《模拟集成电路》PPT课件.ppt

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1、1.1.掌握差放的结构、原理及掌握差放的结构、原理及Q Q点、动态指标的计算。点、动态指标的计算。2.2.了解差动放大器抑制零点漂移的原理。了解差动放大器抑制零点漂移的原理。3.3.了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。4.4.了解集成运算放大器的组成及工作原理。了解集成运算放大器的组成及工作原理。6 集成电路运算放大器集成电路运算放大器5.5.了解集成运算放大器的主要参数。了解集成运算放大器的主要参数。基本要求基本要求6.1 电流源电流源6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4 集成电路运算放大器的主

2、要参数集成电路运算放大器的主要参数6 集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.0 概述概述一、集成电路一、集成电路(integrated circuit)：在半导体制造工艺基础上，把整个电在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块造在一块Si 基片上，并引出相应的引线，基片上，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。构成特定功能的电子电路。如：运放、各种芯片等。如：运放、各种芯片等。概概 述述二、按功能分类：二、按功能分类：模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路三、集成度：三、集成度：小规模集成电路（小规模集成电

3、路（SSI）102 中规模集成电路（中规模集成电路（MSI）103大规模集成电路（大规模集成电路（LSI）105、(如：如：CPU 310万万-330万万)Intel 奔腾奔腾46 集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：6.0 6.0 概述概述（5 5）不能制造电感不能制造电感，如需电感，也只能外接。，如需电感，也只能外接。（4 4）只能制作几十）只能制作几十pFpF以下的以下的小电容小电容。因此，集成放大器。因此，集成放大器都采用都采用直接耦合直接耦合方式。如需大电容，只有外接。方式。如需大电容，只有外接。（3 3）不易制造大电阻。不易制造大电阻。需要大

4、电阻时，往往使用有源负载需要大电阻时，往往使用有源负载 （2 2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小功耗很小，在毫瓦以下。在毫瓦以下。（1 1）元器件具有良好的）元器件具有良好的一致性和同向偏差一致性和同向偏差，因而特别有利，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。于实现需要对称结构的电路。要求：提供恒定电流要求：提供恒定电流IO，且有大的交流电阻，且有大的交流电阻其两端电压变化时，其两端电压变化时，IO保持恒定。保持恒定。+Iorov_-ro 集成电路运放中的电流源二、恒流特性二、恒流特性一、电路组成一、电路组成当当 较大较大(2)时：时：三极管

5、三极管T1、T2对称对称.1 镜像电流源镜像电流源（P258）结论：结论：无论无论Rc值如何值如何,IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）电流值保持不变（前提：电源要稳定）当当 较小时，可用较小时，可用带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源增加增加T0，使，使IC更加接近更加接近IREF三、镜像电流源特点三、镜像电流源特点3.电流最低至电流最低至mA级。级。1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上2.电流受电源波动影响大；电流受电源波动影响大；4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小也很小一、电路特点一、电路特点二、工作原理二、工作原理（R

6、e2 K 级）级）2受电源波动影响小；受电源波动影响小；3IC2 uA级；级；优点：优点：1内阻内阻ro一般在几百千欧以上一般在几百千欧以上.2微电流源微电流源（P259）4.具有温度补偿特性。具有温度补偿特性。T1、T2、T3的基极并联。的基极并联。电路用一个基准电流电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。获得了多个电流输出。多路电流源：多路电流源：放大管放大管提供直流偏置提供直流偏置作为有源负载作为有源负载例电流源例电流源作为有源负载作为有源负载：.4 电流源作用电流源作用镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源例例举例：举例：P282 集成运放集成运放微电流源微

7、电流源直流偏置直流偏置镜像电流源镜像电流源有源负载有源负载 电流源电流源直流偏置直流偏置 FET电流源电流源（P260）一、一、MOSFET镜像电流源：镜像电流源：二、二、MOSFET多路电流源：多路电流源：三、三、JFET电流源：电流源：(与与BJT电流源比较，自学，了解电流源比较，自学，了解)直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 概述概述 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 FET差分式放大电路差分式放大电路 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的

8、一般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较6.2 差分式放大电路差分式放大电路1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号2.直接耦合放大电路直接耦合放大电路的零点漂移的零点漂移零漂零漂：主要原因主要原因：温漂指标温漂指标：#为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接耦合方式？耦合方式？耦合方式？耦合方式？主要由温度变化引起，也称主要由温度变化引起，也称温漂温漂。输输入入短短路路时时，输输出出仍仍有有缓缓慢慢变化的电压产生。变化的电压产

9、生。温温度度每每升升高高1度度时时，输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折折算算到输入端的等效输入漂移电压值。到输入端的等效输入漂移电压值。6.2.0 概述概述若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也漂了若第二级也漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设3.减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 调制解调方式。如调制解调方式。如“斩波稳零放大器斩波稳零放大器”F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移

10、漂移 1 V+10 mV6.2.0 概述概述4.差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod差模信号差模信号共模信号共模信号idodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA 共模电压增益共模电压增益差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出6.2.0 概述概述两个输入信号的差值两个输入信号的差值两个输入信号的算术平均值两个输入信号的算术平均值根据以上两式可以得到根据以上两式可以得到共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂

11、能力的指标总输出电压总输出电压icVCidVDvAvA+=ocodo=vvv+差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-vod6.2.0 概述概述F 1=2=F rbe1=rbe2=rbe 两个两个BJT特性一致，特性一致，参数相等。参数相等。F VBE1=VBE2=VBE 1.电路组成电路组成 差放一般有两个输入端：差放一般有两个输入端：双端输入双端输入两输入端同时加信号两输入端同时加信号单端输入单端输入一输入端一输入端对地加信号对地加信号 差放可以有两个输出端差放可以有两个输出端:双端输出双端输出从从C1

12、和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路C1C26.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路1.电路组成电路组成恒流源的作用恒流源的作用 根据输入、输出方式不同，根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式可分为四种工作方式:双端输入、双端输出；双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、双端输出；相当于阻值很大的电阻。相当于阻值很大的电阻。C1C26.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路1.电路组成电路组成差模信号：差

13、模信号：共模信号：共模信号：差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压（差模、共模、任意输入）（差模、共模、任意输入）6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路2.工作原理工作原理以双端输入、双端输出为例以双端输入、双端输出为例静态分析静态分析(vi1=vi2=0)c1c2ic2ic12.动态分析：动态分析：(1)差模输入：差模输入：vi1iC1vC1 vC1vC2vi2 vC2iC2vo=vC1 vC2=2 vC1 结论结论1：差分式放：差分式放大电路大电路对差模信对差模信号有放大能力。号有放大能力。（2）共模输入：共模输入：vi1iC1vC2 vC1vi2i

14、C2vC1 vC2c1c2ic2ic1vo=vC1 vC2=0结论结论2：差分式放：差分式放大电路大电路对共模信对共模信号有抑制能力。号有抑制能力。3.差放抑制零漂差放抑制零漂 温温度度变变化化和和电电源源电电压压波波动动，都都将将使使集集电电极极电电流流变变化化。且变化趋势相同且变化趋势相同 差分式放大电路对共差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两输入其效果相当于在两输入端加入了端加入了共模信号共模信号。6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路4、主要技术指标计算、主要技术指标计算(P265)差模电压增益差模电压增益差模输入电阻差模输入电阻单单

15、(双双)出输出电阻出输出电阻共模电压增益共模电压增益共模输入电阻共模输入电阻单单(双双)出输出电阻出输出电阻c1c2ic2ic1双端输入，差模信号为：双端输入，差模信号为：v i1=-vi2=vid/2交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE 交流短接交流短接1.1.差模电压增益差模电压增益(1)(1)双入双出双入双出AVD(P265)（单边电路增益）单边电路增益）有负载有负载RL 时：时：负载开路负载开路 时时：(2)双入单出双入单出AVD：双端输入，共模信号为：双端输入，共模信号为：vi 1=vi 2=vi c交流通路交流通路:电流源 I O+VCC、-VEE交流短接 电流源内阻

16、ro等效变换电路：等效变换电路：2.2.共模电压增益共模电压增益c1c2(1)双入双出双入双出AVCvi 1=vi 2=vi C T1、T2电路对称vO1=vO 2vO=vO1-vO 2=0=0结论：结论：双入双出双入双出时差放时差放抑制零漂能力最强抑制零漂能力最强(2)双入单出双入单出AVC vi 1=vi 2=vi c vO=vO13.3.单端输入差分式放大电路：单端输入差分式放大电路：结果自行分析结果自行分析 P266 P266（3）共模抑制比）共模抑制比双端输出，理想情况双端输出，理想情况单端输出单端输出抑制零漂能力抑制零漂能力越强越强6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路4

17、.主要指标计算主要指标计算6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：差动放大器动态参数计算总结差动放大器动态参数计算总结 双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路(3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入

18、还是双端输入，差模输入电不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。beid2 rR=单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，(5)(5)共模抑制比共模抑制比讨论：讨论：单端输出：单端输出：KCMR共模抑制能力共模抑制能力ro 双端输出：双端输出：共模抑制能力最强；共模抑制能力最强；提高电路的提高电路的 KCMR 重要因素：重要因素：保证电路的保证电路的对称性；对称性；保证保证足够大足够大的发射极电阻的发射极电阻ro o6.2.3 FET差分式放大电路：差分式放大电路：P272，自学，自学6.2.4 差分式放大电路传输特性：差分式放大电路

19、传输特性：P277，自学，自学讨论讨论1:1:差分式放大电路实例差分式放大电路实例恒流源恒流源IE=(VZ-VBE3)/Re IC3=(UR2-VBE3)/Re 讨论讨论2:设设1=2=3=4=100，VBE1=VBE2，VBE3=VBE4。求静态时。求静态时VCE1解：解：镜像电流源VCE1 CMOS MC14573 CMOS MC14573集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.4 集成电路运算放大器集成电路运算放大器自学自学 了解了解6.4.2 概述概述集成电路运算放大电路内部组成原理框图集成电路运算放大电路内部组成原理框图6.4.2 概述概述u-u+uo 反相输入端反相输入端 u同相输

20、入端同相输入端 u+输出端输出端 uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输出电阻小输出电阻小输入电阻大输入电阻大6.4.2 运算放大器的组成运算放大器的组成输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端+UCCUEEu uo ouu+输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。共发射极放大

21、电路构成。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。6.4.2 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器6.5 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数1.输入失调电压输入失调电压VIO2.输入偏置电流输入偏置电流IIB3.输入失调电流输入失调电流IIO4.温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO/T5.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6.最大共模输入电压

22、最大共模输入电压Vicmax7.最大输出电流最大输出电流Iomax6.5 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数8.开环差模电压增益开环差模电压增益AVO9.开环带宽开环带宽BW(fH)10.单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)11.转换速率转换速率SR 输入电压为零时，将输出电压除以电压增输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。放内部电路对称性的指标。6.5 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压温漂 dVio/dT（输入误差）在规定工作温度范围

23、内，输入失调电压随在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。温度的变化量与温度变化量之比值。1.输入失调电压输入失调电压Vio （输入误差）（输入误差）4.输入失调电流输入失调电流 Iio（输入误差）在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IB（输入误差）输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小

24、。5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIio/dT（输入误差）在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。变化量与温度变化量之比值。6.5 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数6.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。6.5 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要

25、参数 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可欧姆，场效应管输入级可达达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。6.5 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 11.3dB带宽带宽

26、 f H：12.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率转换速率SR的表达式为的表达式为 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图6.4 特殊集成运算放大器 为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的除性能指标比较适中的通用型通用型运放外，还有适应不运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。比较突出

27、。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。低功耗等几种。用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 一.高速型和宽带型 用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177 CF714 二.高精度(低漂移型）用于测量

28、设备及采样保持电路中。例如：AD549 CF155/255/355 三.高输入阻抗型四四.低功耗型低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在 V电压下工作，功耗为24 W。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W。五.功 率 型 这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12 TP1465 本章小结本章小结 1直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的主要参数的物理意义，才能在使用中恰当地选择元器件。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。5集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，应掌握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。