第五章集成运算放大器电路.ppt

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1、1,第五章 集成运算放大器电路,5-1 集成运算放大器的特点,5-2 电流源电路,一、镜像电流源,二、比例电流源,三、微电流电流源,四、负反馈型电流源,五、有源负载放大器,2,5-3 差动放大电路,5-3-1 零点漂移现象,5-3-2差动放大器的工作原理及性能分析,一、差模放大特性,1. 差模电压放大倍数,2. 差模输入电阻,3. 差模输出电阻,二、共模抑制特性,1.共模电压放大倍数,2. 共模输入电阻,3.共模输出电阻,3,三、共模抑制比KCMR,四、对任意输入信号的放大特性,5-3-3具有电流源的差动放大电路,一、共模抑制比可做的非常高；,二、允许输入端有较大的共模电压变化。,5-3-4差

2、动放大器的传输特性,一、两管集电极电流之和恒等于I,二、传输特性具有非线性特性,三、差动放大器的增益与I成正比,4,5-3-5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,二、失调的温度漂移,5-4 集成运算放大器的输出级电路,5-5 集成运放电路举例,5-5-1集成运算放大器F007,5-7 集成运算放大器的主要性能指标,5,第五章 集成运算放大器电路,（1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。 （2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。 （3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。,6,集成电路：60年代发展起来的一种

3、新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。,集成电路具有性能好，可靠性高，体积小， 耗电少，成本低等优点。,集成运放：是一 种模拟集成电路，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。,7,5.1 集成运算放大器的特点,1.级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能制作大电容和电感)；,2.尽可能采用有源器件代替无源器件(避免使用大电容、大电阻)；,3.利用对称结构改善电路性能 (参数一致性好,但单个元器件参数误差较大)。,8,图5.1 集成运算放大

4、器组成框图,差动放大器,负载为有源负载的共射放大器,射随器或互补射随器,提供各级偏流和有源负载,9,5.2 电流源电路,电流源电路即电流恒定的电路,可为集成运放各级电路提供稳定的静态偏置电流.,10,图5.2.1 镜像电流源,工作电流,参考电流,一、镜像电流源(Current Mirror),11,图5.2.2 多路镜像电流源,12,图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源,(a)三集电极横向PNP管电路,(b)等价电路,集成电路中多路镜像电流源的实现,13,二、比例电流源,图5.2.4比例电流源,14,室温下，当两管的射极电流相差10倍时：,若1，则IE1Ir, IE2IC2,仅为此时两管UBE

5、电压(600mV)的10%。因此，,UBE1UBE2。,15,三、微电流源(Widlar Current),图5.2.5微电流电流源,当11时， IE1Ir,IE2IC2,已知Ir=1mA,要求IC2=10A时,16,四、负反馈型(威尔逊)电流源,图5.2.6 威尔逊电流源,17,若三管特性相同，则1=2=3=,利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为：,较大的动态内阻；,输出电流受的影响也大大减小,优 点,18,五、有源负载放大器,有源负载放大器,(a)共射电路,(b)具有倒相功能的共射电路,19,5.3 差动放大电路(Differential Amplifier),5.3.1 零

6、点漂移现象,1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下飘动。,2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在， 输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去， 因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和， 这样整个电路将无法正常工作。,20,3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。,图5.4.1 放大器的零点漂移,等效输入漂移电压,输出漂移电压,等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。,21,5.3.2差动放大器的工作原理及性能分析,图5.4.3 基本差动放大器(长尾式),当Ui1=Ui2=0时

7、,则流过RE的电流I为,故有,静态分析:,22,图5.4.3 基本差动放大器,静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。,23,U,CC,R,C,R,L,R,C,R,E,U,EE,V,1,V,2,u,o,u,ic,RE上有静态电压 和交流信号电压,0V,u,ic,一、共模(Common-Mode)抑制特性,动态分析:,24,R,C,U,o,c2,R,C,U,o,c1,U,ic,V,1,V,2,U,oc,2,R,E,2,R,E,图5.4.4 基本差动放大器的共模等效通路,25,1.共模电压放大倍数,双端输出时,26,单端输出时,1.共模电压放大倍数,27,2. 共模输入电阻,注：,28,3.

8、共模输出电阻,单端输出时,单端输出时,双端输出时,29,二、差模(Difference-Mode)放大特性,动态分析:,30,图5.4.6基本差动放大器的差模等效通路,U,od1,U,od2,R,L,2,R,L,2,V,2,V,1,U,id1,U,id2,U,id,R,C,R,C,U,od,I,b1,I,b2,I,c1,I,c2,31,双端输出（浮动输出）时,1. 差模电压放大倍数,32,单端输出时,1. 差模电压放大倍数,负载RL情况下,或,33,2. 差模输入电阻(Input Differential Resistance),注：,34,3. 差模输出电阻(Output Different

9、ial Resistance),单端输出时为,双端输出时为,35,三、共模抑制比KCMR(Common-Mode Rejection Ratio),36,1.任意输入信号的分解及输入电压,37,2.任意输入信号作用下，输出电压的计算,双端输出时的电路图,38,单端输出时的电路图,39,如两端都不接地，这种接法称为双端输入；,如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。,3.关于只有一路信号源接入差动放大器,40,5.3.3具有电流源的差动放大电路,图5.4.3所示的基本差动放大器，存在两个缺点：一是共模抑制比做不高，,若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)的上限约为300，而与RE的取值无关。

10、,41,二是不允许输入端有较大的共模电压变化。,公共射极电位变化,差放管的静态工作电流变化,rbe改变,42,图5.15具有电流源的差动放大器电路,(a)用单管电流源代替RE的差动电路,(b)电路的简化表示,恒流源,43,静态工作点的估算：,44,一、共模抑制比可做的非常高；,二、允许输入端有较大的共模电压变化。,Auc0、 Auc（单）0,KCMR、 KCMR（单）高,电流源的输出电阻非常大,rbe几乎不变,45,5.3.4差动放大器的传输特性(Transfer Characteristic),图5.16简化的差动放大器,46,47,48,i,C1,i,C2,I,i,C1,i,C2,i,C1

11、,i,C2,6,U,T,/,4,U,T,2,U,T,0,2,U,T,4,U,T,6,U,T,u,id,Q,I,2,(a)电流传输特性曲线,49,(b)电压传输特性曲线,图5.17差动放大器的传输特性曲线,u,o,IR,C,6,U,T,/,4,U,T,2,U,T,0,2,U,T,4,U,T,6,U,T,u,id, IR,C,50,一、两管集电极电流之和恒等于I,二、传输特性具有非线性特性,当uid=0时，差动电路处于静态，这时,iC1=iC2=ICQ=I/2,1.在静态工作点附近，当|uid|UT，即室温下， uid在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。,2.当| uid |4 UT,即ui

12、d超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。,51,三、差动放大器的增益与I成正比,双端输出时跨导,单端输出时跨导,52,差动放大器的跨导与单级共射电路的跨导相等，从增益的角度看，相当于一级共射电路。,53,-实现了两个模拟信号电压相乘,54,5.3.5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。,与失调有关的具体因素：,55,图1 实际差动电路的失调电压和失调电流,总输入失调电压,- 总输出失调电压,- 差模源电压增益,56,UOOS,图1 实际差动电路的失调电压和失调

13、电流,IIO ：RS很大并接近开路时的输入失调参数；,UIO ：RS为0时的输入失调参数；,IIO 、UIO ：差分放大器的固有参数。,利用戴维南等效定理可得 a、b两点间开路电压,b,a,57,R,C,R,C,R,C,U,i,V,1,V,2,U,o,U,EE,I,U,CC,I,B2,I,IO,2,I,IO,2,U,IO,I,B1,图5.19差动电路的失调电压和失调电流,补偿电压,补偿电流,RS,RS,I,B,I,B,58,59,60,图5.20差动放大器的调零电路,(a)射极调零,(b)集电极调零,61,二、失调的温度漂移(Temperature Drift),62,5.4 集成运算放大器的

14、输出级电路,图5.21 互补对称型射极,63,图5.22 交越失真产生的原因及波形,硅管导通电压，约为0.5V,在0.5-0.5V之间，两管的输出电流近似为零。,64,图5.23克服交越失真的互补电路,(a)二极管偏置方式,(b)模拟电压源偏置方式,65,UOH,UOL,线性区,Aud越大，运放的线性范围越小。,5.5集成运放的外部 特性 及其理想化,若UOH = -UOL=12V，Aud=105，uid在什么范围内，运放工作在线性区间?,答:|ui| 0.12mV时，运放处于线性区。,66,通常为了保证运放工作在线性区间，引入深度负反馈。,为保证运放工作在非线性区，运放开环工作或引入正反馈！

15、,UOH,UOL,线性区,集成运放的工作区域,运放工作在不同的区间，有不同的特点，因此分析集成运放首先应判断其工作区间。,67,一、理想运算放大器概念,由于运放具有开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小等特性，在分析时常将其理想化，称为理想运放。,68,二、理想运算放大器特性,(1)“虚短”特性(virtual short circuit),1.理想运放工作在线性(linear)状态时的特性,所以,(2)“虚断”特性(virtual open circuit),所以,由于,集成运放符号,69,集成运放由哪些单元电路构成？传输特性如何？,集成运放知识回顾,70,5.5 集成运放电路举例,5.5

16、.1集成运算放大器F007,71,图5.24 F007电路原理图,输入级,中间级,输出级,比例电流源,镜像电流源,镜像电流源,微电流电流源,72,5.7 集成运算放大器的主要参数,一、输入失调电压UIO和输入失调电流IIO,二、失调的温漂,三、输入偏置电流IIB,四、开环差模电压放大倍数Aud,五、共模抑制比KCMR,当外接RS足够大，使IIO RS UIO时，失调电流,IIO IB1 IB2,73,六、差模输入电阻Rid,七、共模输入电阻Ric,八、输出电阻Ro,九、输入电压范围,十、带宽,十一、转换速率(压摆率)SR,十二、静态功耗Pc,十三、电源电压抑制比PSRR,74,75,图5.2单

17、管电流源电路,76,图5.8 威尔逊电流源,77,(1),(2),(3),78,(4),(5),(6),79,80,以平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺,1.由外延、氧化、光刻、扩散和薄膜淀积（或叫蒸铝）五种基本技术组成平面工艺。,2.采用PN结隔离技术和介质隔离技术。,3.NPN型晶体三极管是最基本的器件；PNP型晶体三极管有纵向和横向两种结构，由于发射区不是高掺杂的，因而，它们的值极低，约在220之间。横向PNP型管的值更低，典型值为35。,81,4.电阻通常有扩散电阻和金属膜电阻两类。 扩散电阻就是杂质半导体的体电阻，由标准N+扩散流程形成的N+区电阻的阻值一般为20100，由标准

18、P扩散流程形成的P区电阻的阻值一般为10020K，阻值的误差较大，约为20%。 利用标准的薄膜沉积流程在二氧化硅表面层上淀积一层金属膜作为电阻。,82,5.一般电容都是PN结（特别是发射结）在反向偏置时的结电容，也可用MOS电容，这是以SiO2为介质的电容器。一般电容量不宜超过100pF。,83,对单级放大器，当在晶体三极管的发射结上加上恒压源及正弦信号电压时，由于伏安特性的非线性，将使集电极电流ic中除了直流和基波分量之外，还包含各次谐波分量，若要求二次谐波振幅为基波振幅的2.5%，则允许信号电压的振幅为： Usm2.6mV,T=300K时，kT/q=0.026V,84,85,差动电路特点,要求两管（VT1、VT2）对称 其它元件也对称 长尾电阻 正、负 双电源 有两个输入端和两个输出端,86,RS,RS,+,-,实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图,+,-,UIO,无 失 调 差 分 放 大 器,I,IO,2,I,IO,2,U,IO,I,B1,I,B,I,B,I,B2,补偿电流,补偿电压,失调电压(Offset Voltage),失调电流,