模电集成运算放大电路.pptx
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1、会计学 1模电 集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点集成电路简称 IC(Integrated Circuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器;集成功率放大器;集成高频放大器;集成中频放大器;集成比较器;集成乘法器;集成稳压器;集成数/模和模/数转换器等。第1页/共82页集成电路的外形图 5.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式第2页/共82页集成运算放大电路特点:1.参数对称性好,适用于构成差分放大电路。2.集成电路中电阻,其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间,如需高阻值电阻时,一般用三极管有源元件代替或采用外接。3.几十P
2、F以下的小电容用PN结的结电容构成,大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。5.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难,电路通常采用直接耦合电路方式。第3页/共82页5.2集成运放的基本组成部分实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图 5.2.1集成运算的基本组成输入级 中间级 输出级偏置电路第4页/共82页输入级 中间级 输出级偏置电路 输入级:对整个运放的性能指标影响较大,通常采用差分放大器以减小零点漂移。中间级:主要完成电压放大任务,要求有高的电压增益,一般采用带有源负载的共射极电压放大器。输出级:为了进行功率放大,以驱动负载工作,一般采用互补对称的功率放大电路。偏
3、置电路:向各放大级提供合适的偏置电流,确定各级静态工作点。第5页/共82页一、镜像电流源(电流镜 Current Mirror)+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基准电流由于 UBE1=UBE2,VT1与 VT2 参数基本相同,则IB1=IB2=IB;IC1=IC2=IC所以当满足 2 时,则图 5.2.25.2.1偏置电路第6页/共82页特点:特点:电路结构简单 电路结构简单具有温度补偿作用 具有温度补偿作用+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2第7页/共82页二、比例电流源+VCCRIREF+VT1VT2I
4、C2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于 UBE1 UBE2,则忽略基极电流,可得两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比,故称为比例电流源。图 5.3.3比例电流源第8页/共82页+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2缺点:1.变化,也变化。2.难以获得微安级的偏置电流。特点:特点:电路结构简单 电路结构简单温度补偿作用更好(温度补偿作用更好()第9页/共82页三、微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe
5、 引入Re使 UBE2 UBE1,且 IC2 IC1,即在 Re 值不大的情况下,得到一个比较小的输出电流 IC2。图 5.3.4 微电流源第10页/共82页+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re具体估算因二极管方程 若 IC1和 IC2 已知,可求出 Re。图 5.3.4微电流源第11页/共82页特点:特点:引入了 引入了 提高了恒流源对电源 提高了恒流源对电源变化的稳定性 变化的稳定性 提高了恒流源对温度 提高了恒流源对温度变化的稳定性 变化的稳定性+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re特点:引入了 提高了恒流源对电源变化的稳定性 提高了恒流源对温度变化的稳定性
6、特点:引入了 提高了恒流源对电源变化的稳定性 提高了恒流源对温度变化的稳定性第12页/共82页-VEEVT11VT10IC10IC11R4+VCCR5IREFVT12VT13IC13例题(P184)练习:P217 5-1 5-3作业:P217 5-4 5-5第13页/共82页5.2.2差分放大输入级 因为集成运放实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路,输入级的性能对于整个运放的性能的影响至关重要,因此,集成运放输入级大都采用差分放大电路的形式,以克服温度带来的零点漂移。电路形式基本形式长尾式恒流源式第14页/共82页一、基本形式差分放大电路+VCCRc2VT1VT2Rb2Rc1Rb1
7、uI1+uoR1R2uI2工作原理:1.静态分析理想情况下,电路完全对称。当输入电压等于零时,UCQ1=UCQ2UO=0 当温度变化时,两管集电极电流和集电极电位会发生相同的变化,所以输出电压也为零,零点漂移就会互相抵消。第15页/共82页+VCCRc2VT1VT2Rb2Rc1Rb1uI1+uoR1R2uI22.动态分析加上输入信号,有三种信号输入方式。(1)差模输入信号如果两个输入电压大小相等,极性相反,称为差模输入电压(用符号 uId 表示)。差模信号一般是有用的信号,是要放大的信号。第16页/共82页(2)共模输入信号如果两个输入电压大小相等,极性相同,称为共模输入电压(用符号 uIc
8、表示)。差动放大电路的零点漂移可以看成是一对共模信号。共模信号是无用信号,是放大电路应该抑制的。第17页/共82页(3)任意输入信号:分解:差模分量共模分量叠加:例:所以:则:第18页/共82页3.电压放大倍数在差模信号作用下:差模电压放大倍数:+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uId+uoR1R2第19页/共82页+VCCRcVT1VT2RbRcRb+uIc+uoRR共模电压放大倍数:希望:Ac 愈小愈好,而Ad 愈大愈好。图 5.2.7共模输入电压理想情况下,共模抑制比:第20页/共82页共模抑制比 KCMR(1)KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大,
9、抑制零漂能力愈强;(2)理想情况下,电路参数完全对称,Ac=0,KCMR=。(3)基本形式差放的单边输出的零点漂移丝毫没有改善。第21页/共82页(4)存在的问题及改进的方案 以上研究的是基本的差动放大电路,它实际上不可能完全抑制零漂,因为两半电路不会完全对称。另外,如果从一管输出,则与单管放大电路一样,对零漂毫无抑制能力,而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。稳定静态工作点,就是要减小ICQ的变化,而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法,在管子的射极上接一电阻。这样,基本的差动放大电路就改进为如下图所示。
10、第22页/共82页 在上图电路中,RE 越大,则工作点越稳定,零点漂移也越小。但RE 太大,在一定的工作电流下,RE上的压降太大,管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作电流和动态范围,而RE又希望取得大些,常采用双电源供电,用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电后,输出电压的动态范围大多了。第23页/共82页二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。1.电路组成+VCC(1)Re 称为“长尾电阻”,作用是引入共模负反馈。对差模信号无负反馈。(2)Re 愈大,Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。图 5.2.8长尾式差分放大电路(3)Re 愈大,其上的直流压降越大。引入 VE
11、E来补偿。RcVT1VT2Rc+uoRR-VEEReuI2uI1第24页/共82页2.静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc+uId+uoRR-VEERe当 uId=0 时,由于电路结构对称,故:IBQ1=IBQ2=IBQ,ICQ1=ICQ2=ICQ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ,UCQ1=UCQ2=UCQIBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则ICQ IBQ(对地)图 5.2.8长尾式差分放大电路第25页/共82页3.动态分析(交流通路)RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2则同理图 5.2.8长尾式差分放大电路的交流通路第26页/共82页输出电压为差模电压放大倍数为差模输入电阻为
12、差模输出电阻为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2第27页/共82页图5.2.10接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe例题P190交流通路第28页/共82页三、恒流源式差分放大电路 用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻,即构成恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.电路组成VT3:恒流管作用:能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化,从而抑制共模信号的变化。图 5.2.13恒流源式差分放大电路第29页/共82页2.静态分析当忽略 VT3 的基极电流时,Rb1 上的电
13、压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1 uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到图 5.2.13恒流源式差分放大电路第30页/共82页3.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻,它的作用也是引入一个共模负反馈,对差模电压放大倍数没有影响,所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为第31页/共82页四、差分放大电路的输入、输出接法有四种不同的接法双端输入、双端输出;双端输入、单端输出;单端输入、双端输出;单端输入、单端输出。1.双端输入、双端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1uIuI2+VCCVEEIR2+图 5.2.16(a)双端输入、
14、双端输出第32页/共82页2.双端输入、单端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1RuIuI2+VCCVEEIR2+uouo uO 约为双端输出的一半,即图 5.2.16(b)双端输入、单端输出若由 VT2 集电极输出,uO 为“正”。第33页/共82页3.单端输入、双端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1R2uI+VCCVEEI+计算同双入双出,所以图 5.2.16(c)单端输入、双端输出 单端输入,当共模负反馈足够强时,因为右侧的R2+rbe归算到发射极回路的值(R2+rbe)/(1+)Re,故 Re 对 Ie 分流极小,可忽略,于是有ui1=ui2=ui/2第34页/共82页4.单端输
15、入、单端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1R2uI+VCCVEEI+这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。图 5.2.16(d)单端输入、单端输出若改从 VT2 集电极输出,则第35页/共82页结论(1)双端输出时,Ad 与单管 Au 基本相同;单端输出时,Ad 约为双端输出时的一半。(2)双端输出时,Ro=2Rc;单端输出时,Ro=Rc。(3)双端输出时,理想情况下,KCMR;单端输出时,共模抑制比不如双端输出高。(4)单端输出时,可以选择从不同的三极管输出,而使输出电压与输入电压反相或同相。(5)单端输入时,由于引入很强的共模负反馈,两个管子仍基本工作在差分状态,即单入
16、相当于双入。(6)单端输入时,Rid 2(R+rbe)。第36页/共82页差分放大电路四种接法的性能比较 接法性能双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高 很高 较高 较高RidRo第37页/共82页差分放大电路四种接法的性能比较 接法性能双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性 1.Ad 与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下,KCMR。3.适用于输入信号及负载的两端均不接地的情况。1.Ad 约为双端输出时的一半。2.由于引入共模负反馈,仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。1.Ad 与单管放大电路基本相
17、同。2.在理想情况下,KCMR。3.适用于将单端输入转换为双端输出。1.Ad 约为双端输出时的一半。2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。4.选择不同管子输出,可使输出电压与输入电压反相或同相。第38页/共82页作业:P 218 5-6 5-7 5-9 5-10第39页/共82页5.2.3中间级任务:提供足够大的电压放大倍数。要求:本身具有较高的电压增益;具有较高的一、有源负载图 5.2.17有源负载单管共射放大电路VT1:放大三极管;VT2:有源负载;VT3、VT2 镜像电流源。+VCCVT1VT2VT3RI+uIuO输入电阻;能向输出级提供较大的
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- 模电 集成运算放大电路 集成 运算 放大 电路
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