西安交大模電PPT第4章集成運(yùn)算放大電路

4.1 集成運(yùn)算放大器的概述集成電路——把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)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(yùn)算放大器1.集成電路的主要特點(diǎn)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(hào)。主要用于處理離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號(hào)。數(shù)字集成電路種類多，形式較為簡單，通用性強(qiáng)。(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(gè)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。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(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。(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(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC—systemonchip）。(3)按制造工藝分a.半導(dǎo)體集成電路將元器件和電路集成在一塊硅片上。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(dǎo)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。3.模擬集成電路的分類（1）線性集成電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系。（2）非線性集成電路集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關(guān)穩(wěn)壓電源等。集成運(yùn)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(hào)與輸入信號(hào)呈非線性關(guān)系。4.集成運(yùn)算放大器概述(1)集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放。b.信號(hào)處理。(2)集成運(yùn)算放大器的主要功能a.完成比例、求和、積分、微分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法等數(shù)字運(yùn)算。c.波形產(chǎn)生。(3)集成運(yùn)放發(fā)展的三個(gè)階段a.

通用型集成運(yùn)放的廣泛使用。b.專用集成運(yùn)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(biāo)的產(chǎn)品，進(jìn)一步提高集成度。(5)

是線性集成電路中發(fā)展最早、應(yīng)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(qiáng)、成本低、用途廣、互換性好。5.集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)(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(gòu)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(diǎn)4.1.2 集成運(yùn)算放大器的典型結(jié)構(gòu)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路輸入輸出1.典型結(jié)構(gòu)（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(gè)輸入端，較高的輸入電阻和抑制干擾及零漂的能力。為各級(jí)電路提供直流偏置電流，并使整個(gè)運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定且功耗較小。（2）輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路為負(fù)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(dòng)態(tài)范圍。主要進(jìn)行電壓放大，具有很高的電壓增益。(3)中間級(jí)(4)輸出級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)偏置電路3.集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)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(yùn)算放大器中的基本單元電路1.電路的組成+-+-+-+--+(1)電路特點(diǎn)a.電路兩邊對(duì)稱。b.

兩管共用發(fā)射極電阻RE。c.

具有兩個(gè)信號(hào)輸入端。d.

信號(hào)可以雙端或單端輸出。+-+-+-+--+兩個(gè)輸入端信號(hào)電壓的差值是有用的，稱之為差模輸入信號(hào)，因而該電路稱為差分放大電路。(2)信號(hào)的輸入+-+-+-+--+（3）抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)

當(dāng)溫度T一定時(shí)(uI1=uI2=0)

a.

電路雙端輸出+-+-+-+--+(b)當(dāng)溫度增加時(shí)在雙端輸出的情況下，漂移為零。+-+-+-+--+

b.

單端輸出時(shí)因射極電阻RE的負(fù)反饋?zhàn)饔每梢砸种屏泓c(diǎn)漂移+-+-+-+--+2．靜態(tài)分析直流通路+-+-+-+--+因?yàn)殡娐穼?duì)稱，所以–+–+–+–+列輸入回路方程由此可得因–+–+–+–+–+–+–+–+3.動(dòng)態(tài)分析(1)小信號(hào)差模特性差模信號(hào)：記為當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)+-+-+-+--+差模輸入時(shí)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(shí)(a)

雙端輸出負(fù)載電阻RL的中點(diǎn)虛地。由于等效電路Aud與單級(jí)共射極電路電壓放大倍數(shù)相同。可見，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(shí)求Ro的等效電路3)輸出電阻Rob.雙端輸出時(shí)求Ro的等效電路（2）小信號(hào)共模特性共模信號(hào)記為當(dāng)uIc1=uIc2時(shí)的輸入信號(hào)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)實(shí)際中一般電路中故差分放大電路對(duì)共模信號(hào)有抑制作用，RE越大，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。由討論可知：單端輸出時(shí)雙端輸出時(shí)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?yàn)楣?)共模輸出電阻因?yàn)檩敵鲋慌c電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與輸入信號(hào)的性質(zhì)（共模、差模）無關(guān)。所以輸出電阻雙端輸出時(shí)單端輸出時(shí)（3）任意輸入信號(hào)的分解既不是差模信號(hào)又不是共模信號(hào)的輸入信號(hào)。任意信號(hào)：++12差分放大電路uI2_uI1_令那么任意信號(hào)可以分解成差模和共模信號(hào)++12差分放大電路uI2_uI1_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_uI1≠0，uI2=0特別的，對(duì)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(hào)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例電路如圖所示。設(shè)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(diǎn)IC、UC之值；（b）uO及KCMR之值；（c）若將RL接在C1對(duì)地之間，求UC、uO

及KCMR。（d）Rid、Ric和Ro之值。

解:為了計(jì)算簡單，設(shè)調(diào)零電位器RW的滑動(dòng)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直流等效電路(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2直流等效電路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(dāng)RL在C1對(duì)地之間時(shí)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(shí)

單端輸出時(shí)

+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2雙端輸出單端輸出對(duì)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(hào)的能力越強(qiáng)+-+-+-+--+a.當(dāng)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(duì)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(diǎn)：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(dāng)iB恒定，則iC恒定，晶體管相當(dāng)于一個(gè)電流源。

當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，iC基本上與uCE無關(guān)，只取決于iB。晶體管恒流源晶體管恒流源構(gòu)成原理：–++–RCE1rce1

uCE

iC=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(diǎn)（3）電路分析設(shè)由于UBE1=UBE2=UBE4.2.3 電流源電路–+–+當(dāng)β>>2時(shí)所以IB1=IB2=IB故–+–+T1和T2特性相同（1）電路組成（2）電路特點(diǎn)（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(diǎn)（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上例中，如果不用微電流源，而采用電流鏡，那么在VCC=15V時(shí)，欲獲IC2=20mA,求R=?解已知IC2=20mA,則RVCC/IR=750kWIR=20mA–+–++-+-4．電流源作有源負(fù)載的差動(dòng)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(diǎn)代替RC稱有源負(fù)載鏡像電流源比例電流源+-+-因?yàn)門5、T6組成鏡象電流源，所以a.當(dāng)ui1=ui2時(shí)（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(hào)輸出輸出電流

0+-+-b.當(dāng)uI1=-uI2時(shí)輸出電流iO=

iC6

+

iC2=

iC1

+

iC2=2

iC1負(fù)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單端輸出的電路形式，實(shí)現(xiàn)了雙端輸出的功能。結(jié)論：+-+-a.

采用電流源作有源負(fù)載。b.

利用多個(gè)晶體管組成復(fù)合管，以得到較大的電流放大系數(shù)值。集成運(yùn)放獲得高電壓增益，通常采用的方法：4.2.4 復(fù)合管電路常見的復(fù)合管結(jié)構(gòu)a.NPN管+NPN管T1T2等效管T兩個(gè)NPN型管可以復(fù)合成一個(gè)NPN型管(a)

等效管T1T2由圖可知(b)復(fù)合管的電流放大系數(shù)等效管TT1T2而由于等效管TT1T2復(fù)合管的電流放大系數(shù)故微變等效電路T1T2(c)復(fù)合管的輸入電阻rbeT1T2因?yàn)楣蕪?fù)合管的輸入電阻T1T2b.PNP管+PNP管T1T2等效管(a)

等效管兩個(gè)PNP型管可以復(fù)合成一個(gè)PNP型管T1T2T(b)復(fù)合管的及rbe等效管T1T2TT1T2c.NPN管+PNP管等效管T(a)

等效管一個(gè)NPN和一個(gè)PNP型管可以復(fù)合成一個(gè)NPN型管T1T2(b)復(fù)合管的及rbe等效管TT1T2d.PNP管+NPN管T1T2等效管T(a)

等效管一個(gè)PNP和一個(gè)NPN型管可以復(fù)合成一個(gè)PNP型管T1T2(b)復(fù)合管的及rbe等效管T1T2TRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_4.2.5 互補(bǔ)推挽放大電路1.

電路組成2.

電路主要特點(diǎn)(2)

輸出電阻小(3)

動(dòng)態(tài)范圍大(4)

帶載能力強(qiáng)(1)

T1、T2參數(shù)相同3.

工作原理(1)

uI=0時(shí)T1、T2截止uO=0(2)

uI>0時(shí)T1導(dǎo)通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)

uI<0時(shí)T1截止、T2導(dǎo)通uO

uI4.

輸出動(dòng)態(tài)范圍5.

電路存在的缺陷——交越失真當(dāng)輸入電壓小于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時(shí)，輸出電壓為零。RLT