6.集成电路运算放大器.ppt

1、6.2 差分式放大电路,6.3 集成电路运算放大器,6.4 集成电路运算放大器的主要参数 6.5 专用集成电路运算放大器,6 集成电路运算放大器,绪论,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,集成电路：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基片上，构成特定功能的电子电路。,绪论,模拟集成电路，数字集成电路。,模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电压集成电路等。,集成电路的基片一般是由一块约0.2-0.25mm的P型硅片制成。,二.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：,1.电路结构与元件参数具有对称性；同一硅片，相

2、同工艺元件特性相同。,2.大电阻不易集成；硅半导体的体电阻阻值范围不大（几十欧到几十K欧）,误差大（10%到20%)；尽量少用电阻,常用有源器件代替无源器件。,3.采用复合结构的电路电路中多采用复合管、共射-共基、共集-共基等组合电路。,4.级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容直接）大电容不易集成。PN结电容几十皮法以下。,5.电路中常使用二极管二极管多用作温度补偿元件，常用BJT的发射结构成。,6.1 集成电路运算放大器中的恒流源, 镜像电流源, 多路电流源, 电流源作有源负载, 微电流源, 概述,1. 概述,实现恒流源的基本思想,IC恒定, IB恒定, VBE恒定,1. 概述,负载为RC，

3、,缺点：1. 受电源波动影响大；2. 电阻过多,2. 镜像电流源,恒流特性,无论Rc的值如何， IC2的电流值将保持不变。, VBE ,T , IC, IB,IC, IREF , IB,2. 镜像电流源,交流电阻,由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量,一般Ro在几百千欧以上,电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点。,精度更高的镜像电流源（不够大时）,由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何证明）,缺点： 1. 受电源波动影响大； 2.电流最低至mA级。,IC2=IC1=IREF-IB=IREF-IE3/(+1),如10 IC2=0.982 IREF,增加电阻Re3目的是使IE3增大

4、。,3. 微电流源,所以IC2也很小,3. 微电流源,iC1=ICSexp(vBE1VT)；iC2=ICSexp(vBE2VT),VT=26mV；IC1 mA级；IC2 uA级；Re千欧级,优点：受电源波动影响小；,公式推导,3. 微电流源-稳定性讨论,对上式微分，可得,1. 输出电流稳定性比参考电流稳定性要好的多；,2. IC1越大，IC2越小，则其稳定性越好。,4.多路电流源,组成,公式推导,IC=IREF- IB/,当较大时IC=IREF,由于各管的， VBE相同，则,IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3,IC2IE2=IREFRE/RE2,IC3IE3=IRE

5、FRE/RE3,所以IC1IE1=IREFRE/RE1,5. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益为,比用电阻Rc作负载时提高了。,放大管,6.2 差分式放大电路, 电路组态,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.2 FET差分式放大电路,6.2.3 差分式放大电路的传输特性, 主要指标计算, 几种方式指标比较, 改进电路,电容耦合：隔离各级的静态工作点。直接耦合：各级的静态工作点相互影响。,一 电路的耦合方式,基础概念,1.定义：输入为零时，输出还有缓慢变化的电压产生， 即输出电压偏离原来起始点而上下波动。2.原因：温度变化，电源电压

6、波动等内部原因。3.影响：静态工作点，与被放大信号混淆，被后级传 播恶化。4.等效表示：vi=vo/AV折合到输入端，便于输入信号比较。,二、零点漂移,图1.b,三. 零漂的克服,由稳定静态工作点电路，考虑到直接耦合的情况得到图1（a）。,图1.a,如果存在一个产生零点漂移的信号源，从输出信号中扣除掉，就可以克服零点漂移,图1（b）。 。,图1.c,差分式放大电路,四. 定性分析,1.当vi 1=vi 2时，输出vo=vo1-vo2=0;2.当vi 1=-vi 2时，输出vo=vo1-vo2=2vo1;,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,差动特性,3. vi 1vi

7、2, vo=?。,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,概念,根据1、2两式又有,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,差模信号输出,共模信号输出,考虑到要减轻射极电阻对放大倍数的影响,当vi 1=-vi 2时，ie1=-ie2,让两管共用一个射极电阻，可以保证两管射极交流接地;,图1.d差分放大器,差分式放大电路的改进,理想电流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点。,恒流源的作用：1.提供放大电路的偏置电流； 2.替代交流大电阻；（提高共模抑制比）,带恒流源的差分放大器,6.2.1 基本差分式放大电路,1. 差分式放大电路的组态, 双入、双出, 双入、单出, 单入、

8、双出, 单入、单出,基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。,所谓“单端”指一端接地。,“单端”的情况，还具有共模抑制能力吗？,如何进一步改进呢？,？,动态,输入差模信号；输入共模信号；,2. 各组态电路的性能参数,静态,动态性能指标：,共模抑制比,差模电压增益,共模电压增益,差模输入电阻,共模输入电阻,差模输出电阻,共模输出电阻,3. 主要指标计算, 双入、双出,静态,IE1=IE2=(VEEVBE)2RE ；,VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IE,Vo=0；,3. 主要指标计算,差模电压增益,动态,仅输入差模信号；,Rid=2rbe;,Rod=2RC,共模电

9、压增益,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,仅输入共模信号：,Roc=2RC,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,共模电压增益越小，放大电路的性能越好。,3. 主要指标计算,静态,IE=(VEEVBE)2RE ；,VCE=Vo+VEEREIE, 双入、单出,-,3. 主要指标计算,差模电压增益,动态,仅输入差模信号；,Rid=2rbe;,Rod=RC,共模电压增益,共模增益,仅输入共模信号：,Roc=RC,Voc=ICRL;,Vic=IBrbe+(1+)2Re;,（3）共模抑制比,3. 主要指标计算,静态, 单入、双出,与双入双出的一样,IE1=IE2=(VEEVB

10、E)2RE ；,VCE1=VCE2VCC+VEE(RC+2RE)IE,Vo=0；,3. 主要指标计算,动态,运用叠加定理：,共模输入信号,与双入双出的一样,3. 主要指标计算,静态,与双入单出的一样, 单入、单出,IE=(VEEVBE)2RE ；,VCE=Vo+VEEREIE,Vo=VCCRL(RC+RL)ICRLRC(RC+RL)；,3. 主要指标计算,动态,可转化为双入单出的情况；,4. 几种方式指标比较,双端输入,单端输入,4. 几种方式指标比较,重要结论,在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上，可以知道：要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比，两个关键因素是： 电路对称性； 共射极电

11、阻。,6.2.2 FET差分式放大电路,1.电路图（单入单出）,分析方法相同但输入电阻很大，JEFT 1012欧姆MOS 1015欧姆,2.电路图分析,T2,+vDD,-vss,iD2,(1)电路结构,双入双出差分式放大电路耗尽型NMOSFET对管T1、 T2,有源负载增强型NMOSFET对管T3T4,偏置电路TREF、T5、T6 T7组成。,（2）工作原理,电路的基准电流IREF ID5 ID6 I0,静态分析 ID1 ID2 I0/2 输出电压 vo voD1- voD2 0,动态分析 vo voD1- voD2 差模电压增益 AVD vo / vid -2 gm (rds1/ rds3)

12、.,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,vO=RL(iC2iC1),其中RL=RC0.5RL ；,iC1=ICSexp(vBE1VT)；iC2=ICSexp(vBE2VT),I0=iC2+iC1,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,图中纵坐标为,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,end,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,传输特性曲线区域的划分：,被视为线性区；,被视为非线性区；,被视为饱和区；,由于输出有两个稳定状态，可用于数字逻辑，称为ECL电路.,6.3 集成电路运算放大器,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,6.3.1 简单的集成电路运

13、算放大器,组成,6.3.1 简单的集成电路运算放大器,分析：图6.3.2.a 1.该运放的输入级、中间级和输出级分别由哪几个管子 组成，各级分别为什么组态，为什么？ 2.T7、T8和D、T9 各组成什么电路，起什么作用？ 3.T5、T6和R5 在此有什么作用？ 4.各级的Q点如何确定？,1. T1T2双入单出差分式放大电路为输入级。,2. T3和T4组成复合管共射极放大电路。,3. T5和T6组成电压跟随器作为输出级。,4. T7和T8和R2为偏置电路,5. R7 、D、T9 组成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,N为反相输入端P为同相

14、输入端O为输出端。,集成运放内部结构（举例）,第1级：差动放大器,第2级：差动放大器,第3级：单管放大器,第4级：互补对称射极跟随器,极性判断,6.3.2 通用型集成电路运算放大器,end,简化电路,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,参数的分类：,1. 输入误差信号,1）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到 输入端的数值。反映了输入级不对称的程度。,2)两个概念：失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时， 输出不为零的现象。一般用调零装置来补偿。,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,3）参数：输入失调电压VIO 输入失调电流IIO 输入失调电压温漂VIO / T 输入

15、失调电流温漂IIO / T 输入偏置电流IIB,失调温漂：放大器失调随温度的变化而变化使输出量变化的现象。 难以用调零装置补偿。,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,2. 开环差模特性： 开环差模电压增益AVO 最大差模输入电压Vidmax 开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT),3. 开环共模特性： 开环共模电压增益AVO 最大共模输入电压Vicmax 共模抑制比KCMR,本章结束,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,3. 瞬时特性： 转换速率SR,a. 输入偏置电流IIB,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,b. 最大差模输入电压Vidmax,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,c. 最大共模输入电压Vicmax,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,d. 开环差模电压增益AVO,e. 开环带宽BW (fH),f. 单位增益带宽 BWG (fT),g. 转换速率SR,集成运放的缺点：,开环带宽窄,输入线性范围小,741型运放AVO =106db=2105倍; Vcc =12V; ViMax =60uV,end,耦合电容或隔直电容：隔离各级的静态工作点。而直接耦合：各级的静态工作点相互影响，若是固定影响，电平移动；但静态时的影响不是固定的。,