模電第六章集成運放

模電課件第六章集成運放第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。一.什么是集成運算放大器？第六章集成電路運算放大器

引言二、集成電路的分類數(shù)字集成電路：如74LS00······

模擬集成電路：如運算放大器、功率放大器、集成穩(wěn)壓電路···數(shù)、?；旌霞呻娐罚喝鏏/D、D/A轉(zhuǎn)換器···專用集成電路：如某些專用特殊功能的集成電路三、模擬集成電路的特點（P.227）1、元件對稱性：常用于運算放大器的輸入端；2、常用有源器件代替無源元件因為電阻電容占用硅片面積大且精度不高第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3、極間耦合采用直接耦合方式4、采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)的電路作為運算放大器的輸出端5、常用BJT的發(fā)射結(jié)代替電路中的二極管第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1集成電路運算放大器中的電流源在集成電路中常用電流源代替電路中的各類電阻。如集電極負(fù)載電阻RC用電流源代替，稱為有源負(fù)載；偏置電阻Rb用電流源代替，稱為有源偏置；射極電阻Re用電流源代替，稱為有源負(fù)載射極電流源等。因此電流源在集成電路中應(yīng)用廣泛。

一、鏡像電流源電路∵IC2≈IREF，兩邊的電流象鏡子一樣對稱，∴稱為“鏡像電流源”。從上式可知，β值越大，鏡像效果越好，為提高鏡像效果，要求IB盡可能小，使IREF盡可能等于IC1（＝IC2）。改進電路如P.229圖6.1.2所示。第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

改進型鏡像電流源電路圖：二、微電流源因兩管特性基本一致，△VBE＝VBE1－VBE2很小，故IE2很小，只有μA級。其作用是：電源VCC波動或溫度變化引起電路參數(shù)變化，但△VBE相對變化量小，IE2變化也小，達到穩(wěn)定電路的作用。P.230圖6.1.4多路微電流源第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月例1多路比例電流源電路如圖所示，已知各三極管的參數(shù)

、VBE數(shù)值相同，求各電流源IC1、IC2及IC3與基準(zhǔn)電流源IREF的關(guān)系式。解：由于圖中各三極管的基極連在一起，故:可見，改變RE1、RE2和RE3的大小，即可獲得不同數(shù)值的輸出電流。多路電流源在集成電路中應(yīng)用很廣，它能同時給多個放大電路提供偏置電流。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、電流源用作有源負(fù)載舉例：P.2316.1.3定性分析圖中所示電路，說明T1、T2在電路中的作用。T1：共集電極放大電路（射極輸出器）；T2：為T1射極恒流源。第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2差分式放大電路功能:放大兩個輸入信號之差.在電路完全對稱的情況下，有:vo=AVd（vi1-vi2）式中：AVd—差分式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)，它表示對兩個信號之差的放大能力。差模信號：兩輸入端對地的輸入信號大小相等，極性相反時，稱差模輸入，即vid1＝-vid2，差模輸入信號為：vi

d=vid1-vid2=2vid1=-2vi

d2。共模信號：加在差放兩輸入端的大小相等，極性相同的信號，即

vic=vic1=vic2。一般加在兩輸入端的信號是任意的，但都可以分解為差模信號和共模信號，即：vi1＝vid1+vic1

，vi2＝vid2+vic2,如下圖所示的零漂：當(dāng)ui=0,u0≠0時，相當(dāng)于拆算到輸入端的等效漂移電壓。即為共模輸入信號。第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)ui1=10mvui2=6mv分解：

ui1=8+2ui2=8-2共模分量：Uic1=uic2=8mv差模分量：Uid1=2mvuid2=-2mv所以，任意兩個輸入信號都可分解為差模信號和共模信號，其中，差模信號是兩個輸入信號之差，即：vi

d=vid1-vid2=vi1-vi2，共模信號是兩個輸入信號的算術(shù)平均值：vic=(vi1+vi2)/2。當(dāng)用共模信號和差模信號共同表示輸入信號時，有：差放的輸出電壓：vo=AVdvid+AVcvic

式中：AVd—為差模電壓放大倍數(shù)，表示對差模信號的放大力；

AVc—為共模電壓放大倍數(shù)，表示對共模信號的放大能力。第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

差動放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時加信號。單端輸入——僅從一個輸入端對地加信號。

差動放大電路可以有兩個輸出端。雙端輸出——從C1

和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。8/22/2023第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1差動放大電路一.結(jié)構(gòu):對稱性結(jié)構(gòu)即：

1=

2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1．靜態(tài)分析靜態(tài)時，vi1=vi2=0，電路對稱，VBE1＝VBE2＝VBE，RC1＝RC2＝RC，所以，vE＝－VBE，VCE1＝VCE2＝VC1－VE＝VCC－IC1RC+VBE

輸出電壓：Vo＝VC1－VC2＝0。2.抑制零點漂移的原理:零漂現(xiàn)象：輸入ui=0時，，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。產(chǎn)生零漂的原因：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：１變法緩慢２）漂移信號在直接耦合放大電路中能逐級放大差放對零漂抑制作用原理：因電路對稱，

IC1=

IC2

，

VC1=

VC2

所以：VC=（ＶＣ１＋

VC1）－（ＶＣ２＋

VC2）=ＶＣ１－ＶＣ２

３．差模特性差放輸入為差模信號，即vi1=vi

d1,vi2=vi

d2=－vid1

雙端輸入、雙端輸出；Ａ）差模信號的交流通路:第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月由于vi1=-vi2

，

IB1=-

IB2,

IC1=-

IC2

VE=（

IE1＋

IE2）r0

=0所以r0對差模信號相當(dāng)于交流短路.RL：因為RL兩端的電壓：vC1=-vC2,所以RL中點電位為零，相當(dāng)于接地，各三極管所帶負(fù)載為RL的一半，即RL/2。Ｂ）差模電壓放大倍數(shù)：單邊等效電路如圖若負(fù)載開路，即RL=

則：所以，雙端輸出時，電路的電壓放大倍數(shù)等于單邊等效電路的電壓放大倍數(shù)。第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Ｃ)差模輸入電阻為兩個單邊等效電路的輸入電阻之和，即：Rid＝Rid1+Rid2=2Rid1＝2rbe

Ｄ）差模輸出電阻雙端輸出時：即：Rod＝2Rod1＝2RC

２）雙端輸入、單端輸出：即：從T1管取輸出….反相輸出單端輸出時，電壓放大倍數(shù)等于單邊等效電路電壓放大倍數(shù)的一半。第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月從T2管取輸出….同相輸出輸入電阻Ri：與輸出方式無關(guān)，Ri＝2rbe

輸出電阻Ro：Rod＝Rod1＝RC

３）單端輸入：vi1=vid，vi2=0，可分解為差模信號和共模信號：

單端輸入時與雙端輸入完全相同的特性。第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月歸納：①差放電路的各項性能指標(biāo)（AVd、Rid、Rod）只與輸出方式有關(guān)，與輸入方式無關(guān)。②雙端輸出時，AVd＝AVd1，Rod=2Rod1；單端輸出時，AVd＝AVd1/2，Rod=Rod1。③輸入電阻Rid與輸入、輸出方式都無關(guān)Rid=2Rid1。４、共模特性1）共模信號的交流通路：r0

：i0=iE1+iE2=2iE1，

vE=i0r0=2iE1

r0

=iE1

（2r0

）RL

:電路對稱vC1=vC2流過RL的共模信號電流為零.RL對共模信號相當(dāng)于開路。得交流通路:作業(yè)：P.269-T6.1.2，T6.2.2第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2)共模電壓放大倍數(shù)

雙端輸出:因電路的對稱:voc=voc1-voc2

0單端輸出:一般:（1+

）·2r0>>rbe，

>>1，3)共模輸入電阻:4)共模輸出電阻:雙端輸出時：ROC=2Roc1=2RC

單端輸出時：ROC=Roc1=RC

第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月5)共模抑制比KCMR:也用分貝（dB）數(shù)來表示:

定義：P.236，KCMR＝|AVd/AVC|，它是衡量放大器對抑制共模信號的能力的大小。要求KCMR越大越好。集成運放的KCMR至少＞70dB（103）。

雙端輸出時KCMR可認(rèn)為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月6)、如何提高共模抑制比KCMR1、簡單差放存在的問題①差分電路兩邊的元器件參數(shù)、性能不可能完全一致；②雙端輸出時，AVC→0，才能使KCMR→∞；如是單端輸出，AVC1＝RL,/（2RE），而工程上又往往要求輸出信號有一端接地，即采用是單端輸出，簡單的差放不能使KCMR→∞；2、解決的辦法：只有加大RE。RE稱為射極等效電阻。①在兩個差分管的射極處加接“長尾電阻”

Re。當(dāng)然，Re越大越好。（如P.271—T6.2.5、6.2.6）②Re太大，不便集成，采用恒流源代替Re。（如P.271—T6.2.3、6.2.7）第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月例1:電路如右圖所示，已知，

1=

2=50，VCC=VEE=15V，RC=RL=10K

，RE=20K

,RB=5.1K

，求：（1）靜態(tài)工作點。（2）雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)AVd、差模輸入電阻Rid及輸出電阻Rod；（3）當(dāng)RL接在T1的集電極與地之間時的差模電壓放大倍數(shù)AVd、共模電壓放大倍數(shù)AVc及共模抑制比KCMR。（4）vi1=5mV，vi2=1mV時，求T1管輸出時的輸出電壓vo1

解：1.靜態(tài)分析確定靜態(tài)工作點：靜態(tài)時vi1=vi2=0，由基極回路可列出：因：VEE>>VBE，（1+

）RE>>RB，所以：第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月②畫出單邊差模信號微變等效電路如圖:雙端輸出時：③單端輸出時：第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月畫出單邊共模信號微變等效電路如圖所示：④當(dāng)vi1=5mV，vi2=1mV時，第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：P.271

6.2.3電路如圖題6.2.3所示，Re1＝Re2＝100Ω，BJT的β＝100，VBE＝0.6V，求：（1）Q點（IB1、IC1、VCE1）；（2）當(dāng)ui1＝0.01V、ui2＝－0.01V時，求輸出電壓uO＝uO1－uO2的值；（3）當(dāng)C1、C2間接入負(fù)載電阻RL＝5.6kΩ時，求uO的值；（4）求電路的差模輸入電阻Rid、共模輸入電阻Ric和輸出電阻Ro。

解：（1）求Q點：IC1＝IC2≈IO/2＝2÷2＝1mAIB1＝IB2＝IC/β＝1mA/100＝10μA靜態(tài)時：Vi1＝Vi2＝0；VB1＝0；VBE1＝－0.6V，VCE1＝VCC－IC1·RC1－VBE1＝5V（2）求輸出電壓VOrbe＝200＋（1＋β）×26／IEQ≈2.8kΩuO＝AVD·uid＝AVD（ui1－ui2）≈－0.87V

（3）求uO

uO＝AVD·uid＝Aid（ui1－ui2）＝－0.29V

第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）求Rid、RiC、RO

Rid＝2［rbe＋（1＋β）Re1］＝2［2.8＋（1＋100）×0.1］＝25.8kΩRiC＝［rbe＋（1＋β）Re1＋2(1＋β)ro］/2≈2ro（1＋β）/2＝ro（1＋β）＝100×（1＋100）≈10MΩRO＝2RC＝2×5.6＝11.2kΩ第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3集成電路運算放大器

一.

集成運放的總體結(jié)構(gòu)第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

二.

簡單的集成運放

原理電路：第27頁，課件共30