模擬電路講義6模擬集成電路課件

開始上課吧！1第六章模擬集成電路6.1集成電路運算放大器中的電流源6.2差分式放大電路6.3集成電路運算放大器6.4集成電路運算放大器的主要參數2

把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構成特定功能的電子電路。1.就集成度分：小規(guī)模﹑中規(guī)模﹑大規(guī)模﹑超大規(guī)模（每塊芯片上可有上億個元件）2.就導電類型分：雙極型﹑單極型﹑兩者兼容型3.就功能分：數字集成電路﹑模擬集成電路集成電路：分類：3（2）為克服直接耦合電路的溫度漂移，常采用差分式放大電路作為輸入級（3）盡量采用BJT（或FET）代替電阻﹑電容和二極管等元件在集成電路制造工藝中，制造三極管（特別是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面積小，性能好。因此常用BJT（或FET）構成恒流源作偏置電阻；將BJT的基極和集電極短接構成二極管﹑穩(wěn)壓管等；用復合管﹑共射—共基﹑共集—共基等組合電路來改善單管電路的性能。51.鏡像電流源2.微電流源3.電流源用作有源負載6.1集成電路運算放大器中的電流源61.鏡像電流源設T1﹑

T2參數完全相同。β1=β2，ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2，IE1=IE2，IC1=IC2

存在問題：當β不夠大時，IC2與IREF差異較大IC2

＝IC1≈IREF

＝（Vcc—VBE）/R≈Vcc/RRRcT1T2Vcc2IBIREFIC1IE1IC2IC2相當于基準電流IREF的鏡像無論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。72.微電流源IREFIC1IE2IC2RRe22IBT1T2Vcc∴IE2Re2=VBE1－VBE2∵IE2Re2+VBE2=VBE1（KVL方程）IE2=（VBE1－VBE2）/Re2

=

⊿VBE/Re2

≈IC2∵⊿VBE的數值很小∴IC2亦很小，故稱為微電流源IREF＝（Vcc—VBE1）/R≈Vcc/R

當電源變化時→IREF變化→⊿VBE變化很小→IC2變化很?。ㄟh小于IREF的變化）

∴IC2較穩(wěn)定93.電流源作有源負載共射電路的電壓增益為：

對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，一般在幾百千歐以上因此增益為比用電阻Rc作負載時提高了。end放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO10開始上課吧！116.2.0概述1.直接耦合放大電路可以放大直流信號2.直接耦合放大電路的零點漂移零漂：主要原因：溫漂指標：#為什么一般的集成運算放大器都要采用直接耦合方式？溫度變化引起，也稱溫漂。輸入短路時，輸出仍有緩慢變化的電壓產生。溫度每升高1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。電源電壓波動也是原因之一13例如若第一級漂了100uV，則輸出漂移1V。若第二級也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設

第一級是關鍵3.減小零漂的措施用非線性元件進行溫度補償采用差分式放大電路漂了100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV14共模抑制比反映抑制零漂能力的指標4.差分式放大電路中的一般概念根據1、2兩式又有差分式放大電路輸入輸出結構示意圖+-vi1+-vi2+-vo1差放vo2+-+-vid+-vo差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓差模等效輸入方式差放+-vid差放+-vid(a)(b)共模等效輸入方式差放+-vic差模信號輸出共模信號輸出15動態(tài)僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。1.電路組成及工作原理（分析）17動態(tài)僅輸入共模信號，大小相等，相位相同。大小相等，輸出信號為零。相位相同。則1.電路組成及工作原理（分析）182.抑制零點漂移溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產生變化。且變化趨勢是相同的，差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用。其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。193.主要指標計算（1）差模電壓增益接入負載時（雙入、雙出交流通路）<B>雙入、單出以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出接入負載時213.主要指標計算（1）差模電壓增益<C>單端輸入等效于雙端輸入指標計算與雙端輸入相同22（2）共模電壓增益<A>雙端輸出共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益<B>單端輸出抑制零漂能力增強Rc1Rc2T1T22ro2ro234.幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出254.幾種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出26與共源電路相同6.2.2FET差分式放大電路1.電路組成2.差模增益3.差模輸入電阻276.3集成電路運算放大器二.簡單的集成電路運算放大器一.集成電路運放內部組成原理框圖AV-+NPVO29集成放大電路的特點集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)集成電路按其功能分數字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數/模和模/數轉換器等。30集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式31集成運算放大電路特點：1.對稱性好，適用于構成差分放大電路。

2.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。

3.在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。

4.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。

5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常橫向PNP管的很小僅為2～20倍，縱向PNP管的

可以做的較大；而NPN管的則可做到高達千倍以上。32集成運放的基本組成部分實質上是一個具有高放大倍數的多級直接耦合放大電路。集成運放的基本組成輸入級中間級輸出級偏置電路偏置電路向各放大級提供合適的偏置電路，確定各級靜態(tài)工作點。33

輸入級中間級輸出級

偏置電路Vi1Vi2Vo一.集成電路運放內部組成原理框圖級間直接耦合功放電壓（流）放大恒流源差分式輸入34二.簡單的運算放大器電路R1R2T1T2T7T8R8T4T3R4R3R7T9T6T5R6R5—VEE+VCCvi1+－vi2－+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREF電路特點:Vid=Vi1-Vi2=0Vo=0

35R1R2T1T2差分式放大電路T7T8R8鏡像電流源電路T4T3R4R3中間級R7T9電流源T6T5R6R5輸出級—VEE+VCCvi1+－vi2－+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREFRi2Ro1Ri3Ro21.電路分析362.電路計算⑴放大電路的直流計算37⑵放大電路總電壓增益AV的計算結論:多級放大電路的增益等于各級放大電路的增益之積=AVD·

AV2·

AV3vi1-vi2vo1·vo2vo1·vovo2AV=其中：①輸入級的電壓增益AVD②電壓放大級的電壓增益AV2③輸出級的電壓增益AV3近似為138典型的集成運放雙極型集成運放F007CMOS集成運放C14573(一)引腳

☆雙極型集成運放F007

F007的引腳及連接示意圖(a)(b)連接示意圖39(二)電路原理圖F007電路原理圖401.偏置電路+VCCVT8-VEEVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC12至輸入級至中間級基準電流：基準電流產生各放大級所需的偏置電流。各路偏置電流的關系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級鏡像電流源中間級輸出級F007的偏置電路412.輸入級

VT1、VT2、VT3、VT4組成共集-共基差分放大電路電路；VT1、VT2

基極接收差分輸入信號。VT5、VT6

有源負載；

VT4

集電極送出單端輸出信號至中間級。uI2uO

RW

調零電阻，R外接電阻。

VT7

與R2組成射極輸出器。+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9uI42若暫不考慮VT7

和調零電路則電路可簡化為：+VCC-VEEI3,4VT4VT2VT3VT1I8RCRCuI1uI2uO

1.VT1、VT2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。

2.共基組態(tài)的VT3、VT4，與有源負載VT5、VT6組合，可以得到很高的電壓放大倍數。

3.VT3、VT4共基接法能改善頻率響應。

4.該電路具有共模負反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。433.中間級中間級示意圖+VCC-VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF輸入來自VT4

和VT6集電極；輸出接在輸出級的兩個互補對稱放大管的基極。中間級VT16、VT17

組成復合管，VT13作為其有源負載。

8、9兩端外接30pF校正電容防止產生自激振蕩。444.輸出級IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD1R9R10VT19VT18R7VT15VD2

VT14、VT18

、VT19

準互補對稱電路；

VD1、VD2

、R9、R10

過載保護電路；

VT15

、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調節(jié)R7、R8阻值可調節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

擴大電路。456.4集成運放的主要技術指標集成運算放大器的符號+A反相輸入端同相輸入端輸出端一、開環(huán)差模電壓增益Aod(或AVO)一般用對數表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無窮大；實際情況Aod

為100~140dB。46二、輸入失調電壓UIO三、輸入失調電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。一般運放：UIO

為1~10mV；高質量運放：UIO

為1mV以下。定義：一般運放為每度10~20V；高質量運放低于每度0.5V以下；47四、輸入失調電流IIO五、輸入失調電流溫漂IIO當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即定義：一般運放為幾十~一百納安；高質量的低于1nA。定義：一般運放為每度幾納安；高質量的每度幾十皮安。48六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。定義：輸入差模信號時的輸入電阻一般集成運放為幾兆歐。定義：多數集成運放在80dB以上，高質量的可達160dB。49九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH（又稱開環(huán)帶寬BW）表示Aod

下降3dB時的頻率。一般集成運放fH只有幾赫至幾千赫。50十二、單位增益帶寬BWG

Aod

降至0dB時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數等于1。十三、轉換速率SR

額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的SR

值。其他技術指標還有：最大輸出電壓、最大輸出電流、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。516.5理想運算放大器6.5.1理想運放的技術指標開環(huán)差模電壓增益Aod=∞；輸出電阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模輸入電阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；輸入偏置電流IIB=0；-3dB帶寬fH=∞，等等。526.5.2理想運放工作在線性區(qū)時的特點輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系，即+Aod理想運放工作在線性區(qū)特點：1.理想運放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”532.理想運放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個輸入端均沒有電流，即——“虛斷”+Aod546.5.3理想運放工作在非線性區(qū)時的特點傳輸特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成運放的傳輸特性55理想運放工作在非線性區(qū)特點：當u+>u-

時，uO=+UOPP當u+<u-時,uO=-

UOPP

1.uO

的值只有兩種可能在非線性區(qū)內，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運放的輸入電流等于零566.6各類集成運放的性能特點一、高精度型性能特點：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。二、低功耗型性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個數量級(不超過毫瓦級)，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。57三、高阻型性能特點：通常利用場效應管組成差分輸入級，輸入