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1、6-1,第六章 集成电路运算放大器,本章主要要求： 1.了解集成运放的基本组成与工作原理； 2.掌握集成运放的外部特性，熟悉其主要参数。,6-2,第六章 集成电路运算放大器,在半导体制造工艺的基础上，将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，成为集成电路。,集成电路按其功能来分，有模拟集成电路和数字集成电路。,6-3,集成电路概述,人们经常以电子器件的每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志 1904年 电真空器件（如真空三极管） -第一代 1948年 半导体器件（如半导体三极管） -第二代 1959年 集成电路 -第三代 1974年 大规模集成电路 -第四代,6-4,集
2、成电路概述,按构成有源器件的类型，可分为双极型（用BJT等）和单极型（用场效应管）两种。 按封装形式分，有双列直插式、圆壳式和扁平封装等类型。 ,6-5,5、二极管：常用BJT 的发射结来代替。主要起是电平移动作用。,模拟集成电路的特点：,1、元件参数同一性（对称性）好，适于构成差分放大电路。,2、电阻精度不高：可用BJT恒流源代替大电阻,3、电容：小电容可用PN结结间电容代替(几十PF），大电容要外接,4、电感：电感都是靠外接,6.多采用复合结构电路，级间采用直接耦合方式。,6-6,集成运算放大器概述,集成运算放大器（Operational Amplifier，Op-amp）是一种通用的集成
3、电路，广泛应用于各种线性集成电路系统中。 早期的集成运放主要用于数学运算（如加、减、乘、除、积分、微分）电路中。 初期是由真空管构成，需较高工作电压，功耗也大。 当今的集成运放由线性集成电路构成，在相对较低的电压下工作，且具有更高的可靠性和比较低廉的价格。,6-7,集成运算放大器概述,集成运放内部实际上是一个高增益的、高输入阻抗、低输出阻抗，带深度负反馈的多级直接耦合放大器。,集成运算放大器内部组成原理框图,6-8,1 输入级 输入级是提高运算放大器质量的关键部分, 要求其输入电阻高, 为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号, 输入级都采用具有恒流源的差动放大电路, 也称差动输入级。 2 中间级
4、 中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数, 故而也称电压放大级。 要求中间级本身具有较高的电压增益。,6-9,3 输出级 输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要, 同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻, 以起到将放大级和负载隔离的作用。 4 偏置电路 偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流, 一般由各种恒流源电路组成。,集成运放的符号,6-10,电流源可以为放大电路提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载，提高放大电路的增益。,6.1 电流源,在三极管输出特性中，有恒流的特点。因此利用三极管的这种特性外加适当的辅助电路组合成电流源。,6-11,图是由三极管构成的电流源
5、电路。实际上，它就是分压式射极偏置电路的直流通路。特别值得注意的是，此处电路是单口网络，不再有输入信号，输出端口在集电极上。Rc作为电流源的负载，IC也就是电流源的输出电流。,一、三极管电流源,用三极管BJT构成电流源时，只要使基极电流IB保持不变，输出集电极电流也将保持恒定。,6-12,由射极偏置电路静态工作点估算法可求出电流源的输出电流,6-13,从电流源端口看进去的交流等效电阻为：,6-14,6-15,为了进一步提高电路的温度稳定性，可以对三极管进行温度补偿当用同样的一个三极管进行补偿时，便得到接下来要介绍的镜象电流源,二、镜象电流源,将三极管电流源中的Rb1、Rb2支路换成R、T1，原
6、来的T变成T2，将T1的基极和集电极连接在一起并去掉Re，便得到图示的镜象电流源。由于T1和T2的发射结并联在一起，当T1、T2的特性相同时，T1对T2有很好的温度补偿作用。可以大大提高电流源的温度稳定性。,6-16,由于两管的VBE相同，所以他们的发射极电流和集电极电流均相等。,电流源的输出电流，即T2的集电极电流为,当b1,由上式可以看出，当R和VCC确定后，基准电流IREF也就确定了，IC2也随之而定。我们把IC2看作是IREF 的镜象，所以称图为镜象电流源。,6-17,当b不够大时，IC2与IREF就存在一定的差别。为了减小镜象差别，在电路中接入BJT T3，如图所示。,利用T3的电流
7、放大作用，减小了IB对IREF的分流作用，从而提高了IC2与IREF互成镜象的精度。为了避免T3的电流过小而使b3下降，常在T3的射极加一电阻Re3，使IE3增大。,镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小IC2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。,6-18,三、微电流源,即利用两管基-射极电压差DVBE来控制输出电流IC2 。由于DVBE的数值小，故用阻值不大的Re2就可获得微小的工作电流。一般VBE2 VBE1，T2工作在输入特性曲线的弯曲部分。,6-19,四、多路电流源,在模拟集成电路中，经常用到多路电流源，图为一种典型的多路电流源。T1、T2、T3的基极是并
8、联在一起的。电路用一个基准电流IREF获得了多个电流。,6-20,五、电流源用作有源负载,由于电流源具有交流电阻大的特点，所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。这种由有源器件及其电路作为放大电路的负载称为有源负载。,6-21,图为共发射极有源负载放大电路。T1是共射极接法的放大管，信号由基极输入、集电极输出。两个PNP管和电阻R组成镜象电流源作为T1的负载。电流IC2等于基准电流。（图中没有画出T1基极的静态偏置电压电路）根据共射放大电路的电压增益可知，该电路电压增益表达式为,由于电流源的内阻很大。所以有源负载大大提高了放大电路的电压增益 。,6-22,一、差模信号和共模信号的概念,当
9、两个输入端分别输入信号vi1和vi2时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号，即,6.2 差分式放大电路,共模信号,差模信号,6-23,一、差模信号和共模信号的概念,两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分，两种信号在两个输入端呈现出的特点是：共模分量是大小相等，相位相同；差模分量是大小相等，相位相反。,6.2 差分式放大电路,6-24,若 Vo表示由差模信号产生的输出，Vo 表示由共模信号产生的输出，则差模输出信号与差模输入信号之比称为差模增益，而共模输出信号与共模输入信号之比称为共模增益，即,差模增益,共模增益,放大电路总的输出电压应为差模输出和共模输出之和
10、，即,差模增益与共模增益的比值称为共模抑制比，用 KCMR 表示。,6-25,二、零点漂移,实用的放大电路通常由几级基本放大单元级联而成，构成多级放大电路。各级之间的连接方式称为耦合方式。,直接耦合也称为直流耦合，该耦合方式将前一级的输出与后一级的输入直接连接，没有电抗元件，因此可以放大变化缓慢的直流信号。且便于制成集成电路。,常用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合三种。,阻容耦合就是以电容作为耦合元件的电路。,阻容耦合和变压器耦合方式都属于交流耦合，主要用于分立元件电路中。,6-26,图就是一个3级直接耦合放大电路。根据各级输入输出所处的电极，可以判断出第一、二级是共发射极组态，第三
11、级是共集电极组态。,直接耦合放大电路的优点是能够放大变化缓慢的直流信号，同时，由于没有电抗元件而可以使体积做得很小，便于集成。所以集成电路中几乎都采用直接耦合方式。虽然直接耦合方式有上述优点，但也带来了零点漂移的问题。,如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。,6-27,零漂产生的主要原因是温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流IC的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。,只有在
12、直接耦合放大电路中，前级的零点漂移才能被逐级放大，并最终传送出。 第一级的漂移影响最大，对放大电路的总漂移起着决定性作用。 当漂移电压的大小可以与有效信号电压相比时，将“淹没”有效信号。严重时甚至使后级放大电路进入饱和或截止状态，而无法正常工作。,抑制零点漂移一般可以采取三种措施： 用非线性元件进行温度补偿； 采用调制解调方式。如“斩波稳零放大器”； 采用差分式放大电路。,第三种方式以其简单，经济，抑制零漂能力强等特点而广泛采用。,6-28,uo= uC1 - uC2,uC1,uC2,三、差分式放大电路结构,6-29,2、双电源长尾式差放,特点： 加入射极电阻RE 加入负电源- VEE ，采用
13、正负双电源供电,6-30,双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0,6-31,射极电阻RE的作用：,T C,（1）直流负反馈，稳定静态工作点,6-32,（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变） （3） RE对差模信号相当于短路,ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不变,结论： IE具有恒流特性,用恒流源代替RE ，可使电路进一步改善,6-33,6-34,1、差分式放大电路的静态分析
14、,四、差分式放大电路的工作原理,E,6-35,为简化分析，我们在差分电路的两个输入端各加一个大小相等，方向相反的信号电压。即vi1 = -vi2 = vsd / 2。这种输入方式称为差模输入方式。,由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以ic1增加多少，ic2就减少多少同样的数量。因而流过Re的电流总量保持不变。则 vE = 0。所以电阻Re对差模信号放大没有影响。可以获得较大的电压增益。,双端输入-双端输出工作方式： 双端输出时，vo= vc1-vc2。由于输入差模信号，vc1= - vc2，所以，输出信号电压为单管集电极信号电压的两倍。,2、放大差模信号的原理：,6-36,3、差分式放大
15、电路的差模动态指标,1 差模电压增益 （1）双端输入、双端输出的差模电压增益,v i1 = - vi2= vid /2 ， ilC1 = - iC2， 即 i E1= - iE2。 对于交流信号来说等效于v E = 0,E,带负载时,6-37,（2）双端输入、单端输出的差模电压增益 单端输出时，输出电压取自其中一管的集电极（ v o1 或 v o2 ），电压的变化量只有双端输出的一半。对于图 中的电路，如果从v o1输出，则单端输出时差模电压增益为,带负载时，差模电压增益为,如果从v o2输出,6-38,（3）单端输入的差模电压增益 单端输入的差分式放大电路如图(a)所示。将输入信号进行分解，
16、可得到图(b)所示的输入端等效电路。其中 v id1和vid2分别为加在差分式放大电路两输入端的差模电压信号，vic为共模信号。对于T1的输入端，其输入信号vi1= vid1 + vic= vi/2+ vi/2= vi，T2输入端的信号vi2 = vid2 + vic= -vi/2+ vi/2= 0。可见图a和图b是等效的。,由图b看出，在只考虑差模输入信号时，与图(a)双端输入的效果是一样的。因此，单端输入的差模电压增益表达式与双端输入的表达式是一样的。,(a),(b),6-39,单端输出时,2差模输入电阻和输出电阻,输入电阻应为输入端口电压与端口电流的比值。双端输入差模信号的差分电路，差模输入电阻为,由于我们已经知道，单端输入时的差模效果与双端输入是一样的，所以，其差模输入电阻也与双端输入相同，即,输出电阻与单管共射放大电路类似，但电路的输出形式不同时有所差别。,双端输出时,其中Rc=Rc1 =
