模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第六新ppt課件

1、Fundamental of Electronic TechnologyCTGU*了解運算放大器中的電流源了解運算放大器中的電流源*掌握差分放大電路的分析和計算掌握差分放大電路的分析和計算*了解集成電路運算放大器的組成了解集成電路運算放大器的組成集成電路集成電路: 將整個電路的各個元件以及他們之將整個電路的各個元件以及他們之間的銜接做在同一個半導(dǎo)體基片上。間的銜接做在同一個半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點：任務(wù)穩(wěn)定、運用方便、體積小、分量輕、任務(wù)穩(wěn)定、運用方便、體積小、分量輕、功耗小。功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小

2、、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 集成運放的特點集成運放的特點集成電路的工藝特點：集成電路的工藝特點：1元器件具有良好的一致性和同向偏向，因此特別元器件具有良好的一致性和同向偏向，因此特別有利于實現(xiàn)需求對稱構(gòu)造的電路。有利于實現(xiàn)需求對稱構(gòu)造的電路。2集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。小，在毫瓦以下。3不易制造大電阻。需求大電阻時，往往運用有源不易制造大電阻。需求大電阻時，往往運用有源負(fù)載。負(fù)載。4只能制造幾十只能制造幾十pF以下的小電容。因此，集成放大以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如

3、需大電容，只需外接。不器都采用直接耦合方式。如需大電容，只需外接。不能制造電感，如需電感，也只能外接。能制造電感，如需電感，也只能外接。5電路中二極管作溫度補償和電位挪動，普通用三電路中二極管作溫度補償和電位挪動，普通用三極管發(fā)射構(gòu)呵斥。極管發(fā)射構(gòu)呵斥。6.1 模擬集成電路中模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)的直流偏置技術(shù) 鏡像電流源鏡像電流源 多路電流源多路電流源 電流源作有源負(fù)載電流源作有源負(fù)載 微電流源微電流源在模擬集成電路中廣泛運用各種電流源，在模擬集成電路中廣泛運用各種電流源，為各種放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或為各種放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作有源負(fù)載。作有源負(fù)載。1 1、三極管根本

4、電流源、三極管根本電流源 (a) (b) 圖圖06.01 三極管電流源三極管電流源 分壓式偏置電路對任務(wù)點具有穩(wěn)定作用，也分壓式偏置電路對任務(wù)點具有穩(wěn)定作用，也就是對就是對IOIO有穩(wěn)定作用，有穩(wěn)定作用，IOIO大小與大小與RCRC無關(guān)，具有無關(guān)，具有恒流特性，呈現(xiàn)一種電流源性質(zhì)。恒流特性，呈現(xiàn)一種電流源性質(zhì)。 電流源的內(nèi)阻電流源的內(nèi)阻越大恒流特性越越大恒流特性越好。好。 理想電流源的理想電流源的內(nèi)阻無窮大。內(nèi)阻無窮大。2. 鏡像電流源鏡像電流源該電路具有恒流特性：該電路具有恒流特性：BE1BE2=VVREFI E1E2= IIC1C2= IIRVVBECC= RVCC 在圖示鏡像電流源電路中

5、，在圖示鏡像電流源電路中，T1和和T2參數(shù)一樣，且參數(shù)一樣，且很大。很大。無論無論Rc的值如何，的值如何， IC2的電流值將堅持不的電流值將堅持不變。變。2. 鏡像電流源鏡像電流源交流電阻交流電阻TTo= IVR 由于由于T2的集電極電流的集電極電流根本不變。所以交流量根本不變。所以交流量0T I TTo=IVR普通普通Ro在幾百千歐以上在幾百千歐以上2. 鏡像電流源鏡像電流源在鏡像電流源電路中，當(dāng)在鏡像電流源電路中，當(dāng)不不是很大時，是很大時， IC2與與IREF就存在就存在一定的差別。為彌補這一缺乏，一定的差別。為彌補這一缺乏，在電路中接入三極管在電路中接入三極管T3。鏡像電流源適用于較大的

6、任務(wù)電流的場所毫安數(shù)量級鏡像電流源適用于較大的任務(wù)電流的場所毫安數(shù)量級問題：精度有限，誤差與問題：精度有限，誤差與2IB 或或大小數(shù)值有關(guān)大小數(shù)值有關(guān)。 精細(xì)鏡象電流源精細(xì)鏡象電流源精細(xì)鏡象電流源電路如圖精細(xì)鏡象電流源電路如圖06.0306.03所示。所示。 由于有T3存在，IB3將比鏡象電流源的2IB小3倍 IB3 2IB/ 3 。因此IC2和IREF更加接近。精度提高了 倍 圖圖06.03 精細(xì)電流源精細(xì)電流源13. 微電流源微電流源e2BE2BE1RVV E2C2II e2BERV 在鏡像電流源的在鏡像電流源的T2管射極加管射極加一小電阻值的一小電阻值的Re2就構(gòu)成了微就構(gòu)成了微電流源。

7、電流源。由于由于T1、T2兩管的兩管的VBE差差值很小，因此只需一個較小值很小，因此只需一個較小阻值的阻值的Re2就可獲得很小的就可獲得很小的電流電流IC2輸出。輸出。4. 多路電流源比例電流源多路電流源比例電流源用一個基準(zhǔn)電流來獲得用一個基準(zhǔn)電流來獲得多個電流。多個電流。由圖可得：由圖可得： BREFIIICREFII C當(dāng)當(dāng)較大時，有較大時，有各管的各管的、VBE一樣，那么有：一樣，那么有：3E32E21E1EeeeeREFeRIRIRIRIRI 故故1E1C1eeREFRRIII 2E2C2eeREFRRIII 當(dāng)當(dāng)IREF確定后，改動各電流源射極電阻，就可確定后，改動各電流源射極電阻，

8、就可獲得不同比例的輸出電流。獲得不同比例的輸出電流。5. 電流源作有源負(fù)載電流源作有源負(fù)載 ioV=VVA共射電路的電壓增益為：共射電路的電壓增益為：beLc)/(rRR 對于此電路對于此電路Rc就是就是鏡像電流源的交流電阻，鏡像電流源的交流電阻，因此增益為因此增益為beCV=rRA比用電阻比用電阻Rc作負(fù)載時提高了。作負(fù)載時提高了。放大管放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源6.2 差分式放大電路差分式放大電路 直接耦合放大電路直接耦合放大電路 零點漂移零點漂移 電路組成及任務(wù)原理電路組成及任務(wù)原理 抑制零點漂移原理抑制零點漂移原理 6.2.0 概述 6.2.1

9、根本差分式放大電路根本差分式放大電路 6.2.2 FET差分式放大電路差分式放大電路 6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性 差分式放大電路中的普通概念差分式放大電路中的普通概念 主要目的計算主要目的計算 幾種方式目的比較幾種方式目的比較6.2.0 概述概述1. 直接耦合放大電路直接耦合放大電路可以放大直流信號可以放大直流信號2.直接耦合放大電路直接耦合放大電路的零點漂移的零點漂移零漂：零漂：主要緣由：主要緣由：溫漂目的：溫漂目的：溫度變化引起，也稱溫漂。溫度變化引起，也稱溫漂。輸入短路時，輸輸入短路時，輸出仍有緩慢變化出仍有緩慢變化 的電壓產(chǎn)生。的電壓產(chǎn)生。溫度每升高溫

10、度每升高1度時，輸出漂移電壓按電壓增益度時，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。電源電壓電源電壓動搖也是動搖也是緣由之一緣由之一例如例如 100,=V1A假設(shè)第一級漂了假設(shè)第一級漂了100 uV，那么輸出漂移那么輸出漂移 1 V。 假設(shè)第二級假設(shè)第二級也漂了也漂了100 uV，那么輸出漂移那么輸出漂移 10 mV。假設(shè)假設(shè)F 第一級是關(guān)鍵第一級是關(guān)鍵。 1= 100,=V3V2AA3. 減小零漂的措施減小零漂的措施F 用非線性元件進展溫度補償用非線性元件進展溫度補償F 采用差分式放大電路采用差分式放大電路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10

11、 mV+100 uV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂才干的目的反映抑制零漂才干的目的4. 差分式放大電路中的普通概念差分式放大電路中的普通概念根據(jù)根據(jù)1、2兩式又有兩式又有差分式放大電路輸入輸出構(gòu)造表示圖差分式放大電路輸入輸出構(gòu)造表示圖+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-voi2i1id=vvv 差模信號差模信號)(21=i2i1icvvv 共模信號共模信號idoVD=vvA 差模電壓增益差模電壓增益icoVC=vvA 共模電壓增益共模電壓增益2=idici1vvv 2=idici2vvv 總輸出電壓總輸出電

12、壓icVCidVDooo=vAvAvvv 差模等效輸入方式差模等效輸入方式差放差放+-vid差放差放+-vid(a)(b)共模等效輸入方式共模等效輸入方式差放差放+-vic差模信號輸出差模信號輸出共模信號輸出共模信號輸出VCVDCMR=AAK圖06.09共模信號和差模信號表示圖 差模信號和共模信號 差分放大電路僅對差模信號具有放大才干，差分放大電路僅對差模信號具有放大才干，對共模信號不予放大。對共模信號不予放大。 溫度對三極管電流的影響相當(dāng)于參與了共模溫度對三極管電流的影響相當(dāng)于參與了共模信號。信號。 差模信號差模信號 共模信號共模信號 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極

13、性相反相等，極性相反的信號。的信號。 是指在兩個是指在兩個輸入端加上幅度輸入端加上幅度相等，極性一樣相等，極性一樣的信號。的信號。6.2 差分放大電路 1、 問題的提出：緩慢變化的信號例如：溫度變化如何放大？交流放大器行嗎？為什么？ 處理的方法：直接耦合直流放大器。 新問題出現(xiàn)：“零點飄移Q點的緩慢挪動。 處理的方法：差分放大器。 特點：對稱構(gòu)造，一樣的參數(shù)，Q點的變化一樣，相互抵消。根本差分放大器。根本差分放大器。問題：兩邊的漂移問題：兩邊的漂移并不小，依賴對稱并不小，依賴對稱相互抵消。大范圍相互抵消。大范圍抵消難到達。抵消難到達。容抗問題！容抗問題！0212211CCoCCCCoVVVVI

14、VICT帶公共電阻帶公共電阻ReRe的差分放大器。的差分放大器。思想：由分壓式偏置電路。引入公共思想：由分壓式偏置電路。引入公共ReRe穩(wěn)定任務(wù)點，穩(wěn)定任務(wù)點，減小飄移量，減小飄移量，Q Q點變化范圍小，容易相互抵消。點變化范圍小，容易相互抵消。帶恒流源的帶恒流源的差分放大器。差分放大器。分析：分析：Re對差動信號的放大有什么影響？對差動信號的放大有什么影響？無影響！無影響！問題：要穩(wěn)定問題：要穩(wěn)定Q點，點，Re必需大，必需大，Re大那么要求大那么要求-Vee高，管子要求也高，高，管子要求也高，有時不現(xiàn)實。怎樣辦？有時不現(xiàn)實。怎樣辦？恒流源電流數(shù)值：恒流源電流數(shù)值：IE =(VZ - VBE3

15、 )/ Re 為定值，為定值，Ic1 = Ic2 = IE /2電流被固定。電流被固定。.21222111constiiiiiviivecccbicbi圖06.10雙電源差分放大電路0=7 . 02=BECCEEEeEEcCCCCBCVVVVVVRIVRIVVIIeBEEEB2)1 (=RVVI3、差分放大電路的靜態(tài)計算(動畫6-1)1直流等效電路直流等效電路2Q點計算點計算 圖圖06.11雙端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數(shù)Avd 雙端輸入差放電路如圖雙端輸入差放電路如圖06.1106.11所示。負(fù)載電所示。負(fù)載電阻接在兩集電極之間。阻接在兩集電極之間。vi vi 接在兩輸

16、入端之間，接在兩輸入端之間，也可看成也可看成 vi /2 vi /2各接在兩輸入端與地之間。各接在兩輸入端與地之間。 besLc1011012121d)2/(22rRRRvvvvvvvvvvAiiiiooiov雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù) 以雙倍的元器件換以雙倍的元器件換取抑制零漂的才干取抑制零漂的才干besLcd2/rRRRAv雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù) 這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。 雙端輸入單端輸出因只利用了一個集電極輸出的變化量，所以它的差模電壓放大倍數(shù)是雙端輸出的二分之一。 圖圖06.12雙端輸

17、入單端輸出雙端輸入單端輸出 單端輸入雙端輸出差模電壓單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù) 單端輸入信號可單端輸入信號可以轉(zhuǎn)換為雙端輸入，其以轉(zhuǎn)換為雙端輸入，其轉(zhuǎn)換過程見圖轉(zhuǎn)換過程見圖06.1306.13。右側(cè)的右側(cè)的Rs+rbeRs+rbe歸算到發(fā)歸算到發(fā)射極回路的值射極回路的值(Rs+rbe) (Rs+rbe) /(1+/(1+) Re) Re，故，故 Re Re 對對 Ie Ie 分流極小，可忽分流極小，可忽略，于是有略，于是有besLcd)2/(rRRRAv 這種方式用于將單這種方式用于將單端信號轉(zhuǎn)換成雙端差分端信號轉(zhuǎn)換成雙端差分信號信號, 可用于輸出負(fù)載可用于輸出負(fù)載不接地的情況。

18、不接地的情況。圖06.13 單端輸入轉(zhuǎn)換為 雙端輸入vi1 = vi2 = vi /2besLcd2/rRRRAv單端輸入單端輸出單端輸入單端輸出 經(jīng)過從經(jīng)過從 T1 或或 T2 的集電極輸出，的集電極輸出，可以得到輸出與輸入之間或電位反相或可以得到輸出與輸入之間或電位反相或電位同相的關(guān)系。從電位同相的關(guān)系。從T1的基極輸入信號，的基極輸入信號，從從C1 輸出，為反相；從輸出，為反相；從C2 輸出為同相。輸出為同相。 (2)差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入，不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻差模輸入電阻Rid是根本放大電路是根本放大電路的兩倍。的兩倍。bes1id22rRIvIv

19、Riiii(3)輸出電阻 輸出電阻在輸出電阻在 單端輸出時，單端輸出時， 雙端輸出時，雙端輸出時， coRRco2RR 5、共模形狀動態(tài)計算 假設(shè)輸入信號極性假設(shè)輸入信號極性，幅度都一樣，幅度都一樣, 那么是那么是純共模信號。純共模信號。 溫漂信號屬典型的共溫漂信號屬典型的共模信號，它對差分放大模信號，它對差分放大電路中電路中Ic1和和Ic2的影響一的影響一樣。樣。圖06.14共模差模信 號混合的情況221iiicvvv221iiidvvv 假設(shè)極性一樣，幅假設(shè)極性一樣，幅度不等，那么信號既包度不等，那么信號既包含共模、又包含差模分含共模、又包含差模分量，如圖量，如圖06.14所示。所示。 計

20、算共模放大倍數(shù)計算共模放大倍數(shù)Avc的微變等效電路，如圖的微變等效電路，如圖 06.15 所示。其中所示。其中Re用用2Re等效，這與差模時不同。等效，這與差模時不同。Avc的大小，取決于差分電路的對稱性，雙端輸出的大小，取決于差分電路的對稱性，雙端輸出時可以以為等于零。時可以以為等于零。eLebeLICOC1c22)1(=RRRrRvvAv(1) 共模放大倍數(shù)Avc圖06.15 共模微變等效電路(2)(2)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的是差分放大器的一個重要目的。一個重要目的。單端輸出時為單端輸出時為cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK，或b

21、eeeLbeLCMR2/2/rRRRrRK 雙端輸出時雙端輸出時KCMR可以為等于無窮大，單可以為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比端輸出時共模抑制比(動畫6-2)VDA4. 幾種方式目的比較幾種方式目的比較VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出idRicRoR4. 幾種方式目的比較幾種方式目的比較輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c

22、2RcRc2RcR與共源電路一樣與共源電路一樣ido2VD2vvA 6.2.2 FET差分式放大電路差分式放大電路1. 電路組成電路組成2. 差模增益差模增益dm21Rg 3. 差模輸入電阻差模輸入電阻g1idRR M 1圖圖6.2.10 差分式放大電路如下圖。分析差分式放大電路如下圖。分析以下輸入和輸出的相位關(guān)系：以下輸入和輸出的相位關(guān)系：反相反相vC1與與vi1end同相同相vC2與與vi1同相同相vC1與與vi2反相反相vC2與與vi2反相反相vO與與vi1同相同相vO與與vi23. 靜態(tài)時，兩個輸入端能否有靜態(tài)偏置電流？靜態(tài)時，兩個輸入端能否有靜態(tài)偏置電流？6.3 6.3 運運 算算

23、放放 大大 器器 運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的種類，廣泛運用于各種電子電路之中。的種類，廣泛運用于各種電子電路之中。6.3.1方框圖 集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如下圖。路，它的方框圖如下圖。圖 06.16 運算放大器方框圖 6.3.2運算放大器的符號(1)(1)集成放大器的符號集成放大器的符號 按照國家規(guī)范符號如圖按照國家規(guī)范符號如圖06.1706.17所示。所示。NoImage (a) (b)

24、圖06.17 模擬集成放大器的符號 (a) 國家規(guī)范符號 (b)原符號輸入輸入+表示同相輸入端表示同相輸入端輸入輸入-表示反相輸入端表示反相輸入端6.4.2 通用型集成電路運算放大器通用型集成電路運算放大器 1.輸入級運用高性能的差分放大電路，對共輸入級運用高性能的差分放大電路，對共模信號有很強的抑制力，采用雙端輸入雙端輸出模信號有很強的抑制力，采用雙端輸入雙端輸出的方式。的方式。 4.偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定任務(wù)點。變化的偏置電流，以穩(wěn)定任務(wù)點。 3.互補輸出級由互補輸出級由PNP和和NPN兩種極性的三極兩種極性的三極管或

25、復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電壓或電流。詳細(xì)電路參閱功率放大器。壓或電流。詳細(xì)電路參閱功率放大器。 2.中間放大級提供高的電壓增益，以保證中間放大級提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路方式多為差分電運放的運算精度。中間級的電路方式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。6.3.4 運算放大器的主要參數(shù) 運放的技術(shù)目的很多，根據(jù)運放本運放的技術(shù)目的很多，根據(jù)運放本身的特點可分成：身的特點可分成：1參數(shù)均比較適中的是通用型運放；參數(shù)均比較適中的是通用型運放；2對某些目的有特殊要求的特種運放。對某些目的有

26、特殊要求的特種運放。 1.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Vio ：(input offset voltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的目的。部電路對稱性的目的。 2.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 Iio ：(input offset current)在在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 3.輸入偏置電流輸入偏置電流IB ：(inp

27、ut bias current)運放運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。放大對管輸入電流的大小。4.輸入失調(diào)電壓溫漂 dVio /dT5.輸入失調(diào)電流溫漂dIio /dT 6.最大差模輸入電壓Vidmax 7.最大共模輸入電壓Vicmax 8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Avd ：(open loop voltage gain)運放在無外加反響條件下，輸出電壓的變化量與輸運放在無外加反響條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。入電壓的變化量之比。 9.差模輸入電阻差模輸入電阻rid ：(input r

28、esistance)輸入差輸入差模信號時，運放的輸入電阻。模信號時，運放的輸入電阻。 10.共模抑制比共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)與差分放大電路中的定義一樣，是與差分放大電路中的定義一樣，是差模電壓增益差模電壓增益 Avd 與共模電壓增益與共模電壓增益 Avc 之比，之比，常用分貝數(shù)來表示。常用分貝數(shù)來表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 12.單位增益帶寬單位增益帶寬 f c (BWG)(unit gain band width) Avd 下降到下降到1時所對應(yīng)的頻率，定義為單位增益時所對應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬帶寬 f c 。 11.3dB帶寬帶寬 f H ： (-3dB band width) 運算運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬所定義的帶寬 f H 。 13.轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率S R (壓擺率壓擺率)(slew rate)反映運放對于反映運放對于快速變化的輸入信號的呼應(yīng)才干。轉(zhuǎn)換速率快速變化的輸入信號的呼應(yīng)才干。轉(zhuǎn)換速率SR的表達