模擬電子技術(shù)(第2版)高吉祥課件chapter-4

1、一、集成電路（IC）概述 在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。二、模擬集成電路的分類（三種分類方法） 1、按結(jié)構(gòu)工藝分：半導(dǎo)體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路； 2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路； 3、按功能分：模擬集成電路、數(shù)字集成電路.4.1 集成電路的特點(diǎn)及基本電路結(jié)構(gòu)1三、模擬集成電路的特點(diǎn) 1.同在一塊硅片上制造，元件參數(shù)的一致性很好。 2.電路中電阻元件一般由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐20千歐左右，另外電阻值的精度

2、不易控制，誤差在20%30%左右。 3.電路中電容值也不大(幾十PF)。 4.集成電路存在溫漂。 5.電路中的二極管多用作溫度補(bǔ)償或電位移動(dòng).運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)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的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。集成電路中第一級(jí)常采用差動(dòng)電路。(為克服或減小溫漂)2基本恒電流源(鏡象電流源)電路4.2 電流源電路三極管T1、T2匹配動(dòng)態(tài)輸出電阻：3在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。其電路下圖所示。比例電流源4.2.1 比例電流源因兩三極管基極對(duì)地電位相等，于是有：4 微電流源

3、電路如圖04.05所示，通過(guò)接入Re電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路中。微電流源4.2.2 微電流源由圖可得：5Io與IR的關(guān)系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D= 一般有IS1= IS2，所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI=D=因 小， 。同時(shí) 的穩(wěn)定性也比 好。DVBEIoRC，共模放大倍數(shù)Auc0。16可見(jiàn)在雙端輸出情況下差模放大電路對(duì)共模信號(hào)抑制作用：1.依靠電路的對(duì)稱性；2.依靠RE的負(fù)反饋?zhàn)饔谩２顒?dòng)放大電路抑制共

4、模能力用共模抑制比KCMR來(lái)衡量。通常也用分貝(dB)表示：共模抑制比越大，抑制能力越強(qiáng)。雙端輸出電路輸出電阻：RO=2RC17二、單端輸出負(fù)載接在差動(dòng)放大電路的一個(gè)集電極和地之間，稱為。半電路電壓放大倍數(shù)：?jiǎn)味溯敵霾钅ｋ妷悍糯蟊稊?shù)：?jiǎn)味溯敵霾钅ｋ妷悍糯蟊稊?shù)是雙端輸出電路的一半。18差模放大倍數(shù)通常以總輸入ui(包括 和 )求解，共模放大倍數(shù)通常以單邊輸入求解。其實(shí)單端輸出時(shí)差模和共模放大倍數(shù)都為單邊放大倍數(shù)，但由于求解總差?；蚬材ｋ妷悍糯蟊稊?shù)時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的約定不一樣，所以有：?jiǎn)味溯敵隹傠娐返牟钅ｋ妷悍糯蟊稊?shù)是單邊電路自身電壓放大倍數(shù)的一半；單端輸出總電路的共模電壓放大倍數(shù)是單邊電路自身電壓放

5、大倍數(shù)。19單端輸出電路輸出電阻：RO=RC在單端輸出情況下，抑制共模僅靠RE的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?.3.4 單端輸入差動(dòng)放大電路輸入信號(hào)加在差動(dòng)放大電路一邊，另一邊輸入端接地，稱為。單端輸入等效成雙端輸入。差模放大倍數(shù)，共模放大倍數(shù)都只取決輸出電路形式。輸入電阻與雙端輸入時(shí)一樣：20(1)差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān),只與輸出方式有關(guān): 差動(dòng)放大器動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié)雙端輸出時(shí)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)：(2)共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān),只與輸出方式有關(guān):雙端輸出時(shí)：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)：21(3)差模輸入電阻不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。單端輸出時(shí)： (4

6、)輸出電阻雙端輸出時(shí)：224.3.5 具有恒流源的差動(dòng)電路RE越大，抑制共模能力越強(qiáng)。但RE增大受直流電壓VEE有限制。由于恒流源有直流電阻較小、動(dòng)態(tài)電阻大的特點(diǎn)，用恒流源取代RE，可以提高電路的共模抑制比。234.4 直流電平移動(dòng)電路直接耦合電路中，如采用NPN共射放大，則VCVB，多級(jí)電路時(shí)，從前至后各級(jí)VC將依次上升，最終使輸出直流電平比輸入直流電平高很多。對(duì)供電電源要求高，所以必須進(jìn)行直流電平移動(dòng)。方法一：利用恒流源直流電阻小，動(dòng)態(tài)電阻大特點(diǎn)，用電阻與恒流源串聯(lián)分壓降低電平，同時(shí)保障交流信號(hào)電壓不受大的影響。24方法二：利用NPN和PNP管配合實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)移。因?yàn)镹PN管VCVB，PNP

7、管VBVC。利用它們互補(bǔ)來(lái)完成電平轉(zhuǎn)移。254.5 復(fù)合管結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)26二、參數(shù)復(fù)合管的等效類型(NPN或PNP)由輸入管確定。構(gòu)成管合管的原則是內(nèi)部電流方向一致。bec1IB1(1+1)IB1IB1(1+1)(1+ 2)IB1(1+1)2IB1IC復(fù)合管輸入電阻：274.6 集成運(yùn)算放大器的輸出電路工作原理：b)ui為正半周時(shí)，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負(fù)半周時(shí)，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負(fù)。兩管交替工作，在負(fù)載電阻RL上得到完整的正弦波。 1.互補(bǔ)對(duì)稱射極輸出電路a)由于電路對(duì)稱，當(dāng)ui=0時(shí)，uo=0。28輸入輸出波形圖交越失真死區(qū)電壓uiuououo292.

8、 克服交越失真的互補(bǔ)對(duì)電路靜態(tài)時(shí)，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、 D2的正向?qū)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇?dǎo)通狀態(tài),以消除交越失真。 電路中增加 D1、D2工作原理：304.7 集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介集成運(yùn)放：高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻采用直接耦合，存大零點(diǎn)漂移問(wèn)題，輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大電路；為了取得大的電壓放大倍數(shù)，中間級(jí)常采用共射放大電路；為了提高帶負(fù)載能力，輸出級(jí)常采用互補(bǔ)功率放大電路。31輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路4.7.1 F007雙極型集成運(yùn)算放大器AB（動(dòng)畫(huà)演示）324.7.2 COMS集成運(yùn)算放大器1. C14573集成運(yùn)算放大電路332. 5G7650集成運(yùn)算

9、放大電路34運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運(yùn)算放大器本身的特點(diǎn)而設(shè)立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運(yùn)算放大器，對(duì)某些項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有特殊要求的是各種特種運(yùn)算放大器。4.8 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.輸入直流參數(shù)(1)輸入失調(diào)電壓UIO：(input offset voltage)輸入電壓為零時(shí)，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(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。35(3)輸入偏置電流IIB：(input bias current)運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。(2) 輸入失調(diào)電壓溫漂

10、aUIO：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值dUIO /dT 。(4)輸入失調(diào)電流IIO：(input offset current)運(yùn)放輸入時(shí)，兩個(gè)輸入端輸入偏置的直流電流值之差。36(5)輸入失調(diào)電流溫漂aIIO：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值dIIo /dT 。2.差模特性參數(shù)(1)差模開(kāi)環(huán)電壓增益Audo：(open loop voltage gain)運(yùn)放不加反饋稱為開(kāi)環(huán)。此時(shí)的電壓放大倍數(shù)稱為開(kāi)環(huán)增益。常用分貝dB表示。分貝數(shù)為：20lg| Audo|。(2)差模輸入電阻rid：(input resistance)

11、開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。(3)差模輸出電阻rod：(output resistance) 運(yùn)放的輸出電阻。37(4)-3dB帶寬fH：運(yùn)放增益Aod下降到0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率。(5)最大輸入差模電壓Uidm：指運(yùn)放兩輸入端之間允許加的最大電壓。3.共模特性參數(shù)(1)共模抑制比KCMR：差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)比值的絕對(duì)值。(2)最大輸入共模電壓Uicm：允許輸入的最大共模電壓值，超過(guò)此值，共模掏能力會(huì)嚴(yán)重惡化。38(1)上升速率SR：表示運(yùn)放對(duì)大信號(hào)階躍輸入響應(yīng)速度的參數(shù)。定義為單們時(shí)間內(nèi)輸出電壓的最大變化率。4.其它參數(shù)(2)輸出電壓的最大擺幅：在標(biāo)稱電壓和額定

12、負(fù)載下，運(yùn)放的交流輸出信號(hào)不出現(xiàn)明顯非線性失真，運(yùn)放所能達(dá)到的最大輸出電壓峰值。4.9 集成運(yùn)算放大器的電路模型五個(gè)引腳：+VCC、-VEE、同相輸入端、反相輸入端、輸出端.在同相端輸入信號(hào)，輸出與輸入同相；在反相端輸入信號(hào)，輸出與輸入反相。394.9.1 集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓傳輸特性集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)狀態(tài)工作時(shí)，有兩種狀態(tài)：線性放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。40當(dāng)輸入差動(dòng)電壓超過(guò)一定范圍，即發(fā)生正向飽和(輸出趨于+VCC)或發(fā)生反向飽和(輸出趨于-VEE)。當(dāng)輸入限定在規(guī)定范圍內(nèi)，放大器線性放大信號(hào)。414.9.2 集成運(yùn)算放大器線性工作的低頻模型低頻時(shí)，只考慮一些重要參數(shù)。如Aud、KCMR、rid

13、、ro、IB、UIO、IIO等。模型中有兩個(gè)受控源，一個(gè)表示差模信號(hào)的作用，一個(gè)表示共模信號(hào)的作用。42如忽略失調(diào)參數(shù)影響，并認(rèn)為KCMR無(wú)窮大，電路模型可大為簡(jiǎn)化。4.9.3 集成運(yùn)算放大器的理想化模型理想運(yùn)算放大器的條件：43差模電壓放大倍數(shù) Aud=共模抑制比 KCMR= 輸入電阻 Rid=輸出電阻 Ro=0輸入偏置電流 IIB=0輸入失調(diào)電流 IIO=0輸入失調(diào)電壓 UIO=0開(kāi)環(huán)帶寬 fH= 44 理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性,這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用.為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋)下工作。 (1)虛短：由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用

14、型運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。45“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。(2)虛斷：由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路,且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路。 “虛斷”是指在分析運(yùn)放處于

15、線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路,簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。46例4.9.1：有一理想運(yùn)算放大器組成的電路如圖所示，試求輸出電壓的表達(dá)式和電壓放大倍數(shù)。根據(jù)虛斷Ii 0，故V+0且Ii If根據(jù)虛短，V+ V- 0Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1Vo If Rf =Vi Rf /R1電壓增益：Avf= Vo /Vi =Rf /R1根據(jù)上述關(guān)系式，該電路可用于反相比例運(yùn)算。反相比例運(yùn)算電路47例4.9.2：有一理想運(yùn)算放大器組成的電路如圖所示，試求輸出電壓的表達(dá)式和電壓放大倍數(shù)。根據(jù)虛斷，Vi =V+根據(jù)虛短，Vi =V+ V- V+= Vi = Vo R1 /(R1+ Rf)Vo Vi 1+(Rf /R1) 電壓增益：Avf= Vo /Vi =1+(Rf /R1)根據(jù)上述關(guān)系式，該電路可用于同相比例運(yùn)算。同相比例運(yùn)算電路48運(yùn)算放大器外形圖49本章小結(jié)1.集成運(yùn)放實(shí)際上是一個(gè)高性能的直接耦合的多級(jí)放大電路。輸入級(jí)通常采用差動(dòng)放大電路,中間級(jí)為放大倍數(shù)高的共射，輸出級(jí)多采用輸出電阻低的互補(bǔ)電路，偏置電路是多路恒流源電路。2