數(shù)電模電路模電課件第四章

1第四章集成運(yùn)算放大電路內(nèi)容提要：4.1集成運(yùn)算放大電路概述4.2集成運(yùn)放中的電流源電路4.3集成運(yùn)放電路簡介4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路4.5集成運(yùn)放的種類及選擇4.6集成運(yùn)放的使用24.1集成運(yùn)算放大電路概述集成電路是以半導(dǎo)體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻和電容等元件及它們之間的連線組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。多用于各種模擬信號的運(yùn)算，如比例、加減、積分、微分等，故被稱為集成運(yùn)算放大電路、簡稱集成運(yùn)放。由于其高性能（開環(huán)放大倍數(shù)大、輸入電阻大、輸出電阻小、省電、抗干擾能力強(qiáng)等）、低價(jià)位、產(chǎn)品系列化，大多數(shù)情況下已經(jīng)取代了分立元件放大電路。3一、集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、直接耦合2、多用差分電路抑制零漂3、采用復(fù)雜電路提高性能，不影響集成工藝4、晶體管取代大電阻5、晶體管常采用復(fù)合形式4二、集成運(yùn)放電路的組成及其各部分的作用輸入級：差分放大電路中間級：主放大部分。共射電路，復(fù)合管，恒流源作Re，Au可達(dá)幾千以上輸出級：OCL互補(bǔ)對稱輸出電路偏置電路：采用電流源給各管的c或e提供合適的靜態(tài)電流，不同于分立元件電路。5三、符號及傳輸特性集成運(yùn)放可以看成是一個(gè)雙端輸入、單端輸出，具有高差模放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻、能較好地抑制溫漂地差動(dòng)放大電路。傳輸特性uO＝f（uP－uN）：非線性區(qū)（飽和區(qū)）：輸出電壓為±UOM線性區(qū)：uO＝AOd（uP－uN），AOd－開環(huán)放大倍數(shù)，可達(dá)幾十萬倍曲線斜率為放大倍數(shù)∴線性區(qū)很窄例：UOM＝±14V，AOd＝5×105→│uP－uN│<28μV理想運(yùn)放：AOd＝∞，Rid＝∞，Rod＝0，KCMR＝∞，Ac＝06P188～思考題P213～自測題一74.2集成運(yùn)放中的電流源電路晶體管和場效應(yīng)管在集成運(yùn)放中除了作為放大管外，還可以用來構(gòu)成UBE倍增電路、電流源電路等。一、基本電流源電路1、鏡像電流源T0、T1參數(shù)一致IR為參考電流，IC1為輸出電流電路存在的問題：①要求IC1大時(shí)，IR也得大，則R上的功耗大。②要求IC1小時(shí)，IR也得小，則R大、難集成。③β小則誤差大電路中有負(fù)反饋嗎？82、比例電流源IR為參考電流，IC1為輸出電流IC1與IR成比例關(guān)系Re0、Re1系反饋電阻，所以比例電流源比鏡像電流源具有更高的溫度穩(wěn)定性。93、微電流源為輸入級放大管的集電極提供的偏置電流往往很小，只有幾十微安；為了只采用阻值較小的電阻，而又獲得較小的輸出電流——微電流源。將比例電流源中的Re0的阻值減小到零：10實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)首先確定IR和IC1的數(shù)值，再求出R和Re的數(shù)值。例：若VCC＝15V，IR＝1mA，UBE0＝0.7，UT＝26mV，IC1＝20μA。首先根據(jù)①式確定R＝14.3KΩ，再根據(jù)②式得Re≈5.09KΩ11二、改進(jìn)型的電流源電路前述幾個(gè)基本電流源電路忽略了基極電流的影響，只有在β很大時(shí)才成立，若β很小時(shí)則IR與IC1相差很大。為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準(zhǔn)電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本鏡像電流源電路加以改進(jìn)。。121、加射極輸出器的電流源在鏡像電流源T0管的集電極與基極之間加一個(gè)射極輸出的晶體管T2，利用T2的電流放大作用減小基極電流IB0和IB1對基準(zhǔn)電流IR的分流。例：若β＝10，帶入上式得IC1≈0.982IR。說明即使β很小，也可以使得IC1≈IR，保持很好的鏡像關(guān)系。如圖所示，實(shí)際電路中，可以在T0管和T1管的基極與地之間加電阻Re2，用來增大T2管的工作電流，從而提高T2的β，此時(shí)IE2＝IB0＋I(xiàn)B1＋I(xiàn)Re2132、威爾遜電流源IR為參考電流，IC2為輸出電流T1管的c—e串聯(lián)在T2管的發(fā)射極，由于c—e間等效電阻很大、等效于Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中的Re，使IC2高度穩(wěn)定。三個(gè)管子特性完全相同例：若β＝10，帶入上式得IC2≈0.984IR。說明即使β很小，也可以使得IC1≈IR，保持很好的鏡像關(guān)系。14三、多路電流源電路在集成運(yùn)放中需要為多級放大電路的各個(gè)級分別提供合適的靜態(tài)電流?？梢岳靡粋€(gè)基準(zhǔn)電流去獲得多個(gè)不同的輸出電流、以適應(yīng)各級的需要。1、基于比例電流源的多路電流源：當(dāng)IE0確定后，各級只要選擇合適的電阻，就可以得到所需的電流。152、多集電極管構(gòu)成的多路電流源當(dāng)基極電流一定時(shí)，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。163、MOS管多路電流源T0～T3均為N溝道增強(qiáng)型MOS管，開啟電壓UGS（th）等參數(shù)相等。為了獲得更加穩(wěn)定的輸出電流，多路電流源還可以采用帶有射極輸出器的電流源和威爾遜電流源等形式。例4.2.117四、以電流源為有源負(fù)載的放大電路共射（共源）放大電路中，增大集電極（漏極）電阻Rc（Rd）可以提高電壓放大倍數(shù)，然而為了保證Q點(diǎn)的UCE不變，在增大集電極（漏極）電阻Rc（Rd）的同時(shí)必須提高電源電壓。在集成運(yùn)放中用電流源取代Rc（Rd），在電源電壓不變的情況下，即可以獲得合適的靜態(tài)電流，交流時(shí)由有很大的等效電阻Rc（Rd）?！性簇?fù)載。181、有源負(fù)載共射放大電路注意：①輸入uI中應(yīng)含有直流分量提供IBQ1，且應(yīng)等于ICQ1/β；②由于RL的分流作用，帶載后ICQ1將有所變化；③若RL很大，則參數(shù)模型中的1/h22不能忽略不計(jì)。說明T1集電極動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流向負(fù)載，電壓放大倍數(shù)大大提高。T1為放大管T2、T3為鏡像電流源T2管為有源負(fù)載192、有源負(fù)載差分放大電路

利用鏡像電流源可以使差分放大電路單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出時(shí)的情況。20P196～思考題214.3集成運(yùn)放電路簡介品種繁多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，但是基本組成部分、結(jié)構(gòu)形式、組成原則基本一致。一、雙極型集成運(yùn)放1、由雙極型晶體管構(gòu)成。分為：偏置電路（電流源），輸入級（差分放大電路），中間級（共射放大電路），輸出級（互補(bǔ)式電壓跟隨電路）、分析方法：①化整為零②分析功能③通觀整體④定量估算222、例：F007電路簡介偏置電路：①從＋VCC經(jīng)T12、R5和T11到－VCC構(gòu)成的回路確定偏置電路的基準(zhǔn)電流IR5②T12和T13構(gòu)成鏡像電流源為中間級和輸出級提供靜態(tài)電流③T10和T11構(gòu)成微電流源，分別為T3、T4提供基極電流，為T8和T9構(gòu)成鏡像電流源提供基準(zhǔn)電流④T8和T9構(gòu)成鏡像電流源為輸入級提供靜態(tài)電流定量計(jì)算見例4.2.123輸入級：①（T1和T2）+（T3和T4）為共集＋共基差分放大電路，提高輸入電阻、改善頻率響應(yīng)；雙端輸入單端輸出。②T5、T6和T7構(gòu)成帶射極輸出器的電流源電路，既作為差分放大電路的有源負(fù)載、還將T3管集電極動(dòng)態(tài)電流轉(zhuǎn)換為輸出電流ΔiB16的一部分。差模輸入時(shí)：ΔiC3＝－ΔiC4，ΔiC5≈ΔiC3（忽略T7基極電流），ΔiC5＝ΔiC6（R1＝R3），∴ΔiC6≈－ΔiC4，即ΔiB16＝ΔiC4―ΔiC6≈2ΔiC4——電流加倍、電壓自然加倍，克服了單端輸出電壓放大倍數(shù)減半的缺點(diǎn)。共模輸入時(shí)：ΔiC3＝ΔiC4，ΔiC5≈ΔiC3（忽略T7基極電流），ΔiC5＝ΔiC6（R1＝R3），∴ΔiC6≈ΔiC4，即ΔiB16＝ΔiC4―ΔiC6≈0——抑制共模信號。③電流源除了提供偏置電流外還構(gòu)成一反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定靜態(tài)電流：（IC1＋I(xiàn)C2）＝IC8↑→IC9↑→（IB3＋I(xiàn)B4）＝（IC10－IC9↑）↓→（IC1＋I(xiàn)C2）↓，反之相反。24中間級：T16和T17組成復(fù)合管構(gòu)成共射放大電路，以電流源IC13為集電極負(fù)載，具有很強(qiáng)的放大能力。輸出級：①準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級電路：T18和T19組成復(fù)合PNP管，與NPN管T14構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)形式，R9和R10彌補(bǔ)T18和T19的非對稱性，還作為輸出電流的取樣電阻與D1、D2共同構(gòu)成過流保護(hù)電路。②R7、R8和T15構(gòu)成UBE倍增電路，為輸出級設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)、消除交越失真。其