缓冲级T3 即共集放大器，减小分流。,为了避免T3的电流过小而使 3下降，常常加入电阻Re3 ，使I

5、E3增大。,同样对T1的C点列KCL方程：,11,5. 微电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,思路：产生A级电流,例如：VCC = 10V，IC2 = 1A，则 R=10M。需占用硅片面积大,解决方法：。,例：已知VCC=15V，IR =1mA， IC2 =20A，VBE1=0.7V，则由(2)得R=15k；由(1)得Re2 =5k。,计算方法：,12,6. 多路电流源,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,带缓冲级的比例电流源,13,小结 电流源结构的变化,14,7. 电流源用作有源负载,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,(1) 用于提供静态电流并能稳定静态工作点，这对直接耦合

6、放大器是十分重要的。,(2) 用作有源负载，可获得增益高的特性。,共射电路的电压增益为：,电流源的作用：,例：,共射放大,电流源作有源负载后,比用电阻Rc作负载时提高了,15,放大电路如图所示。各三极管都有 = 49，VBE=0.7V。,例：,(1) 试简要说明各三极管的作用；,(2) 计算电路的电压放大倍数（电容的容抗可忽略不计）。,16,6.2 差分式放大电路, 直接耦合放大电路的零点漂移问题,6.2.0 概述, 差分的基本概念, 电路组成及工作原理, 抑制零点漂移原理,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.2 FET差分式放大电路,6.2.3 差分式放大电路的传输特性, 主要指标分析计

7、算, 几种方式指标比较,17,1. 直接耦合放大电路的零点漂移问题,6.2.0 概述, 直接耦合放大电路, 零点漂移问题,可以放大直流信号,# 集成运算放大器要采用直接耦合？,零漂：,输入短路时，输出 仍有缓慢变化的电压产生。,主要原因：,温度变化引起，也称温漂。,温漂指标：,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,电源电压波动也是原因之一,没有电容、变压器,18,？,思 考 题,答：,两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？,输入端漂移电压为 0.2 mV,输入端漂移电压为 0.002 mV,A1不可以，,A2可以,19,例如,若第一级漂了100 uV

8、，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键！, 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,调制解调方式。如“斩波稳零放大器”,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,20,2. 差分的基本概念,6.2.0 概述,-,+, 差分功能：实现2个信号相减,同相输入端,反相输入端, 应用背景：电桥测量,例如铂电阻测温,实际输出为,21,2. 差分的基本概念,6.2.0 概述, 差模与共模：,-,+,差模信号,共模信号,总输出电压,差模电压增益,共模电压增益,共

9、模抑制比,反映抑制零漂能力,例：, 分析思路：叠加定理,22,测试选择填空,1. 差分放大电路中，当Vs1=300mV，Vsd2=200mV时，分解为共模输入信号Vsc= ，差模输入信号Vsd= 。a. 500mV b. 100mV c. 250mV d. 50mV,3. 在单端输出差分放大电路中，差模电压增益AVd=50，共模电压增益AVc= 0.5，若输入电压Vs1=80mV，Vs2=60mV，输出电压Vo2= 。a. 1.035V b. 0.965V c. 0.965V d. 1.035V,Vo2=AvdVsd +AvcVsc=5020mv 0.570mv =1000mv-35mv,2.

10、 差分放大电路中，当Vs1=200mV，Vsd2=0mV时，分解为共模输入信号Vsc= ，差模输入信号Vsd= 。,23,6.2.1 基本差分式放大电路,电路组成及工作原理 组成特点 静态分析 动态分析（定性） 输入差模信号 输入共模信号 抑制零点漂移原理,主要指标分析计算 动态分析思路 双端输入 差模增益 共模增益 共模抑制比 输入、输出电阻 单端输入 带恒流源的差分电路 几种接法性能对比,24,6.2.1 基本差分式放大电路,基本差分电路（长尾） 带恒流源的差分电路 教材上的差分电路,25,6.2.1 基本差分式放大电路,vo = vo1 vo2 = Av1vi1 Av2vi2,vo =

11、Avd(vi1 vi2), AV1 = AV2 （对管）,原因之二,对称 VC1 = VC2 ,vo = VC1 - VC2 = 0 克服温漂,(3)公共射极电阻Re,组成特点,(1)直接耦合的共射电路(Rb ,Rs),(2)两边对称,单端输出,公共Re对差模信号相当于短路,1. 电路组成及工作原理,26,6.2.1 基本差分式放大电路,注意：,静态分析,1. 电路组成及工作原理,电路对称,T放大的条件：Je正偏、Jc反偏,vi1 = vi2 = 0（静态）,vo = VC1 - VC2 = 0, 实现： 0输入 0输出,27,6.2.1 基本差分式放大电路,动态分析 输入差模信号,1. 电路

12、组成及工作原理,大小相等，方向相反,另外：,28,动态分析 输入共模信号,6.2.1 基本差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,大小相等，方向也相同,另外：,29,2. 抑制零点漂移的原理（动画）,30,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路,动态分析思路,（1）小信号等效电路法,（2）运用叠加原理,（3）利用对称特点， 转化为单边电路求解。,（4）四种接法,a. 双端输入、双端输出 b. 双端输入、单端输出 c. 单端输入、双端输出 d. 单端输入、单端输出,电阻Re 和RL,31,双端输入 差模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 输入纯差模信

13、号, 电路两边对称, 电路变换（拆开、转换为单边电路）,Re短路,RL各分一半, 画小信号 等效电路 （一般不画）,32,双端输入 差模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 双入双出,双入双出, 双入单出,RL各分一半,RL由T1单独负担, 同相输入端与反相输入端,双入单出,Re短路,33,双端输入 共模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 输入纯共模信号, 电路两边对称, 电路变换（拆开、转换为单边电路）,Re对单边相当于2Re,RL开路, 画小信号 等效电路 （一般不画）,34,双端输入 共模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本

14、差分式放大电路, 双入双出,双入双出, 双入单出,RL开路,RL由T1单独负担,双入单出,Re对单边相当于2Re,35,双端输入 共模抑制比,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路,双入双出,双入单出, 双入双出, 双入单出, 公共电阻Re KCMR 抑制零漂能力增强,36,双端输入 输入、输出电阻,3. 主要指标分析计算,单端输出时:,双端输出时:,37,38,单端输入,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路,例如：, 指标计算与双端输入相同！,39,4. 具有电流源的差分放大电路,6.2.1 基本差分式放大电路,（RL 均为10k）,先求Q点：,比例电流源,

15、例题1,已知： =60、VBE=0.6V、rce= 100k。,设调零电位器RP的动端在中间位置。,(1) 双端输出的AVD、KCMR ；,(2) 单端vo2输出的AVD2、KCMR2 ；,(3) Rid 、Ric ；,求：,解：,40,(1) 双端输出的AVD、KCMR ；,解：,例题1,41,例题1,解：,(2) 单端vo2输出的AVD2、KCMR2 ；,42,例题2, =50、VBE=0.6V、rce5=200k。,求：,(1) 差模输入电阻Rid、输出电阻Ro、差模电压增益；,(2) 共模输入电阻Ric和共模抑制比KCMR。,43,5. 几种接法性能对比,44,5. 几种方式指标比较,

16、45,6.2.2 FET差分式放大电路,与共源电路相同,1. 电路组成,2. 差模增益,3. 差模输入电阻,end,46,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,图中纵坐标为,end,47,6.3 集成电路运算放大器,6.3.1 简单的集成电路运算放大器 6.3.2 通用型集成电路运算放大器,48,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,集成电路 运算放大器,直接耦合 多级放大电路,符号：,特点：,电压增益高（差模）,输入电阻大,输出电阻小,49,读图,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,例题,in,out,直接耦合 多级放大电路,差分输入级双入单出,中间放大级复合管共射,输出级 2级共集,镜像

17、电流源输入级偏置,镜像电流源T5的偏置,反相端,同相端,50,（1）放大电路的直流分析,例6.3.1,已知：当vi1 = vi2 = 0时，vo = 0 ；, = 100；VBE = 0.7V 。, 差分输入级, 中间放大级,51,（1）放大电路的直流分析,例6.3.1,已知：当vi1 = vi2 = 0时，vo = 0 ；, = 100；VBE = 0.7V 。, 输出级,直流电平移动 Vo = VB5-VBE5 -VR5 -VBE6 = VB5-2VBE IC9R5,52,（2）放大电路的输入、输出电阻,例6.3.1,rbe1= rbe2=5.45k，rbe3 =262k ，rbe4= r

18、be5=2.8k，rbe6=725, =100,rce=200k,Rid=,Ric=,Ro2=,Ri2 =19.9M,Ro1=,= rbe3 + (1+ )rbe4 +(1+ )R4 ,Ri3 =10.6M,2rbe1 =10.9k,0.5rbe1 +(1+ )2rce7 =20M,R2=14.3k,R3=5.1k,= rbe5 + (1+ )R5 + rce9 / rbe6 +(1+ )R6 ,53,（3）放大电路的总增益,例6.3.1,Ri2 =19.9M R2,Ri3 =10.6M,54,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,读图,差分放大输入级 共集共基组合 双入单出,中间放大级 复合

19、管共射,前置放大 共集缓冲,2个二极管 甲乙类功放,相位,55,读图,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,镜像电流源A 静态偏置,电流源B 有源负载,微电流源 静态偏置,镜像电流源 稳定工作点？,T,带缓冲级的比例电流源 调零、有源负载？,限流保护 T15,T21,io Iomax,vR9 0.5V,T15导通,56,LM741集成运放的简化电路,57,LM741集成运放的简化电路,= -2,58,小结：,高增益的直接耦合 多级差分放大电路,符号：,集成电路运算放大器,电压传输特性：,59,运算放大器外形图,SO8(Plastic Micropackage),60,极限参数 电特性参数（Ta

20、=25C） 输入失调参数 差模特性参数 共模特性参数 大信号动态参数 电源特性参数,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,以A741C为例,61,极限参数,6.4 集成电路运算放大器的主要参数, 电源电压,5V 18V, 最大允许功耗, 最大差模输入电压, 最大共模输入电压, 工作温度范围, 保存温度范围,军品：-55C 125C,-65C 150C,通用：0C 70C,Vidmax 30V,Vicmax 15V,670mW（DIP）,高压型（特殊） HA2645 80V D41 150V,62,输入失调参数,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流I

21、IB,3. 输入失调电流IIO,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂IIO / T,2mV,80nA,20nA,20V/C,高精度(低漂移型）,OP177,0.5nA/ C,A741C,精密仪表放大器,63,差模特性参数,1. 开环差模电压增益AVO,2. 开环带宽BW (fH),3. 单位增益带宽 BWG (fT),3dB带宽,BJT 105106 FET 109以上。,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,无反馈,“高增益型”达140200dB,4.差模输入电阻rid,A741,高速型 宽带型,高输入阻抗型,64,共模特性参数,A741典型值为90d

22、B，性能好的高达180dB。,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,1.共模抑制比 KCMR,2.共模输入电阻ric,电源特性参数,1.电源电压抑制比 PSVR,A741典型值为90dB,2.静态功耗 PD,3.电源电流 IOC,50mW,1.7mA,低功耗型：,空间技术和生物科学研究 电源电压较低，电流微弱 OP22 ：静态功耗PD = 36 W。OP290 ：PD = 24 W（0.8 V）CF7612：PD = 50 W（5 V）,65,大信号动态参数, 转换速率S R（压摆率）,A741典型值为0.5V/ s,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,反映运放对于快速变化的输入大信号的响应

23、能力,66,其它参数,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,OP37,AD9620,CF357,AD9618,高速型、宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A等高速数据采集测试系统。用于小信号放大时，可注重 fH 或 fT ；用于高速大信号放大时，同时还应注重SR 。, 最大输出电流Iomax,13V 14V, 最大输出电压VOPP,25mA,功率型: LM12,67,集成运放低频等效电路,end,68,6 集成电路运算放大器 基本要求,了解各种电流源的工作原理、特点和主要用途 掌握差模信号、共模信号、差模电压增益、共模电压增益和共模抑制比等基本概念 了解差分放大电路的工作原理和特点掌握差分放大电路的静态和动态指标的计算 了解集成运算放大器的基本组成和主要参数 了解失调电压和失调电流对实际运放的影响及零漂的消除方法,