集成運算放大器電路.ppt

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2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 1 第五章集成運算放大器電路 5 1集成運算放大器的特點 5 2電流源電路 一 鏡像電流源 二 比例電流源 三 微電流電流源 四 負(fù)反饋型電流源 五 有源負(fù)載放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 2 5 3差動放大電路 5 3 1零點漂移現(xiàn)象 5 3 2差動放大器的工作原理及性能分析 一 差模放大特性 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 差模輸入電阻 3 差模輸出電阻 二 共模抑制特性 1 共模電壓放大倍數(shù) 2 共模輸入電阻 3 共模輸出電阻 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 3 三 共模抑制比KCMR 四 對任意輸入信號的放大特性 5 3 3具有電流源的差動放大電路 一 共模抑制比可做的非常高 二 允許輸入端有較大的共模電壓變化 5 3 4差動放大器的傳輸特性 一 兩管集電極電流之和恒等于I 二 傳輸特性具有非線性特性 三 差動放大器的增益與I成正比 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 4 5 3 5差動放大器的失調(diào)及溫漂 一 差動放大器的失調(diào) 二 失調(diào)的溫度漂移 5 4集成運算放大器的輸出級電路 5 5集成運放電路舉例 5 5 1集成運算放大器F007 5 7集成運算放大器的主要性能指標(biāo) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 5 第五章集成運算放大器電路 1 了解差分放大電路的組成和工作原理 掌握靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的分析方法 2 掌握電流源電路的結(jié)構(gòu) 工作原理和分析方法 3 了解典型集成運算放大器的組成及其各部分的特點 掌握其電壓傳輸特性和主要參數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 6 集成電路 60年代發(fā)展起來的一種新型器件 把眾多晶體管 電阻 電容及連線制作在一塊半導(dǎo)體芯片 如 硅片 上 做成具有特定功能的獨立電子線路 外型一般用金屬圓殼或雙列直插結(jié)構(gòu) 集成電路具有性能好 可靠性高 體積小 耗電少 成本低等優(yōu)點 集成運放 是一種模擬集成電路 早期實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運算 主要用于模擬計算機 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中 是一種通用型模擬器件 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 7 5 1集成運算放大器的特點 1 級間只能采用直接耦合方式 集成工藝不能制作大電容和電感 2 盡可能采用有源器件代替無源器件 避免使用大電容 大電阻 3 利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能 參數(shù)一致性好 但單個元器件參數(shù)誤差較大 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 8 圖5 1集成運算放大器組成框圖 差動放大器 負(fù)載為有源負(fù)載的共射放大器 射隨器或互補射隨器 提供各級偏流和有源負(fù)載 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 9 5 2電流源電路 電流源電路即電流恒定的電路 可為集成運放各級電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置電流 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 10 圖5 2 1鏡像電流源 工作電流 參考電流 一 鏡像電流源 CurrentMirror 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 11 圖5 2 2多路鏡像電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 12 圖5 2 3多集電極晶體管鏡像電流源 a 三集電極橫向PNP管電路 b 等價電路 集成電路中多路鏡像電流源的實現(xiàn) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 13 二 比例電流源 圖5 2 4比例電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 14 室溫下 當(dāng)兩管的射極電流相差10倍時 若 1 則IE1 Ir IE2 IC2 僅為此時兩管UBE電壓 600mV 的10 因此 UBE1 UBE2 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 15 三 微電流源 WidlarCurrent 圖5 2 5微電流電流源 當(dāng) 1 1時 IE1 Ir IE2 IC2 已知Ir 1mA 要求IC2 10 A時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 16 四 負(fù)反饋型 威爾遜 電流源 圖5 2 6威爾遜電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 17 若三管特性相同 則 1 2 3 利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動態(tài)內(nèi)阻Ro為 較大的動態(tài)內(nèi)阻 輸出電流受 的影響也大大減小 優(yōu)點 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 18 五 有源負(fù)載放大器 圖5 3 1有源負(fù)載放大器 a 共射電路 b 具有倒相功能的共射電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 19 5 3差動放大電路 DifferentialAmplifier 5 3 1零點漂移現(xiàn)象 1 靜態(tài)時 由于溫度變化 電源波動等因素的影響 會使工作點電壓 即集電極電位 偏離設(shè)定值而緩慢地上下飄動 2 在阻容耦合電路中 因為耦合電容的存在 輸入級工作點的緩飄很難傳到下一級去 因此可忽略它的影響 但對直接耦合放大電路 這種飄動會逐級放大 會使后級放大器進入截止和飽和 這樣整個電路將無法正常工作 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 20 3 差動放大器電路能有效地克服零點漂移 圖5 4 1放大器的零點漂移 等效輸入漂移電壓 輸出漂移電壓 等效輸入漂移電壓限制了放大器所能放大的最小信號 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 21 5 3 2差動放大器的工作原理及性能分析 圖5 4 3基本差動放大器 長尾式 當(dāng)Ui1 Ui2 0時 則流過RE的電流I為 故有 靜態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 22 圖5 4 3基本差動放大器 靜態(tài)時 差動放大器兩輸出端之間的直流電壓為零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 23 U CC R C R L R C R E U EE V 1 V 2 u o u ic RE上有靜態(tài)電壓和交流信號電壓 0V u ic 一 共模 Common Mode 抑制特性 動態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 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 圖5 4 4基本差動放大器的共模等效通路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 25 1 共模電壓放大倍數(shù) 雙端輸出時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 26 單端輸出時 1 共模電壓放大倍數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 27 2 共模輸入電阻 注 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 28 3 共模輸出電阻 單端輸出時 單端輸出時 雙端輸出時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 29 二 差模 Difference Mode 放大特性 動態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 30 圖5 4 6基本差動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 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 31 雙端輸出 浮動輸出 時 1 差模電壓放大倍數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 32 單端輸出時 1 差模電壓放大倍數(shù) 負(fù)載RL 情況下 或 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 33 2 差模輸入電阻 InputDifferentialResistance 注 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 34 3 差模輸出電阻 OutputDifferentialResistance 單端輸出時為 雙端輸出時為 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 35 三 共模抑制比KCMR Common ModeRejectionRatio 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 36 四 對任意輸入信號的放大特性 0V 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 37 1 任意輸入信號的分解及輸入電壓 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 38 2 任意輸入信號作用下 輸出電壓的計算 雙端輸出時的電路圖 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 39 單端輸出時的電路圖 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 40 如兩端都不接地 這種接法稱為雙端輸入 如信號源一端接地 這種接法稱為單端輸入 3 關(guān)于只有一路信號源接入差動放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 41 5 3 3具有電流源的差動放大電路 圖4 12所示的基本差動放大器 存在兩個缺點 一是共模抑制比做不高 若UEE 15V 則室溫下 KCMR 單 的上限約為300 而與RE的取值無關(guān) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 42 二是不允許輸入端有較大的共模電壓變化 公共射極電位變化 差放管的靜態(tài)工作電流變化 rbe改變 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 43 圖5 15具有電流源的差動放大器電路 a 用單管電流源代替RE的差動電路 b 電路的簡化表示 恒流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 44 靜態(tài)工作點的估算 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 45 一 共模抑制比可做的非常高 二 允許輸入端有較大的共模電壓變化 Auc 0 Auc 單 0 KCMR KCMR 單 高 電流源的輸出電阻非常大 rbe幾乎不變 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 46 5 3 4差動放大器的傳輸特性 TransferCharacteristic 圖5 16簡化的差動放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 47 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 48 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 49 i C1 i C2 I i C1 i C2 i C1 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 電流傳輸特性曲線 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 50 b 電壓傳輸特性曲線 圖5 17差動放大器的傳輸特性曲線 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 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 51 一 兩管集電極電流之和恒等于I 二 傳輸特性具有非線性特性 當(dāng)uid 0時 差動電路處于靜態(tài) 這時 iC1 iC2 ICQ I 2 1 在靜態(tài)工作點附近 當(dāng) uid UT 即室溫下 uid在26mV以內(nèi)時 傳輸特性近似為一段直線 2 當(dāng) uid 4UT 即uid超過100mV時 傳輸特性明顯彎曲 而后趨于水平 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 52 三 差動放大器的增益與I成正比 雙端輸出時跨導(dǎo) 單端輸出時跨導(dǎo) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 53 差動放大器的跨導(dǎo)與單級共射電路的跨導(dǎo)相等 從增益的角度看 相當(dāng)于一級共射電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 54 實現(xiàn)了兩個模擬信號電壓相乘 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 55 5 3 5差動放大器的失調(diào)及溫漂 一 差動放大器的失調(diào) 當(dāng)輸入信號為零時 由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對稱 因而使得輸出不為零 這種現(xiàn)象 稱為差動放大器的失調(diào) 與失調(diào)有關(guān)的具體因素 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 56 圖1實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 總輸入失調(diào)電壓 總輸出失調(diào)電壓 差模源電壓增益 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 57 UOOS 圖1實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 IIO RS很大并接近開路時的輸入失調(diào)參數(shù) UIO RS為0時的輸入失調(diào)參數(shù) IIO UIO 差分放大器的固有參數(shù) 利用戴維南等效定理可得a b兩點間開路電壓 b a 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 58 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 圖5 19差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 補償電壓 補償電流 RS RS I B I B 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 59 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 60 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 61 圖5 20差動放大器的調(diào)零電路 a 射極調(diào)零 b 集電極調(diào)零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 62 二 失調(diào)的溫度漂移 TemperatureDrift 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 63 5 4集成運算放大器的輸出級電路 圖5 21互補對稱型射極 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 64 圖5 22交越失真產(chǎn)生的原因及波形 硅管導(dǎo)通電壓 約為0 5V 在0 5 0 5V之間 兩管的輸出電流近似為零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 65 圖5 23克服交越失真的互補電路 a 二極管偏置方式 b 模擬電壓源偏置方式 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 66 5 5集成運放電路舉例 5 5 1集成運算放大器F007 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 67 圖5 24F007電路原理圖 輸入級 中間級 輸出級 比例電流源 鏡像電流源 鏡像電流源 微電流電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 68 5 7集成運算放大器的主要參數(shù) 一 輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO 二 失調(diào)的溫漂 三 輸入偏置電流IIB 四 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 五 共模抑制比KCMR 當(dāng)外接RS足夠大 使IIORS UIO時 失調(diào)電流 IIO IB1 IB2 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 69 六 差模輸入電阻Rid 七 共模輸入電阻Ric 八 輸出電阻Ro 九 輸入電壓范圍 十 帶寬 十一 轉(zhuǎn)換速率 壓擺率 SR 十二 靜態(tài)功耗Pc 十三 電源電壓抑制比PSRR 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 70 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 71 作業(yè) 4 1 1 4 2 4 4 4 5 4 7 4 6 4 12 4 14 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 72 圖5 2單管電流源電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 73 圖5 8威爾遜電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 74 1 2 3 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 75 4 5 6 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 76 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 77 以平面工藝為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體集成電路的制造工藝 1 由外延 氧化 光刻 擴散和薄膜淀積 或叫蒸鋁 五種基本技術(shù)組成平面工藝 2 采用PN結(jié)隔離技術(shù)和介質(zhì)隔離技術(shù) 3 NPN型晶體三極管是最基本的器件 PNP型晶體三極管有縱向和橫向兩種結(jié)構(gòu) 由于發(fā)射區(qū)不是高摻雜的 因而 它們的 值極低 約在2 20之間 橫向PNP型管的 值更低 典型值為3 5 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 78 4 電阻通常有擴散電阻和金屬膜電阻兩類 擴散電阻就是雜質(zhì)半導(dǎo)體的體電阻 由標(biāo)準(zhǔn)N 擴散流程形成的N 區(qū)電阻的阻值一般為20 100 由標(biāo)準(zhǔn)P擴散流程形成的P區(qū)電阻的阻值一般為100 20K 阻值的誤差較大 約為 20 利用標(biāo)準(zhǔn)的薄膜沉積流程在二氧化硅表面層上淀積一層金屬膜作為電阻 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 79 5 一般電容都是PN結(jié) 特別是發(fā)射結(jié) 在反向偏置時的結(jié)電容 也可用MOS電容 這是以SiO2為介質(zhì)的電容器 一般電容量不宜超過100pF 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 80 對單級放大器 當(dāng)在晶體三極管的發(fā)射結(jié)上加上恒壓源及正弦信號電壓時 由于伏安特性的非線性 將使集電極電流ic中除了直流和基波分量之外 還包含各次諧波分量 若要求二次諧波振幅為基波振幅的2 5 則允許信號電壓的振幅為 Usm 2 6mV T 300K時 kT q 0 026V 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 81 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 82 差動電路特點 要求兩管 VT1 VT2 對稱其它元件也對稱長尾電阻正 負(fù)雙電源有兩個輸入端和兩個輸出端 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 83 RS RS 實際差分放大器加補償電壓 補償電流示意圖 UIO 無失調(diào)差分放大器 I IO 2 I IO 2 U IO I B1 I B I B I B2 補償電流 補償電壓 失調(diào)電壓 OffsetVoltage 失調(diào)電流