模電課件第四章(1)教學資料

1、4.1.1集成運放的電路結構特點集成運放的電路結構特點一一. 對稱性好，適用于構成差分放大電路。對稱性好，適用于構成差分放大電路。二二. 集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。三三. 在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替代替電阻電阻( (特別是大電阻特別是大電阻) )。四四. 在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。電路通常采用直接耦

2、合電路方式。五五. 集成電路中的集成電路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差別較大，值差別較大，通常通常 PNP 的的 10 。常采用復合管的形式。常采用復合管的形式。一、輸入級一、輸入級差分電路，大大減少溫漂。差分電路，大大減少溫漂。二、中間級二、中間級采用采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。三、輸出級三、輸出級 互補對稱互補對稱 電路，帶負載能力強電路，帶負載能力強四、偏置電路四、偏置電路 電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。輸入級輸入級偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級+ uo uid4.1.2集成運放電

3、路的組成及其各部分的作用集成運放電路的組成及其各部分的作用實質上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。實質上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。集成運算的基本組成集成運算的基本組成4.1.3集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性集成運放的符號和電壓傳輸特性集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端u uP P和反向輸入端和反向輸入端u uN N。電壓傳輸特性電壓傳輸特性輸出電壓與其兩個輸入端的電壓輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系，即之間存在線性放

4、大關系，即)(odONPuuAuuOuP-uN集成運放的工作區(qū)域集成運放的工作區(qū)域線性區(qū)域：線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。為輸出電壓的飽和電壓。+UOM-UOM4.2集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源電路集成運放電路中的晶體管和場效應管除了作為集成運放電路中的晶體管和場效應管除了作為放大管外，還構成放大管外，還構成電流源電路電流源電路，為各級提供合為各級提供合適的靜態(tài)電流適的靜態(tài)電流;或作為或作為有源負載有源負載取代高阻值電阻取代高阻值電阻

5、，從而增大放，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。大電路的電壓放大倍數(shù)。4.2.1基本電流源電路基本電流源電路一、鏡像電流源一、鏡像電流源 ( (電流鏡電流鏡 Current Mirror) )+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2RUVI1BECCREF 基準電流基準電流由于由于 UBE1 = UBE2，T1與與 T2 參數(shù)基本相同，則參數(shù)基本相同，則IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC C2REFBREF1C2C22IIIIII 所以所以 211REF2C II當滿足當滿足 2 時，則時，則RUVII1BECCREF2C 圖圖 4.2.

6、1+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源二、比例電流源R1R2由圖可得由圖可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，則，則22E11ERIRI 忽略基極電流，可得忽略基極電流，可得REF211C212CIRRIRRI 兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。阻值成反比，故稱為比例電流源。比例電流源比例電流源三、微電流源三、微電流源 在鏡像電流源的基礎上在鏡像電流源的基礎上接入電阻接入電阻 Re。+VCCRIREFT1T2

7、IC22IBIC1ReRe 引入引入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 IC1 ，即在，即在 Re 值不值不大的情況下，得到一個比較大的情況下，得到一個比較小的輸出電流小的輸出電流 IC2 。微電流源微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關系基本關系e2Ce2E2BE1BERIRIUU 因二極管方程因二極管方程TTUUUUIIIBEBEeeSSC )1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln 2S1SII e2C2C1CTlnRIIIU 若若 IC1和和 IC2 已知，可求出已知，可求出 Re。微電流源微電流源4.2.2 改進型電流源電

8、路改進型電流源電路問題：基本電流源電路在問題：基本電流源電路在 很小時，很小時， IR和和 IC2相差很大。相差很大。為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本準電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本電流源電路進行改進。電流源電路進行改進。一、加射極輸出器一、加射極輸出器 的電流源的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB 由于增加了由于增加了T3，使，使IC2更更加接近加接近IREF（如何證明）（如何證明）缺點：缺點： 1. 受電源波動影響大；受電源波動影響大； 2.電流最低至電流最低至mA級。級。

9、I IC2C2=I=IC1C1=I=IREFREF-I-IB3B3=I=IREFREF-I-IE3E3/(+1)/(+1)REFREFCCREFBIIIIIII) 1(11) 1(212222REF如10 IC2=0.982 IREF 增加電阻Re2目的是使IE3增大。加射極輸出器的電流源加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2二、威爾遜電流源二、威爾遜電流源T1管的管的c-e串聯(lián)在串聯(lián)在T2管的發(fā)管的發(fā)射極，其作用與典型的工作射極，其作用與典型的工作點穩(wěn)定電路中的點穩(wěn)定電路中的Re相同。相同。威爾遜電流源威爾遜電流源RR22CII2221I）（公式推導（略）公

10、式推導（略）當10 IC2=0.984 IR可見，在可見，在很小時，也可認為很小時，也可認為IC2= IR 。 IC2受基極電流影響很小。受基極電流影響很小。RIRIC2+VCCIC0IC4.2.3多路電流源多路電流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3電路圖電路圖公式推導公式推導IC= IE IREF- IB/(+1)當當較大時較大時IC=IREF由于各管的由于各管的， UBE相同，相同，IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以所以ICTIBRIREFV

11、CCT0ReIE基于圖基于圖4.24的多路電流源的多路電流源多集電極管構成的多集電極管構成的多路電流源多路電流源多集電極管構成的多路電流源多集電極管構成的多路電流源當基極電流一定時，集電極當基極電流一定時，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。面積之比。MOS管多路電流源管多路電流源MOS管多路電流源管多路電流源設溝道寬長比設溝道寬長比W/LS漏極電流之比正比于溝道漏極電流之比正比于溝道的寬長比。的寬長比。例例4.2.1圖4.2.9所示電路是F007的電流源部分。其中T10與與T11為縱向縱向NPN管； T12與與T13是橫向橫向PNP管，它們的為5，b-e間電壓值約

12、為0.7V，試求各管的電電流。圖圖4.2.9F007中的電流源電路中的電流源電路解解511BE12BECCCCREFRUUVVI0.73mA410C10TlnRIIIUCRIC1028uA2R12C13CIII0.52mA4.2.4 以電流源為有源負載的放大電路以電流源為有源負載的放大電路在集成運放中，常用電流源電路取代在集成運放中，常用電流源電路取代RC或或Rd ，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的等效等效RC或或Rd的。的。晶體管和場效應管是有源元件，又可作為負晶體

13、管和場效應管是有源元件，又可作為負載，故稱為有源負載。載，故稱為有源負載。一、有源負載共射放大電路一、有源負載共射放大電路1.電路圖電路圖2.靜態(tài)分析（求參考電流，略）靜態(tài)分析（求參考電流，略）3.動態(tài)分析動態(tài)分析UAbe1bLce2ce11)/(rRRrrTR Rb1b1R Rb2b2rce2bebL1rRRUA二、有源負載差分放大電路二、有源負載差分放大電路利用鏡像電流源利用鏡像電流源 可以使可以使單單端輸出端輸出差分放大電路的差差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高到接近模放大倍數(shù)提高到接近雙雙端輸出端輸出的情況。的情況。2.靜態(tài)分析靜態(tài)分析1.電路圖電路圖3.動態(tài)分析動態(tài)分析放大電路采用放大電

14、路采用差分輸入、差分輸入、單端輸出單端輸出；工作電流由恒；工作電流由恒流源流源 I 決定；輸出電流決定；輸出電流 io = ic4 ic2 = 2 ic4 RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+有源負載差分放大電路有源負載差分放大電路4.3集成運放電路簡介集成運放電路簡介典型的集成運放典型的集成運放雙極型集成運放雙極型集成運放 F007CMOS 集成運放集成運放 C14573一、引腳一、引腳4.3.1雙極型集成運放雙極型集成運放 F007F007 的引腳及連接示意圖的引腳及連接示意圖( (a) )( (b) )連連接接示示意意圖圖12348765二、電路原理圖二、電路原理圖F

15、007 電路原理圖電路原理圖1. 偏置電路偏置電路+VCCT8 VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級至輸入級至中間級至中間級511BE12BEEECCREFRUUVVI 基準電流：基準電流：基準電流產生各放基準電流產生各放大級所需的偏置電流。大級所需的偏置電流。各路偏置電流的關系：各路偏置電流的關系：IREFI11IC10I3, 4IC9IC8IC12IC13微電流源微電流源鏡像電流源鏡像電流源輸入級輸入級鏡像電流源鏡像電流源中間級中間級輸出級輸出級F007 的偏置電路的偏置電路2. 輸入級輸入級T1、T2、T3、T4 組成共集組成共集

16、- 共基差分放大電路；共基差分放大電路；T1、T2 基極接收差分輸入信號?；鶚O接收差分輸入信號。T5、T6 有源負載；有源負載； T4 集電極送出單集電極送出單端輸出信號至中間級。端輸出信號至中間級。 uORW 調零電阻，調零電阻，R 外接電阻。外接電阻。 T7 與與R2 組成射極組成射極輸出器。輸出器。 +VCC VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖圖 4. 3. 1-2uI2uI1若暫不考慮若暫不考慮 T7 和調零電路則電路可簡化為：和調零電路則電路可簡化為：+VCC VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1). T1、

17、T2 共集組態(tài)，具有共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。電壓。(2). 共基組態(tài)的共基組態(tài)的 T3、T4，與，與有源負載有源負載 T5、T6 組合，可以得到組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。很高的電壓放大倍數(shù)。(3). T3、T4 共基接法能改善頻率響應。共基接法能改善頻率響應。(4). 該電路具有共模負反饋，能減小溫漂，提高共模該電路具有共模負反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。抑制比。 簡化示意圖簡化示意圖 3. 中間級中間級中間級示意圖中間級示意圖+VCC VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來自輸入來自 T4 和和 T6集電集電極；

18、極；輸出接在輸出級的兩個輸出接在輸出級的兩個互補對稱放大管的基極?；パa對稱放大管的基極。中間級中間級 T16、 T17 組成組成復合管，復合管， T13 作為其有源作為其有源負載。負載。8、9兩端外接兩端外接30pF 校正電容防止產生自激振蕩。校正電容防止產生自激振蕩。4. 輸出級輸出級IC13R8uo+VCC VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2F007 輸出級原理電路輸出級原理電路T14、 T18 、T19 準準互補對稱電路；互補對稱電路；D1、 D2 、R9、R10 過載保護電路；過載保護電路；T15 、R7、R8 為功為功率管提供靜態(tài)基流。率管提供靜態(tài)基流。V7 .

19、 0)1(87BE15887CE15 RRURRRU調節(jié)調節(jié) R7、R8 阻值可調節(jié)兩個功率管之間的電壓差。阻值可調節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為這種電路稱為 UBE 倍增電路。倍增電路。4.3.2.單極型集成運放單極型集成運放T2+vDD-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR一、電路結構一、電路結構雙入雙出差分式放大電路雙入雙出差分式放大電路耗盡型耗盡型NMOSFET對管對管T1、 T2有源負載有源負載增強型增強型NMOSFET對管對管T3T4

20、偏置電路偏置電路TREF、T5、T6 T7組成。組成。二、工作原理二、工作原理電路的基準電流電路的基準電流IREF ID5 ID6 I0靜態(tài)分析靜態(tài)分析 ID1 ID2 I0/2 輸出電壓輸出電壓 UoQ UoD1Q- UoD2Q 0動態(tài)分析動態(tài)分析 uo uoD1- uoD2 差模電壓增益差模電壓增益 AVD uo / uid - gm (rds1/ rds3). 4.4集成運放的性能指標及低頻等效電路集成運放的性能指標及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益一、開環(huán)差模電壓增益 Aod一般用對數(shù)表示，定義為一般用對數(shù)表示，定義為 UUUAlg20-Ood單位：分貝單位：分貝理想情況理想情況 Ao

21、d 為無窮大；為無窮大； 實際情況實際情況 Aod 為為 100 140 dB。4.4.1集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標二、輸入失調電壓二、輸入失調電壓 UIO三、輸入失調電壓溫漂三、輸入失調電壓溫漂 UIO 定義：定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。補償電壓。一般運放：一般運放：UIO 為為 1 10 mV；高質量運放：高質量運放：UIO 為為 1 mV 以下。以下。定義：定義：TUUddIOIO 一般運放為一般運放為 每度每度 10 20 V；高質量運放低于每度高質量運放低于每度 0.5 V 以下以下；四、輸入失調電流四

22、、輸入失調電流 IIO五、輸入失調電流溫漂五、輸入失調電流溫漂 IIO當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即之差，即定義：定義：B2B1IOIII 一般運放為一般運放為 幾十幾十 一百納安；高質量的低于一百納安；高質量的低于 1 nA。定義：定義：TIIddIOIO 一般運放為一般運放為 每度幾納安；高質量的每度幾十皮安。每度幾納安；高質量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流六、輸入偏置電流 IIB七、差模輸入電阻七、差模輸入電阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定義：定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的輸出電壓等于零時，兩個輸入端

23、偏置電流的平均值。平均值。)(21B2B1IBIII 定義：定義：IdIdidIUr 一般集成運放為幾兆歐。一般集成運放為幾兆歐。定義：定義：ocodCMRlg20AAK 多數(shù)集成運放在多數(shù)集成運放在 80 dB 以上，高質量的可達以上，高質量的可達 160 dB。九、最大共模輸入電壓九、最大共模輸入電壓 UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓十、最大差模輸入電壓 UIdm 反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、十一、 3 dB帶寬帶寬 fH表示表示 Aod 下降下降 3 dB 時的頻

24、率。一般集成運放時的頻率。一般集成運放 fH 只只有幾赫至幾千赫。有幾赫至幾千赫。十二、十二、 單位增益帶寬單位增益帶寬fc Aod 降至降至 0 dB 時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于數(shù)等于 1 。十三、十三、 轉換速率轉換速率 SR額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為輸出電壓的最大變化率。單位為 V / s 。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的成運放的 SR 值。值。其他技術指標還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸其

25、他技術指標還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。出電阻等。4.4.2集成運放的低頻等效電路集成運放的低頻等效電路考慮各種失考慮各種失調因素時等調因素時等效電路圖效電路圖不考慮各種失調因素的電路圖不考慮各種失調因素的電路圖4.5集成運放的種類及選擇集成運放的種類及選擇4.5.1集成運放的發(fā)展概況集成運放的發(fā)展概況4.5.2集成運放的種類集成運放的種類一、按工作原理分類一、按工作原理分類1.電壓放大型電壓放大型F007、F3242.電流放大型電流放大型LM3900、F19003.跨導型跨導型LM3080、F30804.互阻型互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分類二、按可控性分類1.可

26、變增益運放可變增益運放2.選通運放選通運放1.高精度型高精度型性能特點：性能特點： 漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型低功耗型性能特點：性能特點： 靜態(tài)功耗一般比通用型低靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2 個數(shù)量個數(shù)量級級( (不超過毫瓦級不超過毫瓦級) )，要求電壓很低，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標分類三、按性能指標分類3.高阻型高阻型性能特點：性能特點： 通常利用場效應管組成差分輸入級，輸通常利用場效應管組成差分輸入級

27、，輸入電阻高達入電阻高達 1012 。高阻型運放可用在測量放大器、采樣高阻型運放可用在測量放大器、采樣-保持保持電路、帶通濾波器、模擬調節(jié)器以及某些電路、帶通濾波器、模擬調節(jié)器以及某些信號源內阻很高的電路中。信號源內阻很高的電路中。（F3130）4.高速型高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至轉換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達高達 1 000 V/ s，單位增益帶寬可達，單位增益帶寬可達 10 MHz，甚至幾百兆歐。，甚至幾百兆歐。性能特點：性能特點：常用在常用在A / D 和和 D / A 轉換器、有源濾波轉換

28、器、有源濾波器、高速采樣器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。精度比較器等電路中。（F3554）5.高壓型高壓型性能特點：性能特點： 輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。功耗大。6.大功率型大功率型性能特點：性能特點：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負載上可得到較大的輸出功率。流，負載上可得到較大的輸出功率。4.5.3運放的選擇運放的選擇（略）（略）4.6集成運放的使用集成運放的使用一、集成運放的外引線（管腳）一、集成運放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象二、使用中可能出現(xiàn)

29、的異常現(xiàn)象1. 不能調零不能調零調零電位器故障；調零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負反饋開環(huán)；反饋極性接錯或負反饋開環(huán)；集成運放內部損壞；集成運放內部損壞；重新接通即可恢復為輸入信號過大而重新接通即可恢復為輸入信號過大而造成造成“堵塞堵塞”現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因4.6.1使用時必做的工作使用時必做的工作2. 漂移現(xiàn)象嚴重漂移現(xiàn)象嚴重存在虛焊點存在虛焊點運放產生自激振蕩或受強電磁場干擾運放產生自激振蕩或受強電磁場干擾集成運放靠近發(fā)熱元件集成運放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射輸入回路二極管受光照射調零電位器滑動端接觸不良調零電位器滑動端接觸不良集成運放本身損壞或質量不合格集成運放本身損壞或質量不合格原因原因3. 產生自激振蕩產生自激振蕩消振消振措施措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網絡按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網絡防止反饋極性接錯防止反饋極性接錯避免負反饋過強避免負反饋過強合理安排接線，防止雜散電容過大合理安排接線，防止雜散電容過大4.6.2保護措施保護措施一、輸入保護一、輸入保護( (a) )防止輸入差模信號防止輸入差模信號幅值過大幅值過大 ( (b) )防止輸入共模信號防止輸入共模信號幅值