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1、1,模 拟 电 子 技 术,2,本章讨论的主要问题：集成运算放大器内部电路的静态工作点是怎样设置的？集成运算放大器如何解决直接耦合方式产生的零点漂移问题？实际的集成运算放大器及主要参数是怎样的？实际运算放大器非理想参数对运算精度会产生怎样的影响？,3,主要概念：差模信号 共模信号 差模增益 共模增益 共模抑制比 教学基本要求：了解各种电流源的工作原理、特点和主要用途；掌握差模信号、共模信号、差模电压增益、共模电压增益、共模抑制比等基本概念；了解差分放大电路的工作原理和特点；了解集成运放的基本组成和主要参数；了解失调电压和失调电流对实际运放的影响及零漂的消除方法。,4,6 模拟集成电路,6.1
2、模拟集成电路中的直流偏置技术,6.3 差分式放大电路的传输特性,6.4 集成电路运算放大器,6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响,6.2 差分式放大电路,6.6 变跨导式模拟乘法器,6.7 放大器中的噪声和干扰,5,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.1.1 BJT电流源电路,6.1.2 FET电流源,1. 镜像电流源,2. 微电流源,3. 高输出阻抗电流源,4. 组合电流源,1. MOSFET镜像电流源,2. MOSFET多路电流源,3. JFET电流源,6,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,T1、T2的参数全同,即12，ICEO1ICEO2,当BJT的
3、较大时，基极电流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符号,7,6.1.1 BJT电流源电路,1. 镜像电流源,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,8,6.1.1 BJT电流源电路,2. 微电流源,所以IC2也很小。,rorce2（1 ）,（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）,9,A1和A3分别是T1和T3的相对结面积,动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高,6.1.1 BJT电流源电路,3. 高输出阻抗电流源,10,6.1.1 BJT电流源电路,4. 组合电流源,T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF,T1和T2、T4和T5构成镜像电流源,T1和T3，T4和T6构成了微电流源,
4、11,6.1.2 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,当器件具有不同的宽长比时,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本镜像电路流,12,6.1.2 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为,常用的镜像电流源,13,6.1.2 FET电流源,2. MOSFET多路电流源,14,6.1.2 FET电流源,3. JFET电流源,end,(a) 电路 (b) 输出特性,15,6.2 差分式放大电路,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,16,6.
5、2.1 差分式放大电路的一般结构,1. 用三端器件组成的差分式放大电路,17,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,2. 有关概念,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,共模信号产生的输出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,18,6.2.1 差分式放大电路的一般结构,2. 有关概念,根据,有,共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分,两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。,19,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,20,6.2.2 射极耦合差分式放大电路,1. 电路组成及工作
6、原理,静态,21,动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,1. 电路组成及工作原理,22,2. 抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,23,这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,2. 抑制零点漂移原理,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用,24,3. 主要指标计算,（1）差模情况,接入负载时, 双入、双出,25,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双入、单出,接入负载时,26,3. 主
7、要指标计算,（1）差模情况, 单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同。,27,3. 主要指标计算,（2）共模情况, 双端输出,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,28, 单端输出,抑制零漂能力增强,3. 主要指标计算,（2）共模情况,29,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,30,例,(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益。,解：,求:,(1)静态,31,(2)电压增益,32,(3),差分电路的共模增益,共模输入电压,不计共模输出电压时
8、,33,(4),34,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,静态,IE6 IREF,IO IE5,35,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模电压增益 （负载开路）,则,单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益,36,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模输入电阻 Rid2rbe,输出电阻,37,4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,共模输入电阻 Ricrbe2(1)ro5,38,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放大电路,39,6.2.3 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放大电路,双端输出差模电压增益,而:,所以：,40,6.2.3
9、 源极耦合差分式放大电路,1. CMOS差分式放大电路,单端输出差模电压增益,vo2(id4-id2)(ro2| ro4),gm vid（ro2 | ro4）,(ro2| ro4), gm(ro2 | ro4 ),与双端输出相同,end, gm(rds2 | rds4 ),41,6.3 差分式放大电路的传输特性,根据,iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1vO2VCCiC2Rc2,可得传输特性曲线vO1，vO2f（vid）,42,vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线,end,43,6.4 集成
10、电路运算放大器,6.4.1 CMOS MC14573集成电路运算放大器,6.4.2 BJTLM741集成运算放大器,44,6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器,1. 电路结构和工作原理,45,2. 电路技术指标的分析计算,(1)直流分析,已知VT 和KP5 ，可求出IREF,根据各管子的宽长比 ，可求出其他支路电流。,下一节,46,(2)小信号分析,设 gm1 = gm2 = gm,则,2. 电路技术指标的分析计算,输入级电压增益,47,(2)小信号分析,2. 电路技术指标的分析计算,48,6.4.2 BJTLM741集成运算放大器,原理电路,49,简化电路,end,6.4
11、.2 BJTLM741集成运算放大器,50,6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响,6.5.1 实际集成运放的主要参数,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,51,6.5.1 实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性（输入失调特性）,1. 输入失调电压VIO,在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。,2. 输入偏置电流IIB,输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值,IIB（I
12、BNIBP）/2,BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。,52,6.5.1 实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性（输入失调特性）,3. 输入失调电流IIO,输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO|IBPIBN|VI0一般约为1 nA0.1A。,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂IIO / T,53,6.5.1 实际集成运放的主要参数,差模特性,1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW,开环差模电压增益Avo,开环带宽BW (fH),单位增益带宽 BWG (fT),741型运放AvO的
13、频率响应,54,6.5.1 实际集成运放的主要参数,差模特性,2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro,BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 MOSFET为输入级的运放rid1012 超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA 一般运放的ro200，而超高速AD9610的ro0.05。,3. 最大差模输入电压Vidmax,55,6.5.1 实际集成运放的主要参数,共模特性,1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric,一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。,2. 最大共模输入电压Vicmax,一般指运放在作电压跟随器时，使输出电
14、压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。,56,6.5.1 实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,1. 转换速率SR,放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即,若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom,57,6.5.1 实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,2. 全功率带宽BWP,指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即,SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD
15、9610的SR3500V/s。,58,电源特性,1. 电源电压抑制比KSVR,衡量电源电压波动对输出电压的影响,2. 静态功耗PV,6.5.1 实际集成运放的主要参数,59,1. 集成运放的选用,根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,60,2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,输入为零时的等效电路,61,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容C，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,62,end,3. 调零补偿,6.5.2 集成运放应用中的实际问题,（a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路,下一节,63,6.6 变跨导式模拟乘法器,6.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理,6.6.2 放模拟乘法器的应用,
