西安交大模電集成運算放大電路詳解演示文稿

西安交大模電集成運算放大電路詳解演示文稿目前一頁\總數一百一十四頁\編于二十點（優(yōu)選）西安交大模電集成運算放大電路目前二頁\總數一百一十四頁\編于二十點(2)按集成度分

a.小規(guī)模集成電路（SSI：smallscaleintegrationcircuit)一塊芯片上包含的元器件在100個以下。

b.中規(guī)模集成電路（MSI：middlescaleintegrationcircuit)一塊芯片上包含的元器件在100~1000之間。

c.大規(guī)模集成電路（LSI：largescaleintegrationcircuit)一塊芯片上包含的元器件在1000~100000之間。目前三頁\總數一百一十四頁\編于二十點d.超大規(guī)模集成電路（VLSI：verylargescaleintegrationcircuit)一塊芯片上包含的元器件在100000以上。d.目前的集成電路：(a)已經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。目前四頁\總數一百一十四頁\編于二十點(e)集成電路逐步向集成系統(tǒng)（integratedsystem）的方向發(fā)展。(c)集成電路仍在高速發(fā)展。集成度每2~4年增加一倍。(d)出現的系統(tǒng)級芯片（SOC—systemonchip）。(3)按制造工藝分a.半導體集成電路將元器件和電路集成在一塊硅片上。目前五頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.薄膜集成電路c.厚膜集成電路集成電路的元器件和電路由不到一微米厚的金屬半導體或金屬氧化物重疊而成。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。目前六頁\總數一百一十四頁\編于二十點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）非線性集成電路集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關穩(wěn)壓電源等。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。目前七頁\總數一百一十四頁\編于二十點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功能a.完成比例、求和、積分、微分、對數、反對數、乘法等數字運算。c.波形產生。目前八頁\總數一百一十四頁\編于二十點(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。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)更高性能指標的產品，進一步提高集成度。目前九頁\總數一百一十四頁\編于二十點(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)電壓放大倍數高，103~105倍。(2)輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。目前十頁\總數一百一十四頁\編于二十點(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，不能制造電感(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目前十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點4.1.2 集成運算放大器的典型結構輸入級輸出級中間級偏置電路輸入輸出1.典型結構目前十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點（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。為各級電路提供直流偏置電流，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目前十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點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目前十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點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–+目前十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點4.2.1 典型差分放大電路4.2 集成運算放大器中的基本單元電路1.電路的組成+-+-+-+--+目前十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點(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.信號可以雙端或單端輸出。+-+-+-+--+目前十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點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+-+-+-+--+目前十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點（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+-+-+-+--+目前十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點(b)當溫度增加時在雙端輸出的情況下，漂移為零。+-+-+-+--+目前二十頁\總數一百一十四頁\編于二十點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+-+-+-+--+目前二十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點2．靜態(tài)分析直流通路+-+-+-+--+目前二十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點因為電路對稱，所以–+–+–+–+目前二十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點列輸入回路方程由此可得因–+–+–+–+目前二十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點–+–+–+–+目前二十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點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+-+-+-+--+目前二十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點差模輸入時放大電路中的電流⊕目前二十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點由于電阻RE上無交流電流T1、T2發(fā)射極虛地。⊕目前二十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點交流通路⊕目前二十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點由于故目前三十頁\總數一百一十四頁\編于二十點1）差模電壓放大倍數a.雙端輸出目前三十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.單端輸出(a)輸出uO1目前三十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點(b)輸出uO2目前三十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點c.RL時(a)雙端輸出負載電阻RL的中點虛地。由于目前三十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點等效電路目前三十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點Aud與單級共射極電路電壓放大倍數相同?？梢?，差分放大電路是用“數量換質量”。目前三十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點(b)單端輸出從T1的集電極輸出輸出與輸入反相目前三十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點從T2的集電極輸出輸出與輸入同相目前三十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點2)差模輸入電阻目前三十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點a.單端輸出時求Ro的等效電路3)輸出電阻Ro目前四十頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.雙端輸出時求Ro的等效電路目前四十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點（2）小信號共模特性共模信號記為當uIc1=uIc2時的輸入信號目前四十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點1)共模電壓放大倍數a.雙端輸出共模電壓共模電壓放大倍數由知故目前四十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.單端輸出交流通路，目前四十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點電壓放大倍數實際中目前四十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點一般電路中故目前四十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點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。由討論可知：單端輸出時雙端輸出時目前四十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點2)共模抑制比共模抑制比的定義或者a.雙端輸出目前四十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.單端輸出因目前四十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點3)共模輸入電阻交流通路，目前五十頁\總數一百一十四頁\編于二十點因為故目前五十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點4)共模輸出電阻因為輸出只與電路的結構有關，而與輸入信號的性質（共模、差模）無關。所以輸出電阻雙端輸出時單端輸出時目前五十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點（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_目前五十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點令那么任意信號可以分解成差模和共模信號++12差分放大電路uI2_uI1_目前五十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點差分放大電路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意輸入的等效電路++12差分放大電路uI2_uI1_目前五十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點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_單端輸入電路目前五十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點)(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目前五十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點例電路如圖所示。設T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uId=50mV，uIc=1V，試求：

+-+-+-+-+-(-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。

目前五十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點解:為了計算簡單，設調零電位器RW的滑動端在電位器的中間。(a)畫出放大電路的直流等效電路+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前五十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點直流等效電路(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前六十頁\總數一百一十四頁\編于二十點直流等效電路由圖可得由上兩式得因(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB目前六十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點則有(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB目前六十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點（b）根據題意+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前六十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前六十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點(c)當RL在C1對地之間時經整理可得(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL目前六十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2目前六十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2目前六十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點(d)差模輸入電阻共模輸入電阻+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前六十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點輸出電阻Ro雙端輸出時

單端輸出時

+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2目前六十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點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+-+-+-+--+目前七十頁\總數一百一十四頁\編于二十點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。+-+-+-+--+目前七十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點恒流源的主要特點：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+-+-+-+--+目前七十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點當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構成原理：–++–RCE1rce1uCEiC=目前七十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點帶恒流源的差分放大電路恒流源+-+-+-De+++---目前七十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點選擇R1和R2使IBQ3恒定，則IC3恒定。+-+-+-De+++---IC3目前七十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點1．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–+–+目前七十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點當β>>2時所以IB1=IB2=IB故–+–+目前七十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點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–+–+目前七十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點由于故有–+–+目前七十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點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–+–+目前八十頁\總數一百一十四頁\編于二十點由得故有–+–+目前八十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點例1已知IR=0.73mA,IC2=20mA,求RE=?解由得–+–+目前八十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點例2上例中，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–+–+目前八十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點+-+-4．電流源作有源負載的差動放大電路（1）電路組成目前八十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點代替RE為T1、T2提供合適穩(wěn)定的靜態(tài)工作點代替RC稱有源負載鏡像電流源比例電流源+-+-目前八十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點因為T5、T6組成鏡象電流源，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

+-+-目前八十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點iO=iC6

+

iC2=iC5

–

iC1無共模信號輸出輸出電流

0+-+-目前八十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點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+-+-目前八十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點用電流鏡取代差分放大電路的集電極電阻單端輸出的電路形式，實現了雙端輸出的功能。結論：+-+-目前八十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點a.采用電流源作有源負載。b.利用多個晶體管組成復合管，以得到較大的電流放大系數值。集成運放獲得高電壓增益，通常采用的方法：4.2.4 復合管電路目前九十頁\總數一百一十四頁\編于二十點常見的復合管結構a.NPN管+NPN管T1T2目前九十一頁\總數一百一十四頁\編于二十點等效管T兩個NPN型管可以復合成一個NPN型管(a)等效管T1T2目前九十二頁\總數一百一十四頁\編于二十點由圖可知(b)復合管的電流放大系數等效管TT1T2目前九十三頁\總數一百一十四頁\編于二十點而由于等效管TT1T2目前九十四頁\總數一百一十四頁\編于二十點復合管的電流放大系數故目前九十五頁\總數一百一十四頁\編于二十點微變等效電路T1T2(c)復合管的輸入電阻rbeT1T2目前九十六頁\總數一百一十四頁\編于二十點因為故復合管的輸入電阻T1T2目前九十七頁\總數一百一十四頁\編于二十點b.PNP管+PNP管T1T2目前九十八頁\總數一百一十四頁\編于二十點等效管(a)等效管兩個PNP型管可以復合成一個PNP型管T1T2T目前九十九頁\總數一百一十四頁\編于二十點(b)復合管的及rbe等效管T1T2T目前一百頁\總數一百一十四頁\編于二十點T1T2c.NPN管+PNP管目前一百零一頁\總數一百一十四頁\編于二十點等效管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目前一百零二頁\總數一百一十四頁\編于二十點(b)復合管的及rbe等效管TT1T2目前一百零三頁\總數一百一十四頁\編于二十點d.PNP管+NPN管T1T2目前一百零四頁\總數一百一十四頁\編于二十點等效管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目前一百零