模擬電子技術(第2版)高吉祥課件chapter-4

1、一、集成電路（IC）概述 在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅片上，構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、按結構工藝分：半導體集成電路、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、數字集成電路.4.1 集成電路的特點及基本電路結構1三、模擬集成電路的特點 1.同在一塊硅片上制造，元件參數的一致性很好。 2.電路中電阻元件一般由硅半導體的體電阻構成，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償或電位移動.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的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。集成電路中第一級常采用差動電路。(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匹配動態(tài)輸出電阻：3在鏡象電流源電路的基礎上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關系，即可構成比例電流源。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地電位相等，于是有：4 微電流源

3、電路如圖04.05所示，通過接入Re電阻得到一個比基準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的關系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D= 一般有IS1= IS2，所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI=D=因 小， 。同時 的穩(wěn)定性也比 好。DVBEIoRC，共模放大倍數Auc0。16可見在雙端輸出情況下差模放大電路對共模信號抑制作用：1.依靠電路的對稱性；2.依靠RE的負反饋作用。差動放大電路抑制共

4、模能力用共模抑制比KCMR來衡量。通常也用分貝(dB)表示：共模抑制比越大，抑制能力越強。雙端輸出電路輸出電阻：RO=2RC17二、單端輸出負載接在差動放大電路的一個集電極和地之間，稱為。半電路電壓放大倍數：單端輸出差模電壓放大倍數：單端輸出差模電壓放大倍數是雙端輸出電路的一半。18差模放大倍數通常以總輸入ui(包括 和 )求解，共模放大倍數通常以單邊輸入求解。其實單端輸出時差模和共模放大倍數都為單邊放大倍數，但由于求解總差?；蚬材ｋ妷悍糯蟊稊禃r對輸入信號的約定不一樣，所以有：單端輸出總電路的差模電壓放大倍數是單邊電路自身電壓放大倍數的一半；單端輸出總電路的共模電壓放大倍數是單邊電路自身電壓放

5、大倍數。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的負反饋作用。4.3.4 單端輸入差動放大電路輸入信號加在差動放大電路一邊，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，共模放大倍數都只取決輸出電路形式。輸入電阻與雙端輸入時一樣：20(1)差模電壓放大倍數與單端輸入還是雙端輸入無關,只與輸出方式有關: 差動放大器動態(tài)參數計算總結雙端輸出時：單端輸出時：(2)共模電壓放大倍數與單端輸入還是雙端輸入無關,只與輸出方式有關:雙端輸出時：單端輸出時：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： (4

6、)輸出電阻雙端輸出時：224.3.5 具有恒流源的差動電路RE越大，抑制共模能力越強。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、動態(tài)電阻大的特點，用恒流源取代RE，可以提高電路的共模抑制比。234.4 直流電平移動電路直接耦合電路中，如采用NPN共射放大，則VCVB，多級電路時，從前至后各級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。對供電電源要求高，所以必須進行直流電平移動。方法一：利用恒流源直流電阻小，動態(tài)電阻大特點，用電阻與恒流源串聯分壓降低電平，同時保障交流信號電壓不受大的影響。24方法二：利用NPN和PNP管配合實現電平轉移。因為NPN管VCVB，PNP

7、管VBVC。利用它們互補來完成電平轉移。254.5 復合管結構一、結構26二、參數復合管的等效類型(NPN或PNP)由輸入管確定。構成管合管的原則是內部電流方向一致。bec1IB1(1+1)IB1IB1(1+1)(1+ 2)IB1(1+1)2IB1IC復合管輸入電阻：274.6 集成運算放大器的輸出電路工作原理：b)ui為正半周時，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負半周時，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負。兩管交替工作，在負載電阻RL上得到完整的正弦波。 1.互補對稱射極輸出電路a)由于電路對稱，當ui=0時，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對電路靜態(tài)時，T1、T2兩管發(fā)射結電壓分別為二極管D1、 D2的正向導通壓降，致使兩管均處于微弱導通狀態(tài),以消除交越失真。 電路中增加 D1、D2工作原理：304.7 集成運算放大電路簡介集成運放：高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻采用直接耦合，存大零點漂移問題，輸入級都采用差動放大電路；為了取得大的電壓放大倍數，中間級常采用共射放大電路；為了提高帶負載能力，輸出級常采用互補功率放大電路。31輸入級中間級輸出級偏置電路4.7.1 F007雙極型集成運算放大器AB（動畫演示）324.7.2 COMS集成運算放大器1. C14573集成運算放大電路332. 5G7650集成運算

9、放大電路34運算放大器的技術指標很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據運算放大器本身的特點而設立的。各種主要參數均比較適中的是通用型運算放大器，對某些項技術指標有特殊要求的是各種特種運算放大器。4.8 集成運算放大器的主要參數1.輸入直流參數(1)輸入失調電壓UIO：(input offset voltage)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電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。35(3)輸入偏置電流IIB：(input bias current)運放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。(2) 輸入失調電壓溫漂

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

11、開環(huán)狀態(tài)下，輸入差模信號時，運放的輸入電阻。(3)差模輸出電阻rod：(output resistance) 運放的輸出電阻。37(4)-3dB帶寬fH：運放增益Aod下降到0.707倍時，所對應的頻率。(5)最大輸入差模電壓Uidm：指運放兩輸入端之間允許加的最大電壓。3.共模特性參數(1)共模抑制比KCMR：差模放大倍數與共模放大倍數比值的絕對值。(2)最大輸入共模電壓Uicm：允許輸入的最大共模電壓值，超過此值，共模掏能力會嚴重惡化。38(1)上升速率SR：表示運放對大信號階躍輸入響應速度的參數。定義為單們時間內輸出電壓的最大變化率。4.其它參數(2)輸出電壓的最大擺幅：在標稱電壓和額定

12、負載下，運放的交流輸出信號不出現明顯非線性失真，運放所能達到的最大輸出電壓峰值。4.9 集成運算放大器的電路模型五個引腳：+VCC、-VEE、同相輸入端、反相輸入端、輸出端.在同相端輸入信號，輸出與輸入同相；在反相端輸入信號，輸出與輸入反相。394.9.1 集成運算放大器的開環(huán)電壓傳輸特性集成運放在開環(huán)狀態(tài)工作時，有兩種狀態(tài)：線性放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。40當輸入差動電壓超過一定范圍，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)。當輸入限定在規(guī)定范圍內，放大器線性放大信號。414.9.2 集成運算放大器線性工作的低頻模型低頻時，只考慮一些重要參數。如Aud、KCMR、rid

13、、ro、IB、UIO、IIO等。模型中有兩個受控源，一個表示差模信號的作用，一個表示共模信號的作用。42如忽略失調參數影響，并認為KCMR無窮大，電路模型可大為簡化。4.9.3 集成運算放大器的理想化模型理想運算放大器的條件：43差模電壓放大倍數 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輸入失調電流 IIO=0輸入失調電壓 UIO=0開環(huán)帶寬 fH= 44 理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性,這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用.為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)(負反饋)下工作。 (1)虛短：由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用

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

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