模拟电子技术(第2版)高吉祥课件chapter-4

1、一、集成电路（IC）概述 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。它体积小、性能很好，能完成一定的功能。二、模拟集成电路的分类（三种分类方法） 1、按结构工艺分：半导体集成电路、混合集成电路、电子管集成电路； 2、按集成度分：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路； 3、按功能分：模拟集成电路、数字集成电路.4.1 集成电路的特点及基本电路结构1三、模拟集成电路的特点 1.同在一块硅片上制造，元件参数的一致性很好。 2.电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻构成，阻值范围为几十欧20千欧左右，另外电阻值的精度

2、不易控制，误差在20%30%左右。 3.电路中电容值也不大(几十PF)。 4.集成电路存在温漂。 5.电路中的二极管多用作温度补偿或电位移动.运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。集成电路中第一级常采用差动电路。(为克服或减小温漂)2基本恒电流源(镜象电流源)电路4.2 电流源电路三极管T1、T2匹配动态输出电阻：3在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路下图所示。比例电流源4.2.1 比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有：4 微电流源

3、电路如图04.05所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。微电流源4.2.2 微电流源由图可得：5Io与IR的关系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D= 一般有IS1= IS2，所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI=D=因 小， 。同时 的稳定性也比 好。DVBEIoRC，共模放大倍数Auc0。16可见在双端输出情况下差模放大电路对共模信号抑制作用：1.依靠电路的对称性；2.依靠RE的负反馈作用。差动放大电路抑制共

4、模能力用共模抑制比KCMR来衡量。通常也用分贝(dB)表示：共模抑制比越大，抑制能力越强。双端输出电路输出电阻：RO=2RC17二、单端输出负载接在差动放大电路的一个集电极和地之间，称为。半电路电压放大倍数：单端输出差模电压放大倍数：单端输出差模电压放大倍数是双端输出电路的一半。18差模放大倍数通常以总输入ui(包括 和 )求解，共模放大倍数通常以单边输入求解。其实单端输出时差模和共模放大倍数都为单边放大倍数，但由于求解总差模或共模电压放大倍数时对输入信号的约定不一样，所以有：单端输出总电路的差模电压放大倍数是单边电路自身电压放大倍数的一半；单端输出总电路的共模电压放大倍数是单边电路自身电压放

5、大倍数。19单端输出电路输出电阻：RO=RC在单端输出情况下，抑制共模仅靠RE的负反馈作用。4.3.4 单端输入差动放大电路输入信号加在差动放大电路一边，另一边输入端接地，称为。单端输入等效成双端输入。差模放大倍数，共模放大倍数都只取决输出电路形式。输入电阻与双端输入时一样：20(1)差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关: 差动放大器动态参数计算总结双端输出时：单端输出时：(2)共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关:双端输出时：单端输出时：21(3)差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。单端输出时： (4

6、)输出电阻双端输出时：224.3.5 具有恒流源的差动电路RE越大，抑制共模能力越强。但RE增大受直流电压VEE有限制。由于恒流源有直流电阻较小、动态电阻大的特点，用恒流源取代RE，可以提高电路的共模抑制比。234.4 直流电平移动电路直接耦合电路中，如采用NPN共射放大，则VCVB，多级电路时，从前至后各级VC将依次上升，最终使输出直流电平比输入直流电平高很多。对供电电源要求高，所以必须进行直流电平移动。方法一：利用恒流源直流电阻小，动态电阻大特点，用电阻与恒流源串联分压降低电平，同时保障交流信号电压不受大的影响。24方法二：利用NPN和PNP管配合实现电平转移。因为NPN管VCVB，PNP

7、管VBVC。利用它们互补来完成电平转移。254.5 复合管结构一、结构26二、参数复合管的等效类型(NPN或PNP)由输入管确定。构成管合管的原则是内部电流方向一致。bec1IB1(1+1)IB1IB1(1+1)(1+ 2)IB1(1+1)2IB1IC复合管输入电阻：274.6 集成运算放大器的输出电路工作原理：b)ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。 1.互补对称射极输出电路a)由于电路对称，当ui=0时，uo=0。28输入输出波形图交越失真死区电压uiuououo292.

8、 克服交越失真的互补对电路静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态,以消除交越失真。 电路中增加 D1、D2工作原理：304.7 集成运算放大电路简介集成运放：高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻采用直接耦合，存大零点漂移问题，输入级都采用差动放大电路；为了取得大的电压放大倍数，中间级常采用共射放大电路；为了提高带负载能力，输出级常采用互补功率放大电路。31输入级中间级输出级偏置电路4.7.1 F007双极型集成运算放大器AB（动画演示）324.7.2 COMS集成运算放大器1. C14573集成运算放大电路332. 5G7650集成运算

9、放大电路34运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。4.8 集成运算放大器的主要参数1.输入直流参数(1)输入失调电压UIO：(input offset voltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。35(3)输入偏置电流IIB：(input bias current)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。(2) 输入失调电压温漂

10、aUIO：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值dUIO /dT 。(4)输入失调电流IIO：(input offset current)运放输入时，两个输入端输入偏置的直流电流值之差。36(5)输入失调电流温漂aIIO：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值dIIo /dT 。2.差模特性参数(1)差模开环电压增益Audo：(open loop voltage gain)运放不加反馈称为开环。此时的电压放大倍数称为开环增益。常用分贝dB表示。分贝数为：20lg| Audo|。(2)差模输入电阻rid：(input resistance)

11、开环状态下，输入差模信号时，运放的输入电阻。(3)差模输出电阻rod：(output resistance) 运放的输出电阻。37(4)-3dB带宽fH：运放增益Aod下降到0.707倍时，所对应的频率。(5)最大输入差模电压Uidm：指运放两输入端之间允许加的最大电压。3.共模特性参数(1)共模抑制比KCMR：差模放大倍数与共模放大倍数比值的绝对值。(2)最大输入共模电压Uicm：允许输入的最大共模电压值，超过此值，共模掏能力会严重恶化。38(1)上升速率SR：表示运放对大信号阶跃输入响应速度的参数。定义为单们时间内输出电压的最大变化率。4.其它参数(2)输出电压的最大摆幅：在标称电压和额定

12、负载下，运放的交流输出信号不出现明显非线性失真，运放所能达到的最大输出电压峰值。4.9 集成运算放大器的电路模型五个引脚：+VCC、-VEE、同相输入端、反相输入端、输出端.在同相端输入信号，输出与输入同相；在反相端输入信号，输出与输入反相。394.9.1 集成运算放大器的开环电压传输特性集成运放在开环状态工作时，有两种状态：线性放大状态和饱和状态。40当输入差动电压超过一定范围，即发生正向饱和(输出趋于+VCC)或发生反向饱和(输出趋于-VEE)。当输入限定在规定范围内，放大器线性放大信号。414.9.2 集成运算放大器线性工作的低频模型低频时，只考虑一些重要参数。如Aud、KCMR、rid

13、、ro、IB、UIO、IIO等。模型中有两个受控源，一个表示差模信号的作用，一个表示共模信号的作用。42如忽略失调参数影响，并认为KCMR无穷大，电路模型可大为简化。4.9.3 集成运算放大器的理想化模型理想运算放大器的条件：43差模电压放大倍数 Aud=共模抑制比 KCMR= 输入电阻 Rid=输出电阻 Ro=0输入偏置电流 IIB=0输入失调电流 IIO=0输入失调电压 UIO=0开环带宽 fH= 44 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性,这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用.为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈)下工作。 (1)虚短：由于运放的电压放大倍数很大，一般通用

14、型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。45“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。(2)虚断：由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于

15、线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。46例4.9.1：有一理想运算放大器组成的电路如图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断Ii 0，故V+0且Ii If根据虚短，V+ V- 0Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1Vo If Rf =Vi Rf /R1电压增益：Avf= Vo /Vi =Rf /R1根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。反相比例运算电路47例4.9.2：有一理想运算放大器组成的电路如图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断，Vi =V+根据虚短，Vi =V+ V- V+= Vi = Vo R1 /(R1+ Rf)Vo Vi 1+(Rf /R1) 电压增益：Avf= Vo /Vi =1+(Rf /R1)根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算。同相比例运算电路48运算放大器外形图49本章小结1.集成运放实际上是一个高性能的直接耦合的多级放大电路。输入级通常采用差动放大电路,中间级为放大倍数高的共射，输出级多采用输出电阻低的互补电路，偏置电路是多路恒流源电路。2