数电模电路模电课件第四章

1第四章集成运算放大电路内容提要：4.1集成运算放大电路概述4.2集成运放中的电流源电路4.3集成运放电路简介4.4集成运放的性能指标及低频等效电路4.5集成运放的种类及选择4.6集成运放的使用24.1集成运算放大电路概述集成电路是以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。多用于各种模拟信号的运算，如比例、加减、积分、微分等，故被称为集成运算放大电路、简称集成运放。由于其高性能（开环放大倍数大、输入电阻大、输出电阻小、省电、抗干扰能力强等）、低价位、产品系列化，大多数情况下已经取代了分立元件放大电路。3一、集成运放的电路结构特点1、直接耦合2、多用差分电路抑制零漂3、采用复杂电路提高性能，不影响集成工艺4、晶体管取代大电阻5、晶体管常采用复合形式4二、集成运放电路的组成及其各部分的作用输入级：差分放大电路中间级：主放大部分。共射电路，复合管，恒流源作Re，Au可达几千以上输出级：OCL互补对称输出电路偏置电路：采用电流源给各管的c或e提供合适的静态电流，不同于分立元件电路。5三、符号及传输特性集成运放可以看成是一个双端输入、单端输出，具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂地差动放大电路。传输特性uO＝f（uP－uN）：非线性区（饱和区）：输出电压为±UOM线性区：uO＝AOd（uP－uN），AOd－开环放大倍数，可达几十万倍曲线斜率为放大倍数∴线性区很窄例：UOM＝±14V，AOd＝5×105→│uP－uN│<28μV理想运放：AOd＝∞，Rid＝∞，Rod＝0，KCMR＝∞，Ac＝06P188～思考题P213～自测题一74.2集成运放中的电流源电路晶体管和场效应管在集成运放中除了作为放大管外，还可以用来构成UBE倍增电路、电流源电路等。一、基本电流源电路1、镜像电流源T0、T1参数一致IR为参考电流，IC1为输出电流电路存在的问题：①要求IC1大时，IR也得大，则R上的功耗大。②要求IC1小时，IR也得小，则R大、难集成。③β小则误差大电路中有负反馈吗？82、比例电流源IR为参考电流，IC1为输出电流IC1与IR成比例关系Re0、Re1系反馈电阻，所以比例电流源比镜像电流源具有更高的温度稳定性。93、微电流源为输入级放大管的集电极提供的偏置电流往往很小，只有几十微安；为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流——微电流源。将比例电流源中的Re0的阻值减小到零：10实际设计电路时，应首先确定IR和IC1的数值，再求出R和Re的数值。例：若VCC＝15V，IR＝1mA，UBE0＝0.7，UT＝26mV，IC1＝20μA。首先根据①式确定R＝14.3KΩ，再根据②式得Re≈5.09KΩ11二、改进型的电流源电路前述几个基本电流源电路忽略了基极电流的影响，只有在β很大时才成立，若β很小时则IR与IC1相差很大。为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本镜像电流源电路加以改进。。121、加射极输出器的电流源在镜像电流源T0管的集电极与基极之间加一个射极输出的晶体管T2，利用T2的电流放大作用减小基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。例：若β＝10，带入上式得IC1≈0.982IR。说明即使β很小，也可以使得IC1≈IR，保持很好的镜像关系。如图所示，实际电路中，可以在T0管和T1管的基极与地之间加电阻Re2，用来增大T2管的工作电流，从而提高T2的β，此时IE2＝IB0＋IB1＋IRe2132、威尔逊电流源IR为参考电流，IC2为输出电流T1管的c—e串联在T2管的发射极，由于c—e间等效电阻很大、等效于Q点稳定电路中的Re，使IC2高度稳定。三个管子特性完全相同例：若β＝10，带入上式得IC2≈0.984IR。说明即使β很小，也可以使得IC1≈IR，保持很好的镜像关系。14三、多路电流源电路在集成运放中需要为多级放大电路的各个级分别提供合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流、以适应各级的需要。1、基于比例电流源的多路电流源：当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的电流。152、多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。163、MOS管多路电流源T0～T3均为N沟道增强型MOS管，开启电压UGS（th）等参数相等。为了获得更加稳定的输出电流，多路电流源还可以采用带有射极输出器的电流源和威尔逊电流源等形式。例4.2.117四、以电流源为有源负载的放大电路共射（共源）放大电路中，增大集电极（漏极）电阻Rc（Rd）可以提高电压放大倍数，然而为了保证Q点的UCE不变，在增大集电极（漏极）电阻Rc（Rd）的同时必须提高电源电压。在集成运放中用电流源取代Rc（Rd），在电源电压不变的情况下，即可以获得合适的静态电流，交流时由有很大的等效电阻Rc（Rd）。——有源负载。181、有源负载共射放大电路注意：①输入uI中应含有直流分量提供IBQ1，且应等于ICQ1/β；②由于RL的分流作用，带载后ICQ1将有所变化；③若RL很大，则参数模型中的1/h22不能忽略不计。说明T1集电极动态电流几乎全部流向负载，电压放大倍数大大提高。T1为放大管T2、T3为镜像电流源T2管为有源负载192、有源负载差分放大电路

利用镜像电流源可以使差分放大电路单端输出时的差模电压放大倍数提高到接近双端输出时的情况。20P196～思考题214.3集成运放电路简介品种繁多、内部结构也各不相同，但是基本组成部分、结构形式、组成原则基本一致。一、双极型集成运放1、由双极型晶体管构成。分为：偏置电路（电流源），输入级（差分放大电路），中间级（共射放大电路），输出级（互补式电压跟随电路）、分析方法：①化整为零②分析功能③通观整体④定量估算222、例：F007电路简介偏置电路：①从＋VCC经T12、R5和T11到－VCC构成的回路确定偏置电路的基准电流IR5②T12和T13构成镜像电流源为中间级和输出级提供静态电流③T10和T11构成微电流源，分别为T3、T4提供基极电流，为T8和T9构成镜像电流源提供基准电流④T8和T9构成镜像电流源为输入级提供静态电流定量计算见例4.2.123输入级：①（T1和T2）+（T3和T4）为共集＋共基差分放大电路，提高输入电阻、改善频率响应；双端输入单端输出。②T5、T6和T7构成带射极输出器的电流源电路，既作为差分放大电路的有源负载、还将T3管集电极动态电流转换为输出电流ΔiB16的一部分。差模输入时：ΔiC3＝－ΔiC4，ΔiC5≈ΔiC3（忽略T7基极电流），ΔiC5＝ΔiC6（R1＝R3），∴ΔiC6≈－ΔiC4，即ΔiB16＝ΔiC4―ΔiC6≈2ΔiC4——电流加倍、电压自然加倍，克服了单端输出电压放大倍数减半的缺点。共模输入时：ΔiC3＝ΔiC4，ΔiC5≈ΔiC3（忽略T7基极电流），ΔiC5＝ΔiC6（R1＝R3），∴ΔiC6≈ΔiC4，即ΔiB16＝ΔiC4―ΔiC6≈0——抑制共模信号。③电流源除了提供偏置电流外还构成一反馈网络稳定静态电流：（IC1＋IC2）＝IC8↑→IC9↑→（IB3＋IB4）＝（IC10－IC9↑）↓→（IC1＋IC2）↓，反之相反。24中间级：T16和T17组成复合管构成共射放大电路，以电流源IC13为集电极负载，具有很强的放大能力。输出级：①准互补输出级电路：T18和T19组成复合PNP管，与NPN管T14构成准互补形式，R9和R10弥补T18和T19的非对称性，还作为输出电流的取样电阻与D1、D2共同构成过流保护电路。②R7、R8和T15构成UBE倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点、消除交越失真。其