第4章--集成运算放大器及其应用课件

第第4章章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用u 4.1 集成电路概述集成电路概述u 4.2 集成运放的基本组成及功能集成运放的基本组成及功能u 4.3 理想运算放大器理想运算放大器u 4.4 反馈放大电路反馈放大电路u 4.5 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用u 4.6 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用u 本章小结本章小结u 习题四习题四4.1 集成电路概述集成电路概述 前面几章介绍的都是分立元件电路分立元件电路。所谓分立元件电路是指由单个电阻、电容、二极管和三极管等电子元件连接起来组成的电子线路。由于分立元件电路中的元器件都裸露在外，因此体积大，工作可靠性差。电子技术发展的一个重要方向和趋势就是实现集成化，因此，集成放大电路的应用是本章的重点内容之一。本章首先介绍集成电路的一些基本知识，然后着重讨论模拟集成电路中发展最早、应用最广泛的集成运算放大器（简称集成运放集成运放）。4.1.1 集成电路及其发展集成电路及其发展 集成电路集成电路简称IC（Integrated Circuits），是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件。它是在半导体制造工艺的基础上，将电路的有源器件（三极管、场效应管等）、无源器件（电阻、电感、电容）及其布线集中制作在同一块半导体基片上，形成紧密联系的一个整体电路。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年出现的半导体器件（如真空三极管）称为第一代器件，1948年出现的半导体器件（如半导体三极管）称为第二代器件，1959年出现的集成电路称为第三代器件，而1974年出现的大规模集成电路，则称为第四代器件。可以预料，随着集成工艺的发展，电子技术将日益广泛地应用于人类社会的各个方面。4.1.2 集成电路的特点及分类集成电路的特点及分类 与分立元件电路相比，集成电路具有突出特点：体积小，重量轻；可靠性高，寿命长；速度高，功耗低；成本低。按照不同的标准可将集成电路分成不同种类。（1）按制造工艺分类。按照集成电路的制造工艺不同可分为半导体集成电路（又分双极型集成电路和MOS集成电路），薄膜集成电路和混合集成电路。（2）按功能分类。集成电路按其功能的不同，可分为数字集成电路，模拟集成电路和微波集成电路。（3）按集成规模分类。集成规模又称集成度，是指集成电路内所含元器件的个数。按集成度的大小，集成电路可分为小规模集成电路（SSI），内含元器件数小于100；中规模集成电路（MSI），内含元器件数为1001000个；大规模集成电路（LSI），元器件数为1 00010 000个；超大规模集成电路（VLSI），元器件数目在10 000至100 000之间。集成电路的集成化程度仍在不断地提高，目前，已经出现了内含上亿个元器件的集成电路。4.1.3 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介 在集成电路的生产过程中，在直径为310 mm的硅片上，同时制造几百甚至几千个电路。人们称这个硅晶片为基片，称每一块电路为管芯，如图4.1所示。基片制成后，再经划片、压焊、测试、封装后成为产品。图4.2（a）、（b）所示为圆壳式集成电路的剖面图及外形，图（c）、（d）所示为双列直插式集成电路的剖面图及外形。1.几个工艺名词几个工艺名词 集成电路的制造工艺较为复杂，在制造过程中需要很多道工序，现将制造过程中的几个主要工艺名词介绍如下：（1）氧化：在温度为8001 200oC的氧气中使半导体表面形成SiO2薄层，以防止外界杂质的污染。（2）光刻与掩模：制作过程中所需的版图称为掩模，利用照相制版技术将掩模刻在硅片上称为光刻。（3）扩散：在1 000oC左右的炉温下，将磷、砷、或硼等元素的气体引入扩散炉，经一定时间形成杂质浓度一定的N型半导体或P型半导体。每次扩散完毕都要进行一次氧化，以保护硅片的表面。（4）外延：在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为外延生长技术。所形成的薄层称为外延层，其作用是保证半导体表面性能均匀。（5）蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，为制造连线或引线做准备。2.集成电路中元件的特点集成电路中元件的特点 与分立元件相比，集成电路中的元件有如下特点：（1）具有良好的对称性。由于元件在同一硅片上用相同的工艺制造，且因元件很密集而环境温度差别很小，所以元件的性能比较一致，而且同类元件温度对称性也较好。（2）电阻与电容的数值有一定的限制。由于集成电路中电阻和电容要占用硅片的面积，且数值愈大，占用面积也愈大。因而不易制造大电阻和大电容。电阻阻值范围为几十欧几千欧，电容容量一般小于100 pF。（3）用有源元件取代无源元件。由于纵向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片面积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。用NPN型管的发射结作为二极管和稳压管，用NPN型管基区体电阻作为电阻，用PN结势垒电容或MOS管栅极与沟道间等效电容作为电容等。4.2 集成运放的基本组成及功能集成运放的基本组成及功能 从原理上说，集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的直接耦合的多级放大电路。它通常包含4个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图4.3所示。输入级的作用是提供与输出端成同相和反相关系的两个输入端，通常采用差动放大电路，对其要求是温漂要小，输入电阻要大。中间级主要是完成电压放大任务，要求有较高的电压增益，一般采用带有源负载的共射电压放大电路。输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大器。偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流，一般采用电流源。下面分别介绍。4.2.1 偏置电路偏置电路电流源电流源 在电子电路中，特别是模拟集成电路中，广泛使用不同类型的电流源。它的用途之一是为各种基本放大电路提供稳定的偏置电流；第二个用途是用做放大电路的有源负载。下面讨论几种常见的电流源。1.镜像电流源镜像电流源 图4.4所示为镜像电流源的结构原理图。图中T0管和T1管具有完全相同的输入特性和输出特性，且由于两管的b、e极分别相连，UBE 0=UBE 1，IB0=IB1，因而就像照镜子一样，T1管的集电极电流和T0管的相等，所以该电路称为镜像电流源。由图可知，T0管的b、c极相连，T0管处于临界放大状态，电阻R中电流IR为基准电流，表达式为 （4.1）且IR=IC0+IB0+IB1=IC1+2 IB1=（1+2/）IC1，所以当2时，有 IC1 （4.2）可见，只要电源VCC和电阻R确定，则IC1就确定。恒定的IC1可作为提供给某个放大级的静态偏置电流。另外，在镜像电流源中，T0的发射结对T1具有温度补偿作用，可有效地抑制IC1的温漂。例如当温度升高使T1的IC1增大的同时，也使T0的IC0增大，从而使UBE 0（UBE1）减小，致使IB1减小，从而抑制了IC1的增大。2.微电流源微电流源 图4.5是模拟集成电路中常用的一种电流源。与镜像电流源相比，在T1的射极电路接入电阻RE，当基准电流IR一定时，IC1可确定如下：因为 所以 （4.3）由式（4.3）可知，利用两管发射结电压差UBE可以控制输出电流IC1。由于UBE的数值较小，这样，用阻值不大的RE即可获得微小的工作电流，故称此电流源为微电流源。该电路由于T0、T1是对管，两管基极又连在一起，当VCC、R和RE为已知时，基准电流IRVCC/R，在UBE 0、UBE1为一定时，IC1也就确定了；在电路中，当电源电压VCC发生变化时，IR以及UBE也将发生变化，由于RE的值一般为数千欧，使UBE1UBE 0，以致T1的UBE1值很小而工作在输入特性的弯曲部分，则IC1的变化远小于IR的变化，故电源电压波动对工作电流IC1的影响不大。4.2.2 输入级输入级差动放大电路差动放大电路 集成运放的输入级采用差动放大电路差动放大电路（也称差分放大电路），就其功能来说，是放大两个输入信号之差。由于集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的直接耦合的多级放大电路，因此必须解决零漂问题，电路才能实用。虽然集成电路中元器件参数分散性大，但是相邻元器件参数的对称性却比较好。差动放大电路就是利用这一特点，采用参数相同的三极管来进行补偿，从而有效地抑制零漂。在集成运放中多以差动放大电路作为输入级。差动放大电路常见的形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。1.基本形式差动放大电路基本形式差动放大电路 （1）输入信号类型。将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差动放大电路的基本形式，如图4.6所示。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui 2，这种输入方式称为差模输入。差模输入方式下，差动放大电路两输入端总的输入信号称为差模输入信号，用ui d表示，ui d为两输入端输入信号之差，即 ui d=u i 1 u i 2 （4.4）或者 ui1=-ui2=(1/2)ui d （4.5）差模输入电路如图4.7所示。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模输入信号，用uic表示。ui c与两输入端的输入信号有以下关系 uic=ui1=ui 2 （4.6）共模输入电路如图4.8所示。当差动放大电路的两个输入端输入的信号大小不等时，可将其分解为差模信号和共模信号。信号的输入方式如图4.6所示。由于差模输入信号ui d=u i1 u i2，共模输入信号uic可以写为 （4.7）于是，加在两输入端上的信号可分解为 （4.8）（4.9）（2）电压放大倍数。差动放大电路对差模输入信号的放大倍数叫做差模电压放大倍数，用Aud表示，假设两边单管放大电路完全对称，且每一边单管放大电路的电压放大倍数为Au1，可以推出当输入差模信号时，Aud为 （4.10）上式表明，差动放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。这正是差动放大电路的优点。差动放大电路对共模输入信号的放大倍数叫做共模电压放大倍数，用Auc表示，可以推出，当输入共模信号时，Auc为 （4.11）式（4.11）表明，差动放大电路对共模信号没有放大作用。（3）工作原理。由电压放大倍数可以看出，差动放大电路只对差模信号有放大作用，而对共模信号没有放大作用，这正是我们所希望的结果。因为共模信号就是由于外界干扰而产生的有害信号，如零漂信号，必须加以抑制。这里可以这样解释：差动放大电路具有对称结构，当有外界干扰时，例如温度变化，对两只管子的影响完全相同，因此在两输入端产生的输入信号也完全相同，这就是共模输入信号。综上所述，差动放大电路要想放大输入信号，必须使两输入端的信号有差别，正所谓“输入有差别，输出才有变动”，差动放大电路由此得名。综上所述，差动放大电路要想放大输入信号，必须使两输入端的信号有差别，正所谓“输入有差别，输出才有变动”，差动放大电路由此得名。（4）共模抑制比。差动放大电路的共模抑制比用符号KCMR表示，它定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为分贝（dB），即 （4.12）共模抑制比描述差动放大电路对共模信号即零漂的抑制能力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。在理想情况下，差动放大电路两侧的参数完全对称，两管输出端的零漂完全抵消，则共模电压放大倍数Auc=0，共模抑制比KCMR=。对于基本形式的差动放大电路而言，由于内部参数不可能绝对匹配，所以输出电压uO仍然存在零点漂移，共模抑制比很低。而且从每个三极管的集电极对地电压来看，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此，在实际工作中一般不采用这种基本形式的差动放大电路，而是在此基础上稍加改进，组成了长尾式差动放大电路。2.长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 （1）电路组成。在图4.6的基础上，在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻RE，如图4.9所示。这个电阻像一条“长尾”，所以这种电