西安交通大學-趙進全-模擬電子技術基礎-第4章

4.1 集成運放概述集成電路——把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構成具有某種特定功能的電子電路。體積小，重量輕，成本低，可靠性高，組裝和調(diào)試的難度小。4集成運算放大器1.集成電路的主要特點2.集成電路的分類(1)按功能分a.模擬集成電路b.數(shù)字集成電路主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和電流信號。主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號。數(shù)字集成電路種類多，形式較為簡單，通用性強。(2)按集成度分

a.小規(guī)模集成電路（SSI—smallscaleintegrationcircuit)。

b.中規(guī)模集成電路（MSI—middlescaleintegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100個以下。集成度：一塊芯片上包含的元器件在100~1,000之間。

c.大規(guī)模集成電路（LSI—largescaleintegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在1,000~100,000之間。d.超大規(guī)模集成電路（VLSI—verylargescaleIntegrationcircuit)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100,000以上。e.目前的集成電路(a)已經(jīng)可以在一片硅片上集成幾千萬只，甚至上億只晶體管。(b)集成電路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大約每3年增加一倍。(d)出現(xiàn)了系統(tǒng)級芯片（SOC—systemonchip）。(e)集成電路逐步向集成系統(tǒng)（integratedsystem）的方向發(fā)展。(3)按制造工藝分a.半導體集成電路b.薄膜集成電路集成電路的元器件和電路由不到1mm厚的金屬半導體或金屬氧化物重疊而成。c.厚膜集成電路厚膜集成電路與薄膜集成電路基本相同，膜的厚度約幾微米到幾十微米。3.模擬集成電路的分類(1)線性集成電路輸出信號與輸入信號呈線性關系。(2)非線性集成電路線性集成電路有：集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關穩(wěn)壓電源等。線性集成電路有：集成運算放大器、集成音頻功率放大器、集成高頻、中頻放大器等。輸出信號與輸入信號呈非線性關系。4.集成運算放大器概述(1)集成運算放大器簡稱集成運放b.信號處理。(2)集成運算放大器的主要應用a.完成比例、求和、積分、微分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法等數(shù)字運算。c.波形產(chǎn)生。d.信號測量。(3)集成運放發(fā)展的三個階段a.通用型集成運放的廣泛使用。b.專用集成運放的出現(xiàn)。如高速型、高輸入電阻型、高壓型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。c.開發(fā)更高性能指標的產(chǎn)品，進一步提高集成度。(5)

是線性集成電路中發(fā)展最早、應用最廣、最為龐大的一族成員。

(3)輸出電阻小，幾百歐以下。(4)

通用型和靈活性強、成本低、用途廣、互換性好。5.集成運放的主要特點(1)電壓放大倍數(shù)高，103~105倍。(2)輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。(1)相鄰元器件的特性一致性好。(2)用有源器件代替無源器件。(3)二極管大多由三極管構成。(4)只能制作小容量的電容，難以制造電感和較大容量的電容(C>2000pF)。(5)電路采用直接耦合的方式。4.1.1 集成電路中元器件的特點4.1.2 集成運放的典型結構1.典型結構輸入級輸出級中間級偏置電路輸入輸出(1)偏置電路2.各部分的作用具有與輸出同相和反相的兩個輸入端，較高的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。為各級電路提供穩(wěn)定合適的偏置電流，并使整個運放的靜態(tài)工作點穩(wěn)定且功耗較小。(2)輸入級輸入級輸出級中間級偏置電路為負載提供足夠的電壓和電流，具有很小的輸出電阻和較大的動態(tài)范圍。主要進行電壓放大，具有很高的電壓增益。(3)中間級(4)輸出級輸入級輸出級中間級偏置電路3.集成運算放大器的電路符號同相輸入端反相輸入端輸出端–+4.2.1 典型差分放大電路4.2 集成運放中的基本單元電路1.電路組成+-+-+-+--+(1)電路特點a.電路兩邊對稱。b.兩管共用發(fā)射極電阻RE。c.具有兩個信號輸入端。d.信號既可以雙端，也可以單端輸出。+-+-+-+--+兩個輸入端信號電壓的差值是有用的，稱之為差模輸入信號，因而該電路稱為差分放大電路。(2)信號的輸入+-+-+-+--+(3)抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)當溫度T一定時(uI1=uI2=0)a.電路雙端輸出+-+-+-+--+(b)當溫度增加時在雙端輸出的情況下，漂移為零。+-+-+-+--+b.單端輸出時因射極電阻RE的負反饋作用可以抑制零點漂移+-+-+-+--+2．靜態(tài)分析直流通路+-+-+-+--+因為電路對稱，所以–+–+–+–+列輸入回路方程由此可得因–+–+–+–+–+–+–+–+3.動態(tài)分析(1)小信號差模特性差模信號記為當時的輸入信號+-+-+-+--+差模輸入時放大電路中的電流⊕由于電阻RE上無交流電流，T1、T2發(fā)射極虛地。⊕交流通路⊕由于故1)差模電壓放大倍數(shù)a.雙端輸出b.單端輸出(a)輸出uO1(b)輸出uO2c.RL時(a)雙端輸出負載電阻RL的中點虛地由于等效電路Aud與單級共射極電路電壓放大倍數(shù)相同?？梢?，差分放大電路是用“數(shù)量換質(zhì)量”。(b)單端輸出從T1的集電極輸出輸出與輸入反相從T2的集電極輸出輸出與輸入同相2)差模輸入電阻a.單端輸出時求Ro的等效電路3)輸出電阻Rob.雙端輸出時求Ro的等效電路(2)小信號共模特性共模信號記為當uIc1=uIc2時的輸入信號1)共模電壓放大倍數(shù)a.雙端輸出共模電壓共模電壓放大倍數(shù)由知故b.單端輸出交流通路，電壓放大倍數(shù)一般情況一般情況中故差分放大電路對共模信號有抑制作用，RE越大，抑制共模信號的能力越強。綜上所述單端輸出時雙端輸出時2)共模抑制比共模抑制比的定義或者a.雙端輸出b.單端輸出因3)共模輸入電阻交流通路，因為故4)輸出電阻雙端輸出時單端輸出時(3)任意輸入信號的分解既不是差模信號又不是共模信號的輸入信號任意信號++12差分放大電路uI2_uI1_令那么任意信號可以分解成差模和共模信號兩種性質(zhì)的輸入信號++12差分放大電路uI2_uI1_差分放大電路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意輸入信號分解示意圖++12差分放大電路uI2_uI1_uI1≠0，uI2=0特別的，對于單端輸入即或uI1=0，uI2≠

0單端輸入是一種特殊的雙端輸入形式+12差分放大電路uI_單端輸入電路)(2C1CuIdfii=、(4)大信號傳輸特性1-1線性區(qū)截止、飽和區(qū)截止、飽和區(qū)傳輸特性0246-2-4-6.0.10.9iC1、iC2UTuId/0.70.50.3+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(a)靜態(tài)工作點IC、UC之值；(b)uO及KCMR之值；(c)若將RL接在C1對地之間，求UC、uO

及KCMR；(d)

Rid、Ric和Ro之值。

[例]電路如圖所示。設T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。試求：[解]為了計算簡單，設調(diào)零電位器RW的滑動端在電位器的中間。(a)畫出放大電路的直流通路+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2直流通路(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2由圖可得由上兩式得因(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB則有(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB(b)根據(jù)題意+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(c)當RL在C1對地之間時經(jīng)整理可得(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2(d)差模輸入電阻共模輸入電阻+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2輸出電阻Ro雙端輸出時

單端輸出時

+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2雙端輸出單端輸出對于圖示電路4.2.2 帶恒流源的差分放大電路RE越大，KCMR越大，電路抑制共模信號的能力越強。+-+-+-+--+a.當VEE一定，IE減小，rbe增大，Aud減小。c.在集成電路中不易制作較大阻值的電阻。RE太大對電路的影響b.為了維持IE不變，必須提高電源電壓VEE。+-+-+-+--+恒流源的主要特點b.直流電阻較小a.具有很大的交流等效電阻恒流源通常采用恒流源來代替RE+-+-+-+--+當iB恒定，則iC恒定，晶體管相當于一個電流源。

當晶體管工作在放大區(qū)時，iC基本上與uCE無關，只取決于iB。晶體管恒流源晶體管恒流源工作原理RCE1rce1uCEiC=–++–帶恒流源的差分放大電路恒流源+-+-+-De+++---選擇R1和R2使IBQ3恒定，則IC3恒定。+-+-+-De+++---IC31．電流鏡電路T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(3)電路分析設由于UBE1=UBE2=UBE4.2.3 電流源電路–+–+當β>>2時所以IB1=IB2=IB故–+–+T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(3)電路分析由圖可知2．比例電流源電路–+–+由于故有–+–+3．微電流源電路T1和T2特性相同(1)電路組成(2)電路特點(3)電路分析由圖可知–+–+由得故有–+–+[例1]已知IR=0.73mA，IC2=20mA，求RE=?[解]由得–+–+[例2]在例1中，如果不用微電流源，而采用電流鏡，那么在VCC=15V時，欲獲IC2=20mA,求R=?[解]已知IC2=20mA,則RVCC/IR=750kWIR=20mA–+–++-+-4．電流源作有源負載的差分放大電路(1)電路組成代替RE，為T1、T2提供合適、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點代替RC，稱有源負載電流鏡比例電流源+-+-因為T5、T6組成電流鏡，所以a.當ui1=ui2時(2)電路分析忽略T5、T6的基極電流。則有

iC5

iC1

+-+-

iO=iC6

+

iC2=

iC5

–

iC1無共模信號輸出輸出電流

0+-+-b.當uI1=–

uI2時輸出電流

iO=

iC6

+

iC2=

iC1

+

iC2=2

iC1負載上得到了雙端輸出的電流+-+-用電流鏡取代差分放大電路的集電極電阻,以單端輸出的電路形式，實現(xiàn)了雙端輸出的功能。結論+-+-利用多個晶體管組成復合管，可以得到較大的電流放大系數(shù)值。4.2.4 復合管電路四種常見的復合管結構a.NPN管+NPN管b.PNP管+PNP管c.NPN管+PNP管dPNP管+NPN管常見的復合管結構a.NPN管+NPN管T1T2等效管T兩個NPN型管可以復合成一個NPN型管(a)等效管T1T2由圖可知(b)復合管的電流放大系數(shù)等效管TT1T2而由于等效管TT1T2故等效管TT1T2復合管的電流放大系數(shù)等效管TT1T2微變等效電路T1T2(c)復合管的輸入電阻rbeT1T2因為故復合管的輸入電阻T1T2b.PNP管+PNP管T1T2等效管(a)等效管兩個PNP型管可以復合成一個PNP型管T1T2T(b)復合管的及rbe等效管T1T2TT1T2c.NPN管+PNP管等效管T(a)等效管一個NPN和一個PNP型管可以復合成一個NPN型管T1T2(b)復合管的及rbe等效管TT1T2d.PNP管+NPN管T1T2等效管T(a)等效管一個PNP和一個NPN型管可以復合成一個PNP型管T1T2(b)復合管的及rbe等效管T1T2TRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_4.2.5 互補推挽放大電路1.電路組成2.電路主要特點(2)輸出電阻小(3)動態(tài)范圍大(4)帶載能力強(1)T1、T2參數(shù)相同3.工作原理(1)uI=0時T1、T2截止uO=0(2)uI>0時T1導通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0時T1截止、T2導通uO

uI4.輸出動態(tài)范圍5.電路存在的缺陷——交越失真當輸入電壓小于發(fā)射結死區(qū)電壓時，輸出電壓為零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交越失真的方法給T1、T2的發(fā)射結加一定的直流偏置，使其工作在微導通狀態(tài)?？朔皇д娴幕パa電路思考題1.差分放大電路中，單端輸出與雙端輸出在性能上有何區(qū)別？單端輸入與雙端輸入在性能上有何區(qū)別？3.差分放大電路中為什么要用恒流源代替公共發(fā)射極電阻RE?2.差分放大電路中，公共發(fā)射極電阻對共模信號有什么影響？為什么？對差模信號有什么影響？為什么？4.3.1 雙極型通用運放簡化電路4.3 通用集成運放反相輸入端同相輸入端輸出端+-+-輸入級+-中間級輸出級+輸入級+-+-中間級輸出級+4.3.2 CMOS運放4.4.1 交流參數(shù)1．開環(huán)差模電壓增益Aud

2．開環(huán)帶寬（–3dB帶寬）fH3．單位增益帶寬fBWG4．單位增益上升速率SR

4.4 運放的主要參數(shù)及簡化低頻等效電路5．建立時間Tset

6．最大差模輸入電壓UIDM

7．最大共模輸入電壓UICM

8．最大輸出電流IOM

9．輸出電壓峰——峰值Uopp0.1UomUomTset1．輸入失調(diào)電壓UIO2．輸入偏置電流IIB

3．輸入失調(diào)電流IIO

4．失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫漂

UIOT、IIOT

4.4.2

直流參數(shù)+-+-(+)(-)4.4.3 簡化低頻等效電路4.5.1幾種特殊用途的運放簡介4.5 其它集成運放1．高精度運算放大器2．高輸入阻抗運算放大器3．高速運算放大器4．低功耗運算放大器5．高壓運算放大器跨導型運算放大器的簡化電路4.5.2 跨導運放+-+-跨導運算放大器電路符號gmuIdiOu_u++–+電流模電路具有與閉環(huán)增益無關的近似恒定帶寬1．電流模電路基礎(1)電流模電路的一般概念4.5.3電流模運放電流模（電流型）電路:以電流為參量傳遞信號電壓模（電壓型）電路:以電壓為參量傳遞信號(2)跨導線性的基本概念工作在放大區(qū)的雙極型晶體管，當UBE>100mV時跨導(3)跨導線性回路原理四個晶體三極管發(fā)射結構成的閉合回路，稱為跨導線性回路，也稱為跨導線性環(huán)。任意偶數(shù)n個發(fā)射結ISj與發(fā)射區(qū)面積Aj成正比(4)甲乙類推挽電流模電路T1+VCCT2_VEET3T4跨導線性回路如各晶體管發(fā)射區(qū)面積相等則有若iI=0，則B2C1CIii==iC2=iC1+iI若iI0，則由以上各式得電路工作在甲類狀態(tài)。IIBi<<當時，(a)T1+VCCT2_VEET3T4IIBi>>(b)當時或電路工作在乙類狀態(tài)。T1+VCCT2_VEET3T4+YT1T2同相輸入端T3T4–反相輸入端XZT9T10T5T6T11T12uO+VCC_VEE2．電流模運算放大器(1)電流模運算放大器工作原理(2)電流模運算放大器的基本特性+1RiIi?RZCZ+1Ii?uo+–XYZ思考題通用型集成運