集成電路運算放大器的術(shù)語

1、第四章 集成運算放大電路第一節(jié)學(xué)習(xí)要求第二節(jié)集成運算放大器中的恒流源第三節(jié)差分式放大電路第四節(jié) 集成電路運算放大器第五節(jié)集成電路運算放大器的主要參數(shù)第六節(jié)場效應(yīng)管簡介第一節(jié)學(xué)習(xí)要求1. 掌握基本鏡象電流源、比例電流源、微電流源電路結(jié)構(gòu)及基本特性。2. 掌握差模信號、共模信號的定義與特點。3. 掌握基本型和恒流源型差分放大器的電路結(jié)構(gòu)、特點，會熟練計算電路的靜態(tài)工作點，熟悉四種電路的連接方式及輸 入輸出電壓信號之間的相位關(guān)系。4. 熟練分析差分放大器對差模小信號輸入時的放大特性， 共模抑制比。會計算 Avd Rd、Ric、Rod、Roc、Kcmr。5. 熟悉運放的主要技術(shù)指標及集成運算放大電路的

2、一般電路 結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)重點：掌握集成運放的基本電路的分析方法學(xué)習(xí)難點：集成運放內(nèi)部電路的分析 集成電路簡介集成電路是在一小塊 P型硅晶片襯底上，制成多個晶 體管（或FET）、電阻、電容，組合成具有特定功能的電路。集成電路在結(jié)構(gòu)上的特點：1. 采用直接耦合方式。2. 為克服直接耦合方式帶來的溫漂現(xiàn)象，采用了溫度補償?shù)氖侄?輸入級是差放電路。3. 大量采用BJT或FET構(gòu)成恒流源，代替大阻值R ,或 用于設(shè)置靜態(tài)電流。4. 采用復(fù)合管接法以改進單管性能。集成電路分為數(shù)字和模擬兩大部分。返回第二節(jié)集成運算放大器中的恒流源一、基本鏡象電流源0畑圖d.l電路如圖6.1所示。Ti,T2參數(shù)完全相同，即B 1

3、=2,1 CEO=I CE02,從電路中可知VbE=VbE2, I E1=I E2 , I C1=I C2當B>>2時,式中Ir=Iref稱為基準電流，由上式可以看出，當R確定后，I R就確定，I C2也隨之而定，我們把I C2看作是I R的鏡像， 所以稱圖6.1為鏡像恒流源。改進電路一:圖6.2圖6.2是帶有緩沖級的基本鏡象電流源 ，它是針對基本 鏡象電流源缺點進行的改進，兩者不同之處在于增加了三極管T3,其目的是減少三極管 Ti、T2的I b對Ir的分流作用， 提 高鏡象精度，減少 B值不夠大帶來的影響。=冬"1 + 2仏血 + 1）其中R丿玄改進電路二：圖6-3圖6

4、.3是帶有發(fā)射極電阻的鏡象電流源，其中Re1=Ft2 ,兩管的輸入仍有對稱性，所以-J 如丁= B£1°tfl冷E F若此電路Fel不等于 艮2,貝U I C2與（艮1、艮2）的比值成比例， 因此，此電流源又稱為比例電流源。二、微電流源圖6A電路如圖6.4所示，當I R一定時，I C2可確定為:可見，利用兩管基-射電壓差Vbe可以控制I 0。由于Vbe的數(shù) 值小，用阻值不大的 艮2即可得微小的工作電流-微電流源。例:電路如圖6.5所示，若二=10 則：嵐=261nl0 用E 6.5已知：BJT的參數(shù)相同，求各電流源與參考電流的關(guān)系。三、電流源的主要應(yīng)用-有源負載前面曾提到，

5、增大R可以提高共射放大電路的電壓增益。 但是，Rc不能很大，因為在集成工藝中制造大電阻的代價太 高，而且，在電源電壓不變的情況下，Rc越大，導(dǎo)致輸出幅度越小。那么，能否找到一種元件代替RC，其動態(tài)電阻大，使得電壓增益增大，但靜態(tài)電阻較小。因而不致于減小輸出 幅度呢？自然地，我們可以考慮晶體管恒流源。由于電流源 具有直流電阻小，交流電阻大的特點，在模擬集成電路中廣 泛地把它作負載使用-有源負載，如圖6.6所示。QV't'cJ圖6.6第三節(jié)差分式放大電路 基本概念：F;線性放大器ffl 6.7圖6.7表示一個線性放大器，它有兩個輸入端，分別接V。在電路完全對稱的理想有信號Vil和V

6、i2 ；輸出端的信號為 情況下，輸出信號電壓可表示為式中Avd是差分放大器的差模電壓增益?？梢婋娐返膬蓚€輸入端所共有的任何信號對輸出電壓都不會有影響。但在一 般情況下，實際的輸出電壓不僅取決于兩個輸入信號的差模 信號Vid，而且還與兩個輸入信號的共模信號Vic有關(guān)，它們分別是唏=勺1 一帀苗2當用差模信號和共模信號表示兩個輸入信號時，有在差模信號和共模信號同時存在時，對于線性放大器而 言，可以利用疊加原理來求出總的輸出電壓，即叫=+AVic式中 < 為差模電壓放大倍數(shù)，丄 稱為共模電壓放大倍數(shù)。一、基本差分放大電路1. 基本電路ffic 8基本差動式放大器如圖 6.8所示 相同的晶體管，

7、電路對稱，參數(shù)也對稱圖中T1,T2是特性如:VbE=VbE2,R c1 = FC2=R,嘉=民2= Rb, B i=B 2=B。電路有兩個輸入端和兩個輸出端2. 工作原理(1) 當Vi1=Vi2=0時，即靜態(tài)時，由于電路完全對稱：I cl =I c2= I 0/2, R clI cl = R c2l c2, Vo = V cl-Vc2 = 0 即輸入為 0 時， 輸出也為0。(2) 加入差模信號時，即Vs1=-V s2=Vsd/2，從電路看VB1增大使得i B1增大，使i cl增大，使得Vci減小VB2減小使得i B2減 小，又使得i c2減小，使得Vc2增大.由此可推出：Vo=Vc1 -Vc

8、2=2vci,每個變化量v不等于0,所以有信號輸出。若在輸入端加共模信號，即Vs1=Vs2,由于電路的對稱性 和恒流源偏置，理想情況下Vo=0,無輸出。這就是所謂"差動"的意思；即兩個輸入端之間有差別， 輸出端才有變動。3、抑制零點漂移的原理在差分電路中，無論是溫度的變化， 還是電流源的波動 都會引起兩個三極管的i c及Vc的變化。 這個效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號，在理想情況下，Vo不變，從而抑制了零漂。凡是對差放兩管基極作用相同的信號都是共模 信號。常見的有：（1）Vi1不等于-V i2，信號中含有共模信號；（2）干擾信號（通常是同時作用于輸入端）；（3）零漂。

9、實際情況下，要做到兩管完全對稱和理想恒流源是比較 困難的，但輸出漂移電壓也將大為減小。綜上分析，放大差 模信號，抑制共模信號是差放的基本特征。通常情況下， 我們感興趣的是差模輸入信號，對于這部分有用信號，希望得 到盡可能大的放大倍數(shù)；而共模輸入信號可能反映由于溫度 變化產(chǎn)生的漂移信號或隨輸入信號一起進入放大電路的某種 干擾信號。對于這樣的共模輸入信號我們希望盡量地加以抑 制，不予放大傳送。4、主要技術(shù)指標的計算0圖&9（1 ）靜態(tài)工作點的估算I C1=I C2=I c=I c/2V C1=V)2=VCc-| cRdI B1=I B2=I c/ B =I B=I/2 B(2)差摸電壓增益

10、和輸入、輸出電阻差放電路有兩個輸入端和兩個輸出端。 同樣，輸出也分 雙端輸出和單端輸出方式。 組合起來，有四種連接方式：雙端 輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出 ，單端輸入雙端輸出，單端 輸入單端輸出。ffl d.10(a) 雙入雙出電路差模輸入：v i1 =-V i2 =Vid/2，貝y i C1上升時,i C2下降。若電路完全對稱時，則AiC1=i C2,因為I 0不變，因此Ve=0,電路可以用圖 6.9表示。由上面的計算可見，負載在電路完全對稱，雙入雙出的情 況下,AvD= Avi,可見該電路使用成倍的元器件換取抑制零漂的 能力。差模輸入電阻R :從兩個輸入端看進去的等效電阻R=2be差模輸

11、出電阻R0:從兩個輸出端看進去的等效電阻R0=2RcR, R i是單管的兩倍。(b) 雙入單出電路對于差模信號：由于另一三極管的 C極沒有利用，因此Vo只有雙出的一半。H _1 d 1 朋；血=tAi =差模輸入電阻：由于輸入回路沒變，所以R=2rbe,差模輸出電阻：Ro=FCio(c) 單端輸入電路對于單端輸入，相當與圖6.10的b2接地。當Vi>0時，i cl增大，使i el也增大，Ve增大。由于T2的b極通過接地，則 VBE2=0-V e= -V e，所以有VBE2減小,i c2也減小。整個過程，在單 端輸入Vi的作用下，兩個BJT的電流為i ci增大,i C2減少。所 以單端輸入

12、時，差分放大的、T2仍然工作在差分狀態(tài)。單端輸入與雙端輸入是一致的。小結(jié):只要是雙端出，不管是單入還是雙入，其Avd、R、R.都是一樣的血燈g 嚕A = 2匕&皿Rd也是只要是單端出，不管是單入還是雙入，其Avd R、一樣的。(3)共模電壓增益雙端輸出的A/co因為Vii =Vi2，此時變化量相等，即Vci=Vc2,因止匕仏+咖"2A/c也實際上，電路完全對稱是不容易的，但即使這樣， 很小，放大電路的抑制共模能力還是很強的。單端輸出的A/c對于共模信號，因為兩邊電流同時增大或同時減小 .因此 在e極處得到的是兩倍的i eo Ve=2i eFt,這相當于每個BJT的 發(fā)射極分別

13、接2艮電阻，如圖6.11所示。（這里的Re就是恒流 源交流等效電阻）因此有 = 1=2 =遅A尬 % 氐斗（1 +歷2臨2r0（4 ）共模抑制比&MRKcmr是衡量差放抑制共模信號能力的一項技術(shù)指標。定義為：字 或 島虻肌字洶Ac出嗆A/D越大,Avc越小.則共模抑制能力越強，放大器的性能越優(yōu)良, 所以KcmR越大越好。理想情況下：雙端輸出的Kcm=b單端輸出的共模抑制比為：Ar叫2% 邑雙端輸出電路的總輸出電壓:單端輸出電路的總輸出電壓:例1 :集成運放BG305的輸入級如圖6.12所示，各BJT的B 1= B 2=30, B 3= B 4= B 5= B 6=50, 各 BJT 的

14、 VbE=0.7V , R）=100K, 艮=50K, Rf10K（滑動端調(diào)至中點），艮=1K, R即第二級的R 為 23.2K o求：（1）該放大級的靜態(tài)工點；（2）差動放大倍數(shù)Avd；（3）差動輸入電阻R，差動輸電阻Roo解耳十隔禺十氐 1001鼻 +館=辭=0 + 04 了心=°' 1氐冬4 *切（& 4 05陽 =15-0.15（50+5） «6.75K 切1 =厶s =越于二科 三菁三導(dǎo)=3jUA-1 *- = 0.1/1 = 100?az4A 30解（2）差動放大倍數(shù)A/DT 1瓦=0.7 ji = G =孑網(wǎng)知200 十(1 十饒)= 200+

15、 (1 + 30)- 269ZQ3x10 33x10仏-g - 200 + (1+ 50)p - »1KQ中屜十 3/Vi療 269 +31x9.1551卩怒隊儀-30x50-1500Rl = R + 0.5|0 5 =(50 + 5)|0.5 «23.2-9 6血150296551 *-26解（3）差動輸入、出電阻 R、Ro& =込勸）也= 2x(269+31x9 1)1 1MQ& 2& +心=2x0 + 10 = 110 返回第四節(jié)集成電路運算放大器 模擬集成電路的分類模擬集成電路按功能大致可分為：線性放大器、功率放大器、比較器、乘法器、穩(wěn)壓器、

16、（D/A、A/D）轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)器件等。其中線性放大器按性能可分為通用型和專用型。線性放大器中，發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的是集成運算放大電路。 圖6.13 示出部分運放的實物圖。*rl1、集成運放的基本組成框圖和符號（如圖6.14所示）6.13、簡單集成電路運算放大器厲t電時142、一個簡單的集成運放（如圖6.15所示）4-v +mvEZEL（1）直流分析：當片I十廠對，5=0L B i ASFn-如） &論1 = %廠N _ &盡_兀忍職二兀X* "鳥厶鳳* %c ° 4（鳥豐瓦）放大電路總增益的計算九-加吃臨略知鬆 %念/I十例張十甘0）坨 *=13.4毎.汝

17、“邑壘一如一空2百 嗨切耳2砌 島電=鳥/鬲=禺論十（"0）區(qū)憐+ 3砂= 5.1/f20800 5.1±Q貝廠如 如 如-129x（-2.6）x1- -335返回第五節(jié)集成電路運算放大器的主要參數(shù)1、輸入失調(diào)電壓Vio±(1-10)詁2、輸入偏置電流I IB4 （Sf + 4#耳匕。3、輸入失調(diào)電流I io1訕_0.閔圖6 164、溫度漂移AE/Ar±(10-20)/°C3應(yīng)幾個剛5、 最大差摸輸入電壓Vidmax6、 最大共摸輸入電壓Vcmax7、最大輸出電流 I Omax&開環(huán)電壓增益A/o運放在無外加反饋情況下對差模信號的電壓增

18、益201k4po/<1B/了 e 1*4 MHeL囚T皿Ln-r-.L &- 丄 -此 a a io 15*7a ic3他圖6 179、開環(huán)帶寬BWV( fH)10、單位增益帶寬 BWV( fT)11、轉(zhuǎn)換速率&返回第六節(jié) 場效應(yīng)管（FET）簡介 一、結(jié)型場效應(yīng)管（一） JFET的結(jié)構(gòu)和特點1、結(jié)構(gòu)G圖613場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖 6.18所示，它是在一塊N型半導(dǎo)體 的兩邊利用雜質(zhì)擴散出高濃度的P型區(qū)域，用P+表示，形成兩個P+N結(jié)。N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別稱為漏極D和源極So把兩邊的P區(qū)引出電極并連在一起稱為 柵極G 如果在漏、源極間加上正向電壓，N區(qū)中的多子（也

19、就是電子）可以導(dǎo)電。它們從源極 S出發(fā)，流向漏極D。電流方向N型的，故<D/w A |袒先斷軌跡毛 0-8r JZI區(qū) 5)=叱一吃mV臚由D指向S,稱為漏極電流Id.。由于導(dǎo)電溝道是 稱為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。2、特點V GS< 0, R很咼; 電壓控制器件; 單極性器件；3、N溝道JFET的輸出特性相應(yīng)的I D0.6048 10 121620 WV圖6 19在VgS=0時，溝道電阻最小，I d達到最大。當Vg< 0時，耗盡層變大，溝道電阻變大， 下降。因此形成圖6.19所示的特性曲線。4. JFET與BJT的特點比較 (1)場效應(yīng)管是電壓控制器件:通過Vgs控制i D。從輸

20、出特性看，各條不同輸出特性曲線的參變量是 乂8在恒流區(qū)，i D與Vds基本無關(guān)。并通過跨導(dǎo) gm=i D V gS Vds描述場效應(yīng)管的放大作用。而晶體管是通過i b控制i c。參變量是i b。放大區(qū)，i c與Vce基本無關(guān)。通過電 流放大系數(shù)B = C i b描述放大作用。(2) i G=0O所以，直流、交流 R都很高。而晶體管b極和e極 處于正偏狀態(tài)，be間R較?。簬浊W。(3) 場效應(yīng)管利用的是一種極性的多子導(dǎo)電(單極型器件)， 具有噪聲小，受外界 T及輻射的影響小等特點(溫度穩(wěn)定性 好)。(4) 由于場效應(yīng)管對稱，有時 D-S極可互換使用。各項性能基本不受影響。應(yīng)用時較方便、靈活。但若

21、制造時已將S和襯底連在一起，則 D-S不能互換。(5) 場效應(yīng)管的制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成，且所占面積小，集成度高。(6) M0S場效應(yīng)管R高，G極的感應(yīng)電荷不易泄放。SiO2層薄，G極與襯底間等效電容很小，感應(yīng)電荷少量即可形成高電壓，將S02擊穿而損壞管。存放管子時，應(yīng)將G-S短接，避免G極懸空。焊接時，烙鐵外殼應(yīng)接地良好，防止因烙鐵漏電而 擊穿管子。(7) 場效應(yīng)管的應(yīng)用場效應(yīng)管在恒流區(qū)內(nèi)工作時，當GS電壓變化AV gs時，D極電流相應(yīng)變化d。若將d通過較大的R_,從R_上取出 的厶Vo=4dR_，可能比AV gs大許多倍，即AV gs得到了放大。 所以場效應(yīng)管和晶體管一樣在電路中可起放大的作用