模电自学第四章mnchp4

1、(1-0)第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路 (4-1)第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介 4.4 集成运放的性能指标及低频集成运放的性能指标及低频 等效电路等效电路 4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择 4.6 集成运放的使用集成运放的使用(4-2)集成电路的优点：集成电路的优点： 工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。耗小。集成电路的分类：集成电路的分类： 模拟集成电

2、路、数字集成电路；小、中、大、模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；超大规模集成电路； 4.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成电路：集成电路： 将整个电路的各个元件及连线均制造在同一将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。(4-3)一、集成电路制作特点一、集成电路制作特点1. 相邻元器件参数具有良好的一致性。相邻元器件参数具有良好的一致性。2. 纵向晶体管的纵向晶体管的值大，横向晶体管的值大，横向晶体管的值小，但值小，但耐压高。耐压高。3. 电阻元件由硅半导体构成，范围从几十欧电阻元件由

3、硅半导体构成，范围从几十欧 30千欧，精度低。千欧，精度低。4. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成，结的结电容构成，大电容需外接。大电容需外接。5. 电感元件难于制造。二极管一般用三极管的发电感元件难于制造。二极管一般用三极管的发射结构成。射结构成。(4-4)二、集成运放的结构特点二、集成运放的结构特点1. 因大容量电容不易制作，故均采用直接耦合因大容量电容不易制作，故均采用直接耦合方式。方式。2. 因相邻元器件具有良好的对称性，故大量采因相邻元器件具有良好的对称性，故大量采用差分放大电路和电流源电路。用差分放大电路和电流源电路。3. 用有源元件替代无源元件。如用

4、晶体管取代用有源元件替代无源元件。如用晶体管取代难于制作的大电阻。难于制作的大电阻。4. 用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。路复杂并不增加制作工序。5. 采用复合管，以获得各方面性能俱佳的效果。采用复合管，以获得各方面性能俱佳的效果。(4-5)三、集成运放电路的组成三、集成运放电路的组成偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。多为各级放大电路设置合适的静态工作点。多 采用电流源电路。采用电流源电路。输输 入入 级：级：又称前置级，常为差分放大电路。要求又称前置级，常为差分放大电路。要求Ri大，大， Ad大，大，

5、Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。中中 间间 级：级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合主放大级，常为共射放大电路，多采用复合 管。要求有足够的放大能力。管。要求有足够的放大能力。输输 出出 级：级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，小， 最大不失真输出电压尽可能大。最大不失真输出电压尽可能大。(4-6)四、集成运放的符号和电压传输特性四、集成运放的符号和电压传输特性 电压传输特性：电压传输特性： uo f (uPuN) 线线 性性 区： uoAod (uPuN) 非线性区非线性区(饱和区饱和区)： uo UOM 由于由于Aod高达几十万倍，所以

6、集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压 (uPuN) 的数值仅为几十一百多的数值仅为几十一百多V，当其大，当其大于此值时，集成运放的输出不是于此值时，集成运放的输出不是 UOM , 就是就是UOM 。非常窄非常窄开环差模放大倍数开环差模放大倍数(4-7) 集成运放中的电流源电路充分地利用集成运放中的电流源电路充分地利用了晶体管性能的一致性。它常作为集成了晶体管性能的一致性。它常作为集成运放中的偏置电路和有源负载。运放中的偏置电路和有源负载。4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路(4-8)一、镜象电流源一、镜象电流源T0 和和 T

7、1 特性完全相同，工作于放大区。特性完全相同，工作于放大区。 UBE1=UBE0=UBE，IB1=IB2=IB IC1=IC0=IC，成镜像关系。，成镜像关系。 RCCCBC0RIIIIIII222RUVIIBECCRC时，则时，则若若 24.2.1 基本电流源电路基本电流源电路基准电流基准电流(4-9)温度补偿作用：温度补偿作用： TIC0，IC1 URUBE IB IC0，IC1优点：电路简单，应用广泛优点：电路简单，应用广泛缺点：在缺点：在VCC的值一定的情况下，的值一定的情况下， IC1较大较大 IR增大增大 电阻功耗电阻功耗PR增大；增大； IC1很小很小IR减小减小需要大电阻需要大

8、电阻R。(4-10)在一定范围内在一定范围内对数项可忽略对数项可忽略二、比例电流源二、比例电流源) a ( e1E1BE1e0E0BE0RIURIUSETBEUUSIIUUeIITBElnE当当2 时，时， IC0IE0IR , IC1IE1，代入，代入(a)式得：式得：e0BECCRRRUVI基准电流：基准电流：ReeCIRRI101C1Re1TRe1e0C1IIRUIRRIlnE1E0TBE1BE0IIUUUln(4-11)C1ReTeBE1BE0E1C1IIRURUUIIlnE1E0TBE1BE0IIUUUln设计方法：首先确定设计方法：首先确定IR、IC1，然后确定，然后确定Re、R。

9、三、微电流源三、微电流源特特 点：用阻值较小的点：用阻值较小的R，就可获得很小的，就可获得很小的IC1。若若1 IC1IE1，IC0IE0IRRUVIBECCR基准电流：基准电流：(4-12)4.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路 在基本电流源电路中，只有当在基本电流源电路中，只有当值很值很大时，所得关系式才成立。若采用横向大时，所得关系式才成立。若采用横向PNP 管，管，仅有几倍，仅有几倍，IB对对IC的影响就的影响就不可忽略，为此可改进电路，以提高输不可忽略，为此可改进电路，以提高输出电流与基准电流的传输精度。出电流与基准电流的传输精度。(4-13)一、一、 加射极输出器的电流源加射

10、极输出器的电流源)1 (2 1C1C1E2C1B2C0RIIIIIIIRRC1III)1 (21RUUVIBE1BE2CCR原理：利用原理：利用T2管的电流放大作用，减小基极电流管的电流放大作用，减小基极电流 IB0和和IB1对基准电流对基准电流IR的分流作用。的分流作用。实用电路有时加实用电路有时加Re2，以增大，以增大T2管工作电流，提高其管工作电流，提高其值值基准电流基准电流(4-14)二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源CCBCEIIIII22222212CECIII22222222CCCBCRIIIIII即使在即使在很小时，也可认为：很小时，也可认为：IC2IR。RUUVIBE1BE2C

11、CRAB基准电流基准电流(4-15)1. 基于比例电流源的多路电流源基于比例电流源的多路电流源4.2.3 多路电流源电路多路电流源电路e3E3BE3e2E2BE2e1E1BE1e0E0BE0RIURIURIURIUe3E3e2E2e1E1e0E0RIRIRIRI利用一个基准电利用一个基准电源以获得多个不源以获得多个不同的输出电流同的输出电流基准电流：基准电流：可根据所需可根据所需静态电流选静态电流选取发射极电取发射极电阻的数值。阻的数值。(4-16)2. 多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源 一般多为横一般多为横向向PNP管。当管。当IB一定时，可一定时，可根据所需静态根据所需

12、静态电流，来确定电流，来确定集电结面积。集电结面积。 02C0C201C0C1SSIISSII基准电流基准电流(4-17)3. MOS管多路电流源管多路电流源 ID正比于沟道的宽长比正比于沟道的宽长比S。可根据所需静态电流。可根据所需静态电流，确定沟道尺寸。，确定沟道尺寸。03D0D302D0D201D0D1SSII SSII SSII基准电流基准电流(4-18)4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路: 采用有源器件替代采用有源器件替代集电极电阻集电极电阻RC ，可提，可提高电压放大倍数。高电压放大倍数。静态时静态时

13、UIQ为多少？为多少？be1bLce2ce1urRRrrA)/( 1(4-19)二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路单端输入的差模放大单端输入的差模放大倍数接近于双端输出倍数接近于双端输出静态：静态：IC1 = IC2I/2 ，IC3 = IC4 若若2 IC3IC1 iO = IC4 IC2 0动态：输入差模信号动态：输入差模信号 iC1= - iC2, iC3= iC4 若若2 iC3 iC1； io= iC4 - iC2= iC1 (- iC1)= 2 iC1 be11be1B1C1IOiurriiuiA22(4-20)4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介u了解用途：明确

14、要分析的电路的应用场合、了解用途：明确要分析的电路的应用场合、 用途和技术指标。用途和技术指标。u化整为零：将整个电路图分为各自具有一定化整为零：将整个电路图分为各自具有一定 功能的基本电路。功能的基本电路。u分析功能：定性分析每一部分电路的基本功分析功能：定性分析每一部分电路的基本功 能和性能。能和性能。u统观整体：电路相互连接关系以及连接后电统观整体：电路相互连接关系以及连接后电 路实现的功能和性能。路实现的功能和性能。u定量计算：必要时可估算或应用计算机计算定量计算：必要时可估算或应用计算机计算 电路的主要参数。电路的主要参数。一、读图的分析方法一、读图的分析方法(4-21) 对于集成运

15、放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。流往往是偏置电路中的基准电流。二、举例二、举例 F007电路分析电路分析相位补偿相位补偿防止自激防止自激调零电阻调零电阻基准电流基准电流(4-22)双端输入、单端双端输入、单端输出的共集输出的共集-共基共基放大电路放大电路以复合管作为放大以复合管作为放大管、恒流源作负载管、恒流源作

16、负载的共射放大电路的共射放大电路用用 UBE倍增电路倍增电路消除交越失真的消除交越失真的准互补输出级准互补输出级放大电路放大电路部分部分(4-23)输入级分析：共集输入级分析：共集-共基差分双入单出电路共基差分双入单出电路 T5 T7: 构成电流源，其构成电流源，其为为T3、T4的有源负载，以提高的有源负载，以提高Au接近于双入双出情况。接近于双入双出情况。C21CB3BC10C9C8C21C)()C(IIIIIIIIIT、不不变变、4 T1 T4 : 构成共集构成共集-共基放大共基放大电路。其中电路。其中T1、T2为纵向管；为纵向管； T3、T4为横向管为横向管输入端耐压输入端耐压高；共集高

17、；共集输入电阻大，允许输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大；共基的共模输入电压幅值大；共基频带宽。频带宽。Ri大大, Ad大大, Ac 小小, 共模输入范围大，共模输入范围大，输入端耐压高输入端耐压高(4-24)输出级分析：准互补输出级输出级分析：准互补输出级9OBE14R7D1RiUUUiO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，为导通，为T14基极分流基极分流。 T14、T18 、T19: 构成准构成准互补输出级互补输出级。 D1、D2、R9、R10: 起过起过流保护作用，未过流时，流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。两只二极管均截止。 T15、R7 、R8: UBE倍增倍增电路，防

18、止交越失真。电路，防止交越失真。(4-25)三、举例三、举例 F324电路原理图电路原理图 F324为四个独立的通用型集成运放，它既可单电为四个独立的通用型集成运放，它既可单电 源源(3 30V)工作，又可双电源工作，又可双电源(1.5 15V)工作。工作。(4-26)四、举例四、举例 C14573电路图电路图 C14573为四个独立的为四个独立的CMOS集成运放。它的集成运放。它的Ri高高 达达1010以上，能在很宽的电源电压范围内工作，集以上，能在很宽的电源电压范围内工作，集 成度也更高，常用于测量设备中。成度也更高，常用于测量设备中。相位补偿相位补偿防止自激防止自激(4-27)4.4 集

19、成运放性能指标及低频等效电路集成运放性能指标及低频等效电路 指标参数指标参数 F007典型值典型值 理想值理想值u开环差模增益开环差模增益 Aod 94dB u差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M u共模抑制比共模抑制比 KCMR 80dB u输入失调电压输入失调电压UIO 2mV 0uUIO的温漂的温漂dUIO/dT 20V/ 0一、集成运放的性能指标一、集成运放的性能指标(4-28) 指标参数指标参数 F007典型值典型值 理想值理想值u输入失调电流输入失调电流IIO=|IB1- IB2 | 0uIIO的温漂的温漂dIIO/dT 0u输入偏置电流输入偏置电流IIB=(IB1+ IB2)/

20、2 0u最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax u最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30Vu-3dB带宽带宽 fH 7Hz u单位增益带宽单位增益带宽fCu转换速率转换速率 SR=duO/dtmax (4-29)二、二、 集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路简化的低频等效电路简化的低频等效电路(4-30)4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择u一代：基本沿用分立元件放大电路的设计一代：基本沿用分立元件放大电路的设计 思路思路u二代：普遍采用有源负载，简化电路设计二代：普遍采用有源负载，简化电路设计u三代：输入级采用超三代：输入级采用超管，设计上考虑了管，

21、设计上考虑了 热效应的影响热效应的影响u四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术， 通常不需调零就可正常工作通常不需调零就可正常工作一、集成运放的发展概况一、集成运放的发展概况(4-31)二、集成运放的种类二、集成运放的种类供电方式供电方式单电源单电源双电源：对称、不对称双电源：对称、不对称单运放单运放集集 成成 度度四运放四运放双运放双运放制造工艺制造工艺单极型单极型双极型双极型BiFET型型(4-32)1. 按工作原理分类按工作原理分类电压放大型：电压放大型：uO = Aod uI电流放大型：电流放大型：iO = Ai iI跨跨 导导 型：型：iO = Aiu

22、 uI互互 阻阻 型：型：uO = Aui iI(4-33)2. 按可控性分类按可控性分类可变增益型：可变增益型：选通控制型：选通控制型：A. 由外接由外接 uc 来调整来调整 Aod 。B. 用数字编码信号来控制用数字编码信号来控制 Aod 。 此类运放的输入为多通道，输出为此类运放的输入为多通道，输出为 单通道，可通过输入逻辑信号确定何单通道，可通过输入逻辑信号确定何 通道信号被放大。通道信号被放大。(4-34)3. 按性能指标分类按性能指标分类A. 通用型：通用型：B. 特殊型：高阻型特殊型：高阻型 高速型高速型 高精度型高精度型 低功耗型低功耗型 高压型高压型 大功率型大功率型(4-35)三、集成运放的选择三、集成运放的选择1. 信号源性质信号源性质 由信号源的种类、由信号源的种类、 RS大小、信号源的幅大小、信号源的幅值及频率的变化范围值及频率的变化范围选择选择 rid、-3dB 带宽带宽（或单位增益带宽）、转换速率（或单位增益带宽）、转换速率 SR 等。等。2. 负载的性质负载的性质 由负载大小由负载大小输出电压或电流的幅值。若输出电压或电流的幅值。若负载为容性或感性，则还应考虑其对频率参负载