集成運(yùn)算放大電路

1、2021/8/61第第4 4章章 集成運(yùn)算放大電路2021/8/62本章主要內(nèi)容v 介紹集成放大電路的特點(diǎn)。介紹集成放大電路的特點(diǎn)。v 電流源電路電流源電路集成運(yùn)放中的電流源電路集成運(yùn)放中的電流源電路包括包括鏡像電流源鏡像電流源改進(jìn)電流源改進(jìn)電流源微電流源微電流源各自適用范圍2021/8/634.1 集成運(yùn)算放大電路概述一.集成電路特點(diǎn)簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱IC【Integrated Circuit】6060年代初發(fā)展起來(lái)。年代初發(fā)展起來(lái)。它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。優(yōu)點(diǎn)：密度高、引線

2、短、外部接線大為減少，優(yōu)點(diǎn)：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。成本。返回2021/8/64特點(diǎn) 電路參數(shù)一致性好，大量采用差分放大電路參數(shù)一致性好，大量采用差分放大電路和恒流源電路。電路和恒流源電路。 用有源器件代替電阻。用有源器件代替電阻。 采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。 級(jí)間采用直接耦合方式。級(jí)間采用直接耦合方式。常用耦合方式常用耦合方式有三種：有三種：直接耦合直接耦合通過(guò)電容耦通過(guò)電容耦合合稱阻容稱阻容耦合耦合通過(guò)變壓器通過(guò)變壓器耦合耦合 允許采用復(fù)雜電路形式。允許采用復(fù)雜電路形式。2021/8/

3、652021/8/66集成電路AVR單片機(jī)2021/8/67背面焊點(diǎn)圖2021/8/68局部焊點(diǎn)2021/8/69uI1uI2uO二.通用集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成及使用 典型集成運(yùn)放的方框圖：負(fù)載該方框圖分成該方框圖分成3 3個(gè)級(jí)，四個(gè)部分。個(gè)級(jí)，四個(gè)部分。每一部分構(gòu)成的電路，稱為單元電路。每一部分構(gòu)成的電路，稱為單元電路。4.1集成運(yùn)算放大器概述返回2021/8/610（1）（差分式）輸入級(jí)【又稱前置級(jí)】要求：要求：，以便把外加信號(hào)盡可能多的吸入電路，以便把外加信號(hào)盡可能多的吸入電路中去；中去；差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)。差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)。往往都是用往往都是

4、用雙端輸入雙端輸入的高性能的高性能差分放大差分放大電路電路。2021/8/611（2）中間（放大）級(jí)作用：作用：。在這一級(jí)把信。在這一級(jí)把信號(hào)盡量放大，使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放號(hào)盡量放大，使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力。大能力。多采用多采用共射（或共源）放大電路共射（或共源）放大電路（它們它們的的AV大大）；）；多采用多采用復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)（它們的它們的AV大大）；）；2021/8/612（3）（互補(bǔ)）輸出級(jí)要求：要求：Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；非線性失真小。非線性失真小。多采用多采用電壓跟隨電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟器或互補(bǔ)電壓跟隨器隨器組成電路，組成電路，保證功率放大。保證功率放大。

5、（4）（直流）偏置電路用于用于集成運(yùn)放集成運(yùn)放采用采用電流源電路電流源電路為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作電流，從而確定了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。電流，從而確定了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。2021/8/613+VCC-VEEPNuI1uI2OuOiI1iI2A集成運(yùn)放的使用同相輸入端反相輸入端這兩個(gè)電壓可不畫(huà)輸入與輸出的關(guān)系：輸入與輸出的關(guān)系：當(dāng)當(dāng)uI從從反相反相輸入端輸入時(shí)，輸入端輸入時(shí)，uO與與uI反相反相；當(dāng)當(dāng)uI從從同相同相輸入端輸入時(shí)，輸入端輸入時(shí)，uO與與uI同相同相；（1 1）集成運(yùn)放的符號(hào)說(shuō)明）集成運(yùn)放的符號(hào)說(shuō)明2021/8/614（2 2）輸入電壓的兩種形式）輸入電壓的兩種

6、形式差模輸入電壓差模輸入電壓uId【d：differential】共模輸入電壓共模輸入電壓uIc【c：common】即：兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓大小相等，但極性即：兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓大小相等，但極性相反。相反。即：兩個(gè)差放管的輸入電壓大小相等，且極即：兩個(gè)差放管的輸入電壓大小相等，且極性相同。性相同。uId 也稱為差模信號(hào)也稱為差模信號(hào)uIc 也稱為共模信號(hào)也稱為共模信號(hào)分別表示為21IIIduuu 2121IIIcuuu IdIcIuuu211 IdIcIuuu212 2021/8/6153. 集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性 uO=f(uP-uN) 由于由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性

7、區(qū)時(shí)的高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。 (uPuN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是集成運(yùn)放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。+UOM-UOM線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)2021/8/616典型集成運(yùn)放F007內(nèi)部電路【簡(jiǎn)化圖】2021/8/617幾種集成運(yùn)放實(shí)物圖2021/8/6185.2 集成運(yùn)放中的電流源電路（2 2）還可以作

8、放大電路的有源負(fù)載。）還可以作放大電路的有源負(fù)載。電流源電路的作用：（1 1）可以為放大電路提供穩(wěn)定的偏置）可以為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流；電流；返回2021/8/6191.鏡像電流源【也稱電流鏡（Current Mirror）】設(shè)設(shè)T1、T2的參數(shù)完全相同，即：的參數(shù)完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2BE2BE1=UUE2E1= IICIIIC2C1= 21=BIIIB2B1=CEO2CEO1= II電源電源VCC通過(guò)電阻通過(guò)電阻R和和T T1 1產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)生一個(gè)基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流IREF，則，則RUVIBECCREF1（1）工作原理分析

9、一.基本電流源2021/8/620IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2而而B(niǎo)REFCIII21又又21CCIIBREFCIII22又又 2222CCBBIIII整理后，得整理后，得REFCII 2112 222CREFCIII當(dāng)滿足條件當(dāng)滿足條件2時(shí)，時(shí)，02 有有REFCII 22021/8/621IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2即即RUVIIBECCREFC12 且通常有且通常有VCCUBE1RVIICCREFC 2由推導(dǎo)可見(jiàn)由推導(dǎo)可見(jiàn)，IREF由由VCC和和R決定，而決定，而IC2像像IREF的鏡的鏡像，與其

10、本身一側(cè)的電阻像，與其本身一側(cè)的電阻RC無(wú)關(guān)。所以，無(wú)關(guān)。所以，無(wú)論無(wú)論Rc的的值如何，值如何， IC2的電流值將的電流值將保持不變。保持不變。無(wú)關(guān)2021/8/622補(bǔ)償作用（2）鏡像電流源的特點(diǎn)T 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；適用于較大工作電流適用于較大工作電流（mA級(jí)）的場(chǎng)合。級(jí)）的場(chǎng)合。T 適用范圍：適用范圍：T T1 1管對(duì)管對(duì)T T2 2管具有一定的管具有一定的溫度補(bǔ)償作用溫度補(bǔ)償作用，使得，使得IC2的溫度穩(wěn)定性較好。的溫度穩(wěn)定性較好。溫度溫度TIC2IC1IREFVR(=IREFR)VBIBIC2T則相則相反反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+

11、-UBE2VB2021/8/623T 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：當(dāng)直流電源當(dāng)直流電源VCC變化時(shí)，輸出電流變化時(shí)，輸出電流IC2幾乎幾乎按同樣的規(guī)律波動(dòng)，因此按同樣的規(guī)律波動(dòng)，因此不適用于直流源不適用于直流源在大范圍內(nèi)變化的集成運(yùn)放在大范圍內(nèi)變化的集成運(yùn)放。若若輸入級(jí)要求微安級(jí)的偏置電流輸入級(jí)要求微安級(jí)的偏置電流，則所用電，則所用電阻將達(dá)到兆歐級(jí)，在集成電路中阻將達(dá)到兆歐級(jí)，在集成電路中無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。該電路限制該電路限制22時(shí)才成立時(shí)才成立，若，若值很小時(shí)，值很小時(shí)，IC2與與IREF就存在一定的差別，不能達(dá)到很好就存在一定的差別，不能達(dá)到很好的鏡像。的鏡像。2021/8/6242.比例電流源由電路：由

12、電路：1e1E1BE0e0E0BERIURIU又：又：SETBEIIlnUU1E0ET1BE0BEIIlnUUU所以：所以：得：得：1E0ET0e0E1e1EIIlnURIRI1E1CR0E0CII ,III2時(shí)，當(dāng)1CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI得：得：R1e0e1CIRRI在一定條件下在一定條件下0e0BECCRRRUVI2021/8/625當(dāng)基準(zhǔn)電流當(dāng)基準(zhǔn)電流IREF一定時(shí)，一定時(shí)，IC1可得：可得：0111BEBEBECEeeUUUIIRR式中式中(UBE0-UBE1)通常只通常只有幾十毫伏，甚至更小，因有幾十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的此，只要用阻值不大的Re

13、（幾千歐）即（幾千歐）即可獲得微小的可獲得微小的工作電流工作電流IC1（A級(jí)）級(jí)），稱為，稱為微電流源微電流源。3.微電流源IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE12021/8/6263.微電流源由上面電路因?yàn)镽e0=01CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI1CReT1CIIlnRUIRUVI0BECCR其中IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE12021/8/627 以前電路限制以前電路限制22時(shí)才成立時(shí)才成立，若，若值很小值很小時(shí)，時(shí)，IC2與與IREF就存在一定的差別，不能達(dá)到很就存在一定的差別，不能

14、達(dá)到很好的鏡像。好的鏡像。二.改進(jìn)型電流源電路如： =10時(shí)，則根據(jù)鏡像電流源公式，時(shí)，則根據(jù)鏡像電流源公式， 可見(jiàn)兩者相差很大?？梢?jiàn)兩者相差很大。10.8332CRRIII2021/8/628IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe31.加射級(jí)輸出器的電流源對(duì)原電路進(jìn)行如下改進(jìn)：令接入電路中的令接入電路中的T3與原電路與原電路中中T1和和T2參數(shù)完全一致。參數(shù)完全一致?！痉治鲭娐贰俊痉治鲭娐贰緽REFCCIIII 12 13EBII而而又又332213eeRBRBBEII IIII 2021/8/629IREFIC1T1T2IC2T3I

15、E3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3 12312eRBREFCCIIIII 2CBII 又又33eBERRUIe 12322eBECREFCRUIII整理后，得：整理后，得： 121132eBEREFCRUII非常?。ˋ級(jí)），可忽略 121REFI2021/8/630IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3若取若取1010，則，則REFCI I982. 02 而原電路若也取而原電路若也取1010由于由于REFREFREFCI I II833. 0102112112 可見(jiàn)該電路即使可見(jiàn)該電路即使很小，也很小，也

16、可以認(rèn)為可以認(rèn)為I IC2C2IIREFREF，二者能，二者能保持很好的鏡像關(guān)系。保持很好的鏡像關(guān)系。2021/8/6312.威爾遜電流源RR22CII )2221 (I工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸出電阻大。工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸出電阻大。若取若取1010，則，則20.984 CRII可見(jiàn)該電路即使很小，也可以認(rèn)為2 CRII2021/8/632三. 多路電流源1.基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因?yàn)橐驗(yàn)閁BE相差不多，故相差不多，故IE0Re

17、0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re32021/8/6332.多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定集電結(jié)面積。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定集電結(jié)面積。設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則，則02C0C201C0C1SSIISSII，2021/8/6343.MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。 MOS管的漏極管的漏極電流正比于溝道電流正比于溝道的寬長(zhǎng)比。的寬長(zhǎng)比。 設(shè)寬長(zhǎng)比設(shè)寬長(zhǎng)比W/L=S，且，且T1T4的寬長(zhǎng)比分別為的寬長(zhǎng)比分別為S0、S1、S2、S3，則，則03D0D302D0D201D0D1

18、SSIISSIISSII，基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流2021/8/635通用集成運(yùn)放F007的內(nèi)部原理電路四.集成運(yùn)放電路中的電流源電路分析偏置電路了解內(nèi)容2021/8/636IREF【分析】 11112RUUVVIBEEBEECCREF 由主偏置電路可求基準(zhǔn)電流由主偏置電路可求基準(zhǔn)電流IREF了解內(nèi)容2021/8/637IREF【分析】10210lnCREFTCIIRUI 利用累試法或圖解法可求出利用累試法或圖解法可求出IC10由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)：341012BBCIIIIC10作用：為輸入級(jí)T3、T4提供靜態(tài)電流。了解內(nèi)容2021/8/6382021/8/639IREF【分析】IC13IC12REF

19、CCIII 21312 由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)：作用：（1）為中間級(jí)T14、T15提供靜態(tài)電流并作為有源負(fù)載；（2）為輸出級(jí)T17、T18提供偏置電流。了解內(nèi)容2021/8/6402021/8/641IREF【分析】IC13IC12作用：為輸入級(jí)T1、T1提供靜態(tài)電流了解內(nèi)容2021/8/6422021/8/643IREF四.電流源用作有源負(fù)載下圖為一個(gè)采用有源負(fù)載的單管共射放大電路。下圖為一個(gè)采用有源負(fù)載的單管共射放大電路。T1:放大管T2:有源負(fù)載組成鏡像電流源，代替原來(lái)共射放大電路中的電阻RC。電流源特點(diǎn)：電流源特點(diǎn)：直流電阻直流電阻小，交流電阻大。小，交流電阻大。 在模擬集成電路中，在模擬

20、集成電路中，廣泛地把它作為負(fù)載使廣泛地把它作為負(fù)載使用，稱為用，稱為有源負(fù)載有源負(fù)載。了解內(nèi)容2021/8/644IREF設(shè)設(shè)T2和和T3管特性完全相同，有管特性完全相同，有2= 3=IC2=IC3基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RVRUVICCEBCCREF 3由基準(zhǔn)電流就可以確定放大由基準(zhǔn)電流就可以確定放大管的空載靜態(tài)工作電流管的空載靜態(tài)工作電流IC1Q：REFCII 2112REFCQCIII221 電流源用作有源負(fù)載了解內(nèi)容2021/8/645be1bLce2ce11)( rRRrrAu2021/8/646在集成運(yùn)放中常常用三極管代替負(fù)載電在集成運(yùn)放中常常用三極管代替負(fù)載電阻阻RC，組成有源負(fù)載，以獲

21、得較高的電壓，組成有源負(fù)載，以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。 在共射電路中，可使每級(jí)的電壓增益在共射電路中，可使每級(jí)的電壓增益達(dá)達(dá)10103 3甚至更高。甚至更高。三極管的集電極具有三極管的集電極具有等效電阻等效電阻rce比較大比較大的特點(diǎn)的特點(diǎn)電流源亦常用作射極負(fù)載。了解內(nèi)容2021/8/647用于差分放大電路用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)iO約為多少？約為多少？動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)iO約為約為多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近的差模放

22、大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。的差模放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：2021/8/648IREF集成運(yùn)放F007分析2021/8/649集成運(yùn)放F007輸入級(jí)分析通用集成運(yùn)放F007的內(nèi)部原理電路2021/8/650T1、T2、T3、T4共同構(gòu)成雙端輸入單端輸出的共集共基差分式放大電路2021/8/651T5、T6、T7構(gòu)成帶緩沖級(jí)的鏡像電流源電路作為T(mén)3、T4發(fā)射極的有源負(fù)載作用：（2）減小共模增益，有利于抑制共模信號(hào)（1）提高差模增益建議課后推導(dǎo)一下2021/8/652兩個(gè)兩個(gè)PNPPNP型型BJTBJT構(gòu)構(gòu)成成PNPPNP型復(fù)合管型復(fù)合管復(fù)合三極管 復(fù)合三極管的四種接法兩個(gè)兩個(gè)NPNNPN型型BJTBJT構(gòu)構(gòu)成成NPNNPN型復(fù)合管型復(fù)合管返回集成運(yùn)放F007中間級(jí)分析2021/8/6535.5 集成運(yùn)放的中間級(jí)及復(fù)合三極管一.復(fù)合三極管 復(fù)合三極管的四種接法兩個(gè)不同類型的兩個(gè)不同類型的BJTBJT構(gòu)構(gòu)成復(fù)合管，類型與第成復(fù)合管，類型與第一只相同。一只相同。構(gòu)成構(gòu)成PNPPNP型型構(gòu)成構(gòu)成NPNNPN型型2021/8/654 需要記住的幾點(diǎn)結(jié)論第一只第一只BJTBJT的集的集電極（電極（c c）或發(fā)射極（）或發(fā)射極（e e）要作為第二只）要作為