模擬集成電路及運(yùn)算放大器的應(yīng)用

1、第五章 模擬集成電路及運(yùn)算放大器的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容：電流源工作原理；差分放大電路的分析和計(jì)算；集成運(yùn)算放大器及主要技術(shù)指標(biāo)，理想運(yùn)算放大器及其組成的各種運(yùn)算電路,實(shí)際運(yùn)算放大器運(yùn)算電路的誤差分析。教學(xué)要求：1、熟悉集成運(yùn)放的組成及各部分作用，正確理解集成運(yùn)放主要指標(biāo)的物理意義；2、了解電流源的工作原理；3、了解LM324的工作原理及應(yīng)用重點(diǎn)、難點(diǎn)：集成運(yùn)放的電路組成及各部分作用，集成運(yùn)放主要性能指標(biāo)的物理意義及選用。教學(xué)方法：講授法、討論法教學(xué)時數(shù)：12學(xué)時教學(xué)過程：5.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)5.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同 即12，ICEO1ICEO2

2、，當(dāng)BJT的較大時，基極電流IB可以忽略 動態(tài)電阻 一般ro在幾百千歐以上1. 電路簡單，應(yīng)用廣泛； 2. 要求IC1電流較大情況下，R 的功耗較大，集成電路應(yīng)避免； 3. 要求IC1電流較小時，要求R 數(shù)值較大，集成電路難以實(shí)現(xiàn)。 2. 微電流源由于很小，所以IC2也很?。?3. 比例電流源4. 組合電流源T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電流IREFT1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構(gòu)成了微電流源5.1.2 FET電流源1. MOSFET鏡像電流源當(dāng)器件具有不同的寬長比時（l=0）ro= rds2 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當(dāng)l=0時，輸出電流為

3、2. MOSFET多路電流源3. JFET電流源5.2 差分式放大電路一. 直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象1. 零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：在直接耦合放大電路中，輸入電壓vI0，輸出電壓vO0的現(xiàn)象。2. 零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的原因： 溫度變化， 直流電源波動， 器件老化等。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。3. 抑制零點(diǎn)漂移的方法： 引入直流負(fù)反饋， 溫度補(bǔ)償， 典型電路：差分放大電路二. 差分放大電路差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路構(gòu)成的，兩個基本電路參數(shù)完全相同，管子的特性也完全相同,電路有兩個輸入端和兩個輸出端。電路中兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時將時時相等，因此以兩集電極

4、電壓差作為輸出，可以克服溫度的漂移。共模輸入和差模輸入工作情況：（1）共模輸入兩輸入端所加信號vI1和vI2大小相同極性（相位）也相同。由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管所產(chǎn)生的電流變化相等，即T1管和T2管集電極電位變化也相等：從而輸出電壓結(jié)論：差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)的抑制作用，在電路參數(shù)完全相同的情況下，共模輸出為零。（2）差模輸入兩輸入端所加信號vI1和vI2大小相同極性（相位）相反。結(jié)論：差分式放大電路對差模信號有放大作用。但由于有射極電阻Re，其放大能力較差。差分式放大電路的改進(jìn)電路：在差模輸入情況下，兩管發(fā)射極電流與其它電流一樣，變化量的大小相等，方向相反。將兩個基本放大電路

5、的發(fā)射極電阻合并為一個射極電阻Re，則在差模信號的作用下，Re中的電流變化量為零，即Re對差模信號無反饋?zhàn)饔?。即Re對差模信號相當(dāng)于短路，從而提高了對差模信號的放大能力。一般情況下，差分式放大電路采用雙電源供電，右圖為典型的差分式放大電路5.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路2. 有關(guān)概念差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益其中差模信號產(chǎn)生的輸出共模信號產(chǎn)生的輸出總輸出電壓 共模抑制比 反映抑制零漂能力的指標(biāo)根據(jù) 有共模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中相同的部分差模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中不同的部分兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位

6、相反。5.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理靜態(tài) 動態(tài)差模信號:大小相等，極性相反的輸入信號。vI1= -vI2= vId/2。iE1= iE2, 所以e點(diǎn)的電位不變2. 抑制零點(diǎn)漂移原理溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強(qiáng)的抑制零漂能力。 差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制作用3. 主要指標(biāo)計(jì)算差分放大電路的四種接法：根據(jù)信號源和負(fù)載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸

7、入雙端輸出、單端輸入單端輸出。雙端輸入雙端輸出3. 主要指標(biāo)計(jì)算（1）差模情況<A> 雙入、雙出以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力接入負(fù)載時<B> 雙入、單出接入負(fù)載時<C> 單端輸入 等效于雙端輸入 指標(biāo)計(jì)算與雙端輸入相同 （2）共模情況<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(qiáng) （3）共模抑制比，雙端輸出，理想情況單端輸出越大，抑制零漂能力越強(qiáng)單端輸出時的總輸出電壓（4）頻率響應(yīng)高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。差分放大電路四種接法的比較 各種接法輸入電阻相同：

8、 差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)、輸出電阻與輸入方式無關(guān)，與輸出方式有關(guān)： 雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模輸入。4. 帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路CMOS差分式放大電路5.3 差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)iC1= iE1，iC2= iE2vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2 可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線5.4 集成電路運(yùn)算放大器5.4.1 集成電路運(yùn)算放大器CMOS MC14573 集成運(yùn)算放大電路概述 一. 集成運(yùn)放的特點(diǎn)1. 直接耦合

9、方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。 2. 用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐窂?fù)雜并不增加制作工序。 3. 用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。 4. 采用復(fù)合管。 二. 集成運(yùn)放電路的組成偏置電路：為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。1. 電路結(jié)構(gòu)和工作原理2. 電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算(1)直流分析已知VT 和K

10、P5 ，可求出IREF 根據(jù)各管子的寬長比 ，可求出其它支路電流。(2)小信號分析,設(shè) gm1 = gm2 = gm 則輸入級電壓增益 第二級電壓增益 Av2= vo/ v gs7=gm7(rds7/rds8) 總電壓增益 Av = Av1·Av2 將參數(shù)代入計(jì)算得 Av = 40884.8（92.2 dB）5.4.2 集成運(yùn)算放大器741 原理電路 簡化電路5.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響5.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓VIO在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入

11、端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為±（110）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（120）mV。高精度運(yùn)放OP-117 VIO=4mV。MOSFET達(dá)20 mV。2. 輸入偏置電流IIB輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值IIB（IBNIBP）/2 BJT為10 nA1mA；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級。 3. 輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO|IBPIBN| 一般約為1 nA0.1mA。 4. 溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂DVIO / DT（2）輸入失調(diào)電流溫漂DIIO / DT差模特性1. 開環(huán)

12、差模電壓增益Avo和帶寬BW 開環(huán)差模電壓增益AvO開環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬 BWG (fT)2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro Ø BJT輸入級的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐Ø MOSFET為輸入級的運(yùn)放rid1012Ø 超高輸入電阻運(yùn)放rid1013、IIB0.040pAØ 一般運(yùn)放的ro200，而超高速AD9610的ro0.053. 最大差模輸入電壓Vidmax共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric 一般通用型運(yùn)放KCMR為（80120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓Vicm

13、ax 一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)± 13V。大信號動態(tài)特性 1. 轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即2. 全功率帶寬BWP 指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標(biāo)。一般通用型運(yùn)放SR在nV/ms以下，741的SR=0.5V/ms而高速運(yùn)放要求SR30V/ms以上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的SR3500V/ms。電源特性1. 電源電壓抑制比KSVR 衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響 2. 靜態(tài)功耗PV 5

14、.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題1. 集成運(yùn)放的選用根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。 2. 失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差 輸入為零時的等效電路解得誤差電壓當(dāng)時，可以消除偏置電流引起的誤差，此時引起的誤差仍存在。當(dāng)電路為積分運(yùn)算時，即換成電容C，則時間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。3. 調(diào)零補(bǔ)償5.6 運(yùn)算放大器5.

15、6.1 集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖運(yùn)算放大器的代表符號（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號 （b）國內(nèi)外常用符號2. 運(yùn)算放大器的電路模型通常：§ 開環(huán)電壓增益 Avo的105 （很高）§ 輸入電阻 ri 106 （很大）§ 輸出電阻 ro 100 （很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)系當(dāng)Avo(vPvN) V 時 vO V 當(dāng)Avo(vPvN) V-時 vO V-電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率5.6.2 理想運(yùn)算放大器1. vO

16、的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓V和V 2. 運(yùn)放的開環(huán)電壓增益很高 若（vPvN）0 則 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 則 vO= Vom=V 3. 若V< vO <V 則 （vPvN）®0 4. 輸入電阻ri的阻值很高 使 iP 0、iN 0 5. 輸出電阻很小， ro 0理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)5.6.3 基本線性運(yùn)放電路5.6.3.1同相放大電路· 基本電路 （a）電路圖 （b）小信號電路模型·幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益Av 根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vpvn， ip-in0所以（可作為公式直接使用）（

17、2）輸入電阻Ri 輸入電阻定義，根據(jù)虛短和虛斷有vivp，ii ip0所以（3）輸出電阻Ro Ro0·電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vi （可作為公式直接使用）電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時負(fù)載上得到的電壓 電壓跟隨器時ip0，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有 vovn vpvs5.6.3.2 反相放大電路（a）電路圖 （b）由虛短引出虛地vn0 · 幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益Av 根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vn vp 0 ， ii0所以 i1i2 即，(可作為公式直接使用）· 幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（2）輸入電阻Ri （3）輸出電阻Ro Ro0例:直流毫伏表電路當(dāng)R2>> R3時，（1）試證明VS( R3R1/R2 ) IM ; （2）R1R2150kW，R31kW，輸入信號電壓VS100mV時，通過毫伏表的最大電流IM(max) 解:（1）根據(jù)虛斷有 II =0所以 I2 = IS = VS / R1又根據(jù)虛短有 VP = VN =0R2和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - IM )所以當(dāng)R2>> R3時，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可5.6.4 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用5.6.4.1 求差電