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1、第六章 双极型模拟集成电路集成化元、器件及其特点集成化元、器件及其特点集成差分放大电路集成差分放大电路电流模电路电流模电路功率输出级电路功率输出级电路集成运算放大器集成运算放大器第二节第二节第一节第一节第五节第五节第四节第四节第三节第三节第一节 集成化元、器件及其特点一一 集成电路工艺简介集成电路工艺简介 以制造以制造NPN管的工艺流程为例管的工艺流程为例 氧化氧化 光刻光刻 隐埋层扩散隐埋层扩散 外延和氧化外延和氧化 隔离扩散隔离扩散选择隔离槽选择隔离槽P型硅片型硅片1 平面工艺平面工艺2 电路元件制造工艺电路元件制造工艺基区扩散基区扩散 发射区扩散发射区扩散 蒸铝蒸铝 NPN选择基区选择基
2、区选择发射区选择发射区选择电极选择电极引线窗口引线窗口选择要去选择要去除的铝层除的铝层硅片上的管芯集成电路的封装(a)双列直插式(b)圆壳式二二 集成化元、器件集成化元、器件1 NPN晶体管晶体管 在在P型硅片衬底上扩散型硅片衬底上扩散N隐埋层，生长隐埋层，生长N型外延层，扩散型外延层，扩散P型基区，型基区，N 型发射区和集电区型发射区和集电区2 PNP晶体管晶体管 从隔离槽从隔离槽P上引出集电极，载流子沿晶体管上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动断面的垂直方向运动优点：优点：制造方便制造方便基区较基区较NPN宽宽特征频率高特征频率高输出电流大输出电流大缺点缺点由于隔离的需要，由于隔
3、离的需要，C极必须接电路电源最低电位极必须接电路电源最低电位常作射极跟随器常作射极跟随器 1)纵向纵向PNP管管(2)横向横向PNP管管:发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。缺点：缺点： 由于加工原因，基区宽度比普通由于加工原因，基区宽度比普通NPN大大12个数量级，个数量级， 很小，特征频率低很小，特征频率低优点：优点： 因为由轻掺杂的因为由轻掺杂的P型扩散区和型扩散区和N型外延区构成，型外延区构成，e结和结和c1结结反向击穿电压高反向击穿电压高3 多发射极管和多集电极管多发射极管和多集电极管4 二极管二极管晶体管制作时，只要开路或短路
4、某一晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得：结即得：5 电阻电阻:金属膜电阻金属膜电阻:温度特性好温度特性好扩散电阻，扩散电阻，按结构分：按结构分：基区电阻基区电阻 50 100K 20%发射区电阻发射区电阻 11000 （电阻率低）（电阻率低）窄基区电阻窄基区电阻 电阻率高电阻率高 101000K 20%虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差小（小于误差小（小于3）6 电容电容MOS电容：电容： 利用利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板电容极板电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正
5、比，单电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正比，单位面积电容量不大但漏电较小，击穿电压较高位面积电容量不大但漏电较小，击穿电压较高结电容：由反向PN结构成，容量与结面积成正比，击穿电压低，漏电流大，但单位面积电容值高集成电路元件平面图二二 集成化元器件特点集成化元器件特点4 集成电路中的寄生参量存在会引起元件间的寄生耦集成电路中的寄生参量存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡1 集成电路工艺不能制作集成电路工艺不能制作电感电感，超过，超过100pF的大电容的大电容 因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用因占用面积大也不易制作，故集
6、成电路中不采用阻阻 容耦合容耦合，而采用，而采用直接耦合直接耦合2 电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般几十几十 至至几几 十十K ，尽量用，尽量用晶体管晶体管代替电阻电容代替电阻电容3 单个精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻单个精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻 元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好， 故大量采用故大量采用差放电路差放电路及放大倍数取决于电阻比值的及放大倍数取决于电阻比值的 负反馈放大器负反馈放大器第二节 集成差分放大电路（一）差分放大电（一）差分放大电路的组成：路的组成： 由对称的
7、两个基本由对称的两个基本放大电路通过射极放大电路通过射极公共电阻公共电阻ReeRee耦合耦合构成。构成。一、差分放大电路的工作原理：一、差分放大电路的工作原理：对称对称指两个三极管特性一致、电路参数相等指两个三极管特性一致、电路参数相等 R Rb1b1= R= Rb2 b2 = R= Rb, b, R Rc1 1= R= Rc2 2 = R= Rc, , 1 1= = 2 2 = = , , r rbe1be1= = r rbe2 be2 = = r rbe, be, I IbQ1bQ1= I= IbQ2, bQ2, IcIcQ1Q1= Ic= IcQ2,Q2, U Ube1be1= U= U
8、be2, be2, U Uc1 1= U= Uc2,2,信号输入方式信号输入方式双端输入：双端输入：输入信号接在两个输入端间输入信号接在两个输入端间单端输入：单端输入：输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地差放输出方式差放输出方式双端输出（平衡输出）：双端输出（平衡输出）：输出取自两个集电极之间输出取自两个集电极之间单端输出（不平衡输出）：单端输出（不平衡输出）：输出取自一个集电极与地间输出取自一个集电极与地间差模信号：差模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相反是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相反的信号，记为，的信号，记为，U
9、Uid1 ,id1 ,U Uid2 id2 U Uid1 id1 = -U= -Uid2 id2 = U= Uid id （二）对差模信号的放大作用（二）对差模信号的放大作用图6-8(a) 双端输入双端输出差放Ie1Ie2双端输入双端输出时：双端输入双端输出时： iebLfeidohRRhUUUdA)(2iebidididhRIUr)2/(LcLRRR Uo图6-8（b）差模输入等效电路不论单端输入还是双端输入，不论单端输入还是双端输入， rid均为基本放大电路的两倍均为基本放大电路的两倍codRr2双端输出时，双端输出时， rod =2Rc/(2 /hoe)当当1/ hoe Rc时，时，1
10、差模电压增益差模电压增益AUd 2 差模输入电阻差模输入电阻 rid3 差模输出电阻差模输出电阻rod共模信号：共模信号： 是指在差放两个输是指在差放两个输入端接入两个幅度入端接入两个幅度相等、极性相同的相等、极性相同的信号，信号，（三）对共模信号的抑制作用（三）对共模信号的抑制作用图610（a）共模电路Ie1Ie2记为：记为：U Uic1 ,ic1 ,U Uic2 ic2 U Uic1 ic1 = U= Uic2 ic2 = U= Uicic 0)(21icococicocUcUUUUUAeefeiebcfeicocicocUcRhhRRhUUUUA2)1 ()(21单eecUcRRA2)(
11、单1 共模电压增益Auc双端输出时，由于电路对称，单端输出时，当（1+hfe）*2Ree（Rb+hie）时，图610 (b)共模输入等效电路单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，eefeiebicicicRhhRIUr2)1 ()(11单2/2)1 ()(21eefeiebicicicicRhhRIIrr定义：定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值值即即 CMMR=IACMMR=IAUdUd/A/AUcUcI I或或 CMMRCMMR（dBdB）=20=20lg IAg IAUdUd/A/AUcUcI I 双端输出时，双端输出时， CMMR
12、CMMR可以认为等于无穷大可以认为等于无穷大单端输出时单端输出时 CMMRCMMR（单）（单）= lA= lAUdUd( (单单)/A)/AUcUc( (单单)l)l2 2 共模输入电阻共模输入电阻3 3 共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR动画动画6-1输入输入U Ui1i1, , U Ui2 i2 可写为：可写为：U Ui1i1=(U=(Uic1ic1 + U + Uid1id1) )U Ui2i2=(U=(Uic2ic2 + U + Uid2id2) )U Uic1ic1 = U = Uic2ic2 =(U =(Ui1 i1 +U+Ui2i2)/2)/2U Uid1id1 =- U =-
13、 Uid2id2 =(U =(Ui1i1 - U - Ui2i2)/2)/2若输入为一对任意数值和极若输入为一对任意数值和极性的信号，则可分解为一对性的信号，则可分解为一对差模信号和一对共模信号差模信号和一对共模信号（四）对任意输入信号的分析（四）对任意输入信号的分析图611 典型差放电路动画动画6-2（五）差放的输入和输出（五）差放的输入和输出差放的差模工作状态可分为四种：差放的差模工作状态可分为四种：双端输入双端输出双端输入双端输出（双双）（双双）双端输入单端输出双端输入单端输出（双单）（双单）单端输入双端输出单端输入双端输出（单双）（单双）单端输入单端输出单端输入单端输出（单单）（单单）
14、主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压增益差模电压增益差模输入电阻差模输入电阻输出电阻输出电阻 相当于相当于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 , 则可分解为一对差模信号则可分解为一对差模信号和一对共模信号。对和一对共模信号。对 “ 单双单双 ” 和和“ 双双双双 ” 状态状态1单端输入方式：单端输入方式：图612 单端输入、输出方式iebLfeUdhRRhA2/LcLRRR AUc=0 Rid=2(Rb+hie) Rod=2Rc/(2/hoe)2单端输出方式：单端输出方式：iebLfeUdhRRhA21)(单LcLRRR/eeLeefeiebLfeUcRRRhhRRhA22)1 ()
15、(2iebidhRR)/1/(oebodhRR)/(iebeefehRRhCMRR负载一端接集电极之一 , 另一端接地， 对 “ 双单 ” 和“ 单单 ”状态恒流源电路优点：恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻低的直流内阻，高的动态内阻二、恒流源差分放大电路二、恒流源差分放大电路22332RIURIUDbe忽略忽略T3基极电流，则基极电流，则)/()2(2121RRUEIIDe21,RRUUDbe)(2/(333恒定REIIec)1 (13333333RhRRhhriebfeoeo故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻有源负载故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻有源负载等效输出电阻等效
16、输出电阻图613 恒流源差放三三 组合差分输入级组合差分输入级(一一) 共射共射-共基组合差放共基组合差放31/UUioUdAAUUA1/1311ebebUrrA1212bebebeidrrrr)2/(/0533533ToeboUUIrrrAITITIT165)(2ITIIo2图614(a) 共射共基差放T1 ,T2 -共射电路共射电路T3 ,T4 -共基电路共基电路并完成单端双端输出转换并完成单端双端输出转换T5 ,T6 - T3 ,T4集电极有源负载，集电极有源负载，(二二) 共集共集-共基差放电路共基差放电路)4/(TcoUdURIAoTidIUr/8121,TT43,TT-高高值值NP
17、N管管-低低横向横向PNP管管特点：特点：输入电阻高，电流和电输入电阻高，电流和电压增益大。压增益大。又称为互补差分电又称为互补差分电路。路。（利用（利用NPN管管大弥补大弥补PNP管管小，利用小，利用PNP管反向击穿电压管反向击穿电压高提高差模输入电压范围。高提高差模输入电压范围。)图图614(b) 共集共基差放共集共基差放四四 共模负反馈差放共模负反馈差放两级共模负反馈两级共模负反馈第一级：第一级：T1、 T2、 T3构构成恒流源差放成恒流源差放第二级：第二级：T4、T5构成典构成典型差放型差放R1、R2构成两级电流负构成两级电流负反馈，抑制共模信号反馈，抑制共模信号图图615 共模负反馈
18、差放共模负反馈差放4222251111eccbiceccbicIUIIUIUIIU2132cceRIIIU4222251111eccbideccbidIUIIUIUIIU02RU对差模信号无负反馈作用对差模信号无负反馈作用抑制共模信号过程抑制共模信号过程五五 差放的传输特性差放的传输特性传输特性：传输特性：输出集电极电流输出集电极电流Ic与输入差模电压与输入差模电压Ui的函数关系及的函数关系及输出电压输出电压Uo与差模电压与差模电压Ui的函数关系的函数关系(一一) Ic 随随Ui的变化曲线的变化曲线)1 (/12112TBEBEUUUEEEoeiiiIiBEBEUUU21)1 ()1 (/2/
19、1TiTiUUEUUEoeieiI2211,EcEciiii)1/(/1TiUUoceIi)1/(/2TiUUoceIi图图616 恒流源差放恒流源差放(二二 )Uo与与Ui关系曲线关系曲线cccccoRIIUUU)(1221)2/(tanhTicoUURI图617 传输特性传输特性5)在在T1 、 T2管接入射极电阻管接入射极电阻Re会使传输特性线性范围会使传输特性线性范围加宽。加宽。结结论论1) 当输入信号当输入信号Ui 0时（静态工作点时（静态工作点Q)，差放处，差放处于平衡状态，于平衡状态， Ic1 Ic2 0.5 I0 ， Uo0。2) 在在Ui = UT =25mV范围内，范围内，
20、 Uo与与 Ui成线性关成线性关 系。这一范围系。这一范围(约约50mV)即小信号工作线性放大区。即小信号工作线性放大区。3)当当Ui 2 UT时，时， Ic1 、 Ic2基本恒定不变，称基本恒定不变，称为大信号限幅特性为大信号限幅特性4)两管集电极电流之和两管集电极电流之和 Io为一常数，故一管电流为一常数，故一管电流增大，另一管电流必然减小。增大，另一管电流必然减小。一一 镜像电流源电路镜像电流源电路（一）基本恒流源（一）基本恒流源第三节 电流模电路则基准电流则基准电流/211211cbbcrIIIII若若Ib1= Ib2, Ic1 = Ic2, 21若若1,则有则有RUEIIbecrc/
21、 )(1因为因为T1 、 T2构造相同，构造相同， Ube相同，所相同，所以以Ic相同。称为相同。称为镜像电流源电路镜像电流源电路。电路优点：电路优点：结构简单，两管参数对称符结构简单，两管参数对称符合集成电路特点。合集成电路特点。电路缺点：电路缺点： Ic1数值仍受电源电压、数值仍受电源电压、R和和Ube影响，且不易得到小电流（影响，且不易得到小电流（A级级)图619 基本电流源（二）比例恒流源（二）比例恒流源22211111RIURIURIUeberbeebe)/ln(111scTbeIIUU221122/ )/ln(RIIURIIIccTrec)/ln(222scTbeIIUU1.在基本
22、恒流源的在基本恒流源的T1 、T2管接入管接入射极电阻射极电阻R1 、R2 ，)/ln(211ccTrIIURI)/(2120RRIIIrc当当Ic1 =(510) Ic2时，时，图图620(a) 比例恒流源比例恒流源2.改变基本恒流源的改变基本恒流源的T1 、T2 管的发射区面积管的发射区面积Se -发射区面积发射区面积W-基区宽度基区宽度N-基区杂质浓度基区杂质浓度TbeUUeseeII/WNSIees2121212121eeeseseeccSSIIIIIIrccoIIII2212图620(b) 比例恒流源（三）微电流源（三）微电流源（Wildar电流源）电流源）2221RIUUebebe
23、)/ln(21212222eeTbebeecIIUUURIRI)/ln(111eseTbeIIUU)/ln(221eseTbeIIUU21esesII设计时一般先定设计时一般先定Ir 、 Ic1值，再值，再确定确定R2值值图621 微电流源（四）闭环负反馈电流源（四）闭环负反馈电流源威尔逊电流源威尔逊电流源)2/(21 (23crII221123/ccceIIII33131/ccbcrIIIII21ccII)1/(3333ecII如图：如图：若若T1 、T2 、T3特性一致，可得：特性一致，可得：由上式可看出，由上式可看出， 变化对保变化对保持持 影响较小，故影响较小，故此种电路传输精度高。此
24、种电路传输精度高。rcoIII3图图622 闭环负反馈电流源闭环负反馈电流源（五）多路恒流源（五）多路恒流源)1/() 1(borInII如图如图(a)，各管特性一致，则：，各管特性一致，则：n越大，越大，越大，故可采越大，故可采用用(b)电路以使电路以使Io与与Ir接近接近相等。此时：相等。此时：021oonoocIIIIIborInII) 1( broInII) 1( 图图623 多路基本恒流源多路基本恒流源二二 跨导线性电路跨导线性电路（一）跨导线性的基本概念)/exp(TbescUUII TcmbecUIgdUdI/上式表明理想双极晶体管跨导上式表明理想双极晶体管跨导gm是集电是集电极
25、电流极电流Ic的线性函数，称为的线性函数，称为跨导线性跨导线性(TL)（二）跨导线性（二）跨导线性(TL)回路原理回路原理)41)(/ln(iIiUUsiiTbei)/(ln)/(ln31314242ssTssTIIiiUIIiiU3142bebebebeUUUU3142iiii由图，回路方程为由图，回路方程为其中：其中：则有：则有：sssssIIIII4321控制发射区尺寸控制发射区尺寸使使则有：则有：TL回路回路：含有偶数个正偏发射结的闭合回路。回含有偶数个正偏发射结的闭合回路。回路中顺时针方向排列的正偏路中顺时针方向排列的正偏PN结数目与结数目与反时针方向排列的正偏反时针方向排列的正偏P
26、N结数目相等。结数目相等。在在TL回路中，若顺时针方向排列的正偏回路中，若顺时针方向排列的正偏PN结数目与反结数目与反时针方向排列的正偏时针方向排列的正偏PN结数目相等，则顺时针正偏结数目相等，则顺时针正偏PN结的各电流乘积等于反时针正偏结的各电流乘积等于反时针正偏PN结的各电流乘积。结的各电流乘积。跨导线性回路原理：跨导线性回路原理：图图6-24 TL回路回路（三）由跨导线性回路构成的电流放大器yIii232)1 (1xIix)1 (4xIix1.A回路电流放大器图中，输入为T1 、T4 ，其静态电流为Ix ，输入差模电流是在Ix基础上变化x,输入电流：T2 、 T3管的静态电流为Iy图62
27、5(a) A回路电流放大器xyidodIdIIiiA/可得：可得：)1 (2xIiy)1 (3xIiy3142iiii)1 ()1 (23xIixIixx即即xidxIiii241yodxIiii232输入差模电流：输入差模电流：输出差模电流：输出差模电流：2.B回路电流放大器回路电流放大器xIxi)1 (1xIxi)1 (2输入差模信号：输入差模信号：yIIi243输出：输出：yIxi)1 (4yIxi)1 (3同理可得：同理可得：xxIii221yxIii234输入差模电流：输入差模电流：输出差模电流：输出差模电流：xyIdIIiiiiA/)/()(2134与与A回路相比，输入输出电流极性
28、相反。回路相比，输入输出电流极性相反。图图625(b)B回路电流放大器回路电流放大器（四）两级可变增益电流放大器图626 两级电流放大器nepeInIIIA)()/(epeIdIIIA每一级的电流增益为每一级的电流增益为设计低频功放应考虑以下几个特殊问题：设计低频功放应考虑以下几个特殊问题：1.转换效率转换效率： Po/ PDc2.非线性失真：非线性失真：在大信号下，晶体管、变压器等非线性元件在大信号下，晶体管、变压器等非线性元件的特性不能看成线性，而是非线性的，故非线性失真不可忽略的特性不能看成线性，而是非线性的，故非线性失真不可忽略。3.晶体管的安全运用：晶体管的安全运用：在功放中，晶体管
29、工作时电压、电在功放中，晶体管工作时电压、电流幅度变化大，接近极限运用，故应保证晶体管各电流、电压流幅度变化大，接近极限运用，故应保证晶体管各电流、电压及集电极耗散功率不超过规定值。及集电极耗散功率不超过规定值。第四节 功率输出级电路功率放大器：功率放大器：放大设备中直接与负载相连并向负载提供放大设备中直接与负载相连并向负载提供信号功率的输出级及其推动电路信号功率的输出级及其推动电路工作原理：工作原理：实质是能量转换器。即在输入信号控制下，实质是能量转换器。即在输入信号控制下，通过晶体管的作用将直流电源供给的能量转换成输出信号通过晶体管的作用将直流电源供给的能量转换成输出信号功率。功率。三极管
30、的工作状态三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。 甲类-三极管360导电；特点：非线性失真小，但效率最低； 甲乙类-三极管180360导电；特点：兼有甲类失真小和乙类效率高的优点； 乙类-三极管180导电；特点：失真较大，但效率较高； 丙类-三极管180导电；特点：失真最大，效率更高，只用于高频放大器。甲乙类180360导电乙类180导电 图17.01 三极管的四种工作状态丙类0且且U i U be0,U 0 03) U i U be0 , T 1 导通导通,T 2截止截止, Uo U i4) U i U i1 = E c+ Ube1 -Uces1时时, T 1 饱和饱和,突变为水平
31、线突变为水平线, U i 为负电压时为负电压时,相应为对称部相应为对称部分分图图6-31 转移特性转移特性图中图中: U 01= E c-Uces1 U 02= E c+ Ube1 -Uces1 严格说，输入信号严格说，输入信号很小时，达不到三极管很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一周交替过零处会出现一些些非线性失真非线性失真，这个失，这个失真称为真称为交越失真交越失真。如图。如图所示。所示。输入信号很大时输入信号很大时, T1 、 T2进入饱和进入饱和,造成输出信号顶部失真造成输出信号顶部失真,称为称为饱和失
32、真。饱和失真。三三 甲乙类功率输出级甲乙类功率输出级(一一)双电源甲乙类输出级双电源甲乙类输出级1 甲乙类工作原理甲乙类工作原理 由于有由于有U b1 ,U 02给给T 1 ,T 2提供正向小偏压提供正向小偏压,使使T 1 ,T 2接近导通接近导通,在在U i= Ubeo范围内有输出范围内有输出跟随电压跟随电压,可避免交越可避免交越失真失真图图6-32（a）甲乙类输出级）甲乙类输出级原理图原理图6-32(b) 甲乙类推挽输出级转移特性原理Ui=0处，处，T1与与T2处于导通，处于导通，使整个转移特性曲线在工使整个转移特性曲线在工作区域的斜率接近于己于作区域的斜率接近于己于人，从而克服交越失真的
33、人，从而克服交越失真的影响影响2.互补推挽输出级T 3 -共射激励级,可提高输入信号电压幅度;T 1 ,T 2 -互补推挽输出级D 1 ,D 2 -给T 1 ,T 2提供小偏压图6-33 互补输出级3.准互补推挽输出级复合管复合管:两只导电类型相同的管子组成两只导电类型相同的管子组成,复合后管子导电类型不变复合后管子导电类型不变.T 1A ,T 1B -NPN型复合管型复合管T 2A ,T 2B -PNP型复合管型复合管复合管极性决定于小功率管复合管极性决定于小功率管T 1A ,T 2A,输出特性决定于大功率管输出特性决定于大功率管T 1B ,T 2B,复合管电流放大倍数为复合管电流放大倍数为
34、T 1A ,T 1B两管电流放大倍数乘积两管电流放大倍数乘积U B1-2 =I R2 (R 1 +R 2 )=Ube4 (1+R 1 /R 2)上两种电路负载上两种电路负载R L可直接连到功放输出可直接连到功放输出,不用耦合电容不用耦合电容,称为称为OCL电路电路.图6-34 准互补输出级(二)单电源甲乙类推挽输出级(OTL)T 3 -共射激励级,电压放大;T 1 ,T 2 -推挽功率输出级;D 1 ,D 2 -提供小偏压;T 4 ,T 5 -输出过载保护电路图6-35 OTL电路 运算放大器由直接耦合多级放大电路集成制运算放大器由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的方框图如图造的
35、高增益放大器，它的方框图如图6-366-36所示。所示。图图 6-36 运放组成及符号运放组成及符号第五节 集成运算放大器 1.输入级输入级:高性能的差动放大电路。运放有高性能的差动放大电路。运放有两两个输入端个输入端，一个称为，一个称为同相输入端同相输入端，即该端输入信，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号号变化的极性与输出端相同，用符号U表示表示，另一个称为，另一个称为反相输入端反相输入端，即该端输入信号变化，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号的极性与输出端相异，用符号U表示。表示。 4.恒流源偏置恒流源偏置可提供稳定的几乎不随温度而可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电
36、流，以稳定工作点。变化的偏置电流，以稳定工作点。 3.低阻输出级低阻输出级由由PNP和和NPN两种极性的三极两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。压或电流。具体电路参阅功率放大器。 2.中间放大级：中间放大级：提供高的电压增益，以保提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。负载的高增益放大器。6-37集成运放F741(F007)电路原理一一.通用型集成运放通用型集成运放F007电路原理电路原理 由输入级、中间级、输出级、恒流偏
37、置构成。由输入级、中间级、输出级、恒流偏置构成。优点：优点：输入阻抗高，共模范围大，开环增益高，输入阻抗高，共模范围大，开环增益高，工作稳定，输出有短路保护工作稳定，输出有短路保护。(一一)恒流源偏置电路恒流源偏置电路T8、 T9、 T10、 T11、 T12、 T13、 R4、 R5为偏置电路， T11、 T12、 R5形成偏置电路的基准电流Ir552REERUEEIecbeecr图639 恒流偏置3.闭环恒流偏置闭环恒流偏置T10、 T11、 R4连成的小电连成的小电流恒流源带动由横向流恒流源带动由横向PNP管管T8、 T9组成的恒流源，组成的恒流源，并为并为 T3、 T4提供基极电流。提
38、供基极电流。1.基本恒流源电路基本恒流源电路T12所带动的恒流源所带动的恒流源 T13是双集是双集电极横向电极横向PNP管管2.微电流源电路微电流源电路由由NPN对管对管T10、 T11组组成，可提供一微小恒定成，可提供一微小恒定电流电流 Ic10图图639 恒流偏置恒流偏置(二二)输入级电路输入级电路由由T1 T7、R1 R3构成，构成，其中：其中：T1、 T2和和 T3、 T4 接成共集接成共集共基组合差分电路，共基组合差分电路， T3、 T4 的输入阻抗分别作为的输入阻抗分别作为 T1、 T2 的射极阻抗；的射极阻抗；T5、 T6是是 T3、 T4 的有源负载，的有源负载，兼有双端变单端
39、作用；兼有双端变单端作用；T7作用是减小作用是减小 T5、 T6两管电两管电流差别，流差别， R3用来增大工作电流，用来增大工作电流，从而提高从而提高值；值；图640 输入级电路电路特点电路特点1.PNP对管对管T3、 T4 具有高的发射结和集电结击穿电具有高的发射结和集电结击穿电压压,这可使这可使F007的最大差模输入电压大于的最大差模输入电压大于30V;2.具有较高的差模输入电阻具有较高的差模输入电阻3.由于由于T7的耦合作用的耦合作用,使单端输出具有双端输出的差使单端输出具有双端输出的差模增益模增益;4.由于由于T7的耦合的耦合,使单端输出具有双端输出抑制共模使单端输出具有双端输出抑制共
40、模信号的效果信号的效果.(三三)中间级中间级由由T16、 T17 、 T23组成组成T16 -射极跟随器射极跟随器,在输入在输入级与中间增益级间起缓冲级与中间增益级间起缓冲作用作用;T17 -共射电路共射电路,中间增益中间增益级级, T13B为集电极有源负载为集电极有源负载;T23 -射随器射随器,作有源负载。作有源负载。图图641 中间放大级中间放大级(四四)输出级及其保护电路输出级及其保护电路T19 、T20为互补输出为互补输出级级T14 、T15给给T19 、T20提供偏压提供偏压,消除交越消除交越失真失真.过载保护电路过载保护电路T15、T21 、R6 、R7 、 T22、T24及及T
41、23的发射的发射结结D1。图图642 输出级及其保护电路输出级及其保护电路(五五)调零及相位补偿调零及相位补偿Rw -调零电位器调零电位器,使使Ui =0时时, Uo =0;C=30pF-相位补偿电相位补偿电容容,防止闭环时产生自防止闭环时产生自激振荡激振荡.图图638 F007 外部连接外部连接二 集成运放参数及相位补偿技术 (一)集成运放的主要特性参数1.传输参数传输参数1)差模电压增益差模电压增益AUd =|Uo /Uid|或或AUd (dB)=20lg|Uo /Uid|2)输入电阻输入电阻RidAUd =Uid /Iid3)输出电阻输出电阻Ro4)共模输入电阻共模输入电阻Ric 5)共
42、模抑制比共模抑制比CMRRCMRR =|AUd /AUc|6)频率带宽频率带宽截止频率截止频率fo -运放开环增益下降到直流增益的运放开环增益下降到直流增益的0.707倍倍对应频率对应频率;单位增益带宽单位增益带宽fc -运放开环增益下降到运放开环增益下降到1时频带宽度时频带宽度;对单极点系统对单极点系统,有有AUd fo = fc7)差模输入电压范围差模输入电压范围Udm8)共模输入电压范围共模输入电压范围Ucm 1.1.输入失调电压输入失调电压Uos 2.输入偏置电流输入偏置电流 Ib 3.输入失调电流输入失调电流Ios2. 失调误差参数失调误差参数21bebeosUUU2/)(21bbb
43、III21bbosIII4.输入失调电压温漂 dUos /dT5.输入失调电流温漂dIos /dT 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。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。1)额定输出电压额定输出电压UcM2)额定输出电流额定输出电流IoM3)转换速率转换速率SR SR=Up-p/t3.输出信号响应参数输出信号响应参数(二二)相位补偿技术相位补偿技术定义定义:为消除多极点负反馈放大器的自激振为消除多极点负反馈放大器的自激振荡荡,在适当的地方加入补偿网络在适当的地方加入补偿网络,改变电路改变电路原有的频率特性原有的频率特性,破坏它的
44、自激振荡相位破坏它的自激振荡相位条件条件,使放大器在闭环稳定工作使放大器在闭环稳定工作.1.滞后补偿滞后补偿接入补偿元件后接入补偿元件后,使附加相位滞后使附加相位滞后.1)简单电容补偿简单电容补偿把开环幅频特性第一个极点强制移到低频区把开环幅频特性第一个极点强制移到低频区,使开环幅使开环幅频特性呈单极点系统频特性呈单极点系统.例例:5G23集成运放集成运放fP1 = 1/(2 R1 C1 )=4KHz fP2= 1/(2 R2 C2 )=1.2MHz 图图6-48 （a）简单电容补偿结构示意）简单电容补偿结构示意在在fP2 的的M点作一斜率为点作一斜率为-20dB/十倍频直线十倍频直线,与原幅
45、频特与原幅频特性交于性交于N,N对应频率对应频率 fP1 .加入加入Cx,使使fP1 = 1/2 R1 (C1+Cx)则则 C1+Cx = 1/(2 R1 fP1 )图图6-48（b）开环幅频特性）开环幅频特性2)密勒电容补偿密勒电容补偿例例:F007C接至接至A2,则则C折算到输入端后等效电容折算到输入端后等效电容:)/11 ()1 (222poMfjfACACC)(1/)(11011MCCRjAjA)(12CCCAo又)/(1)/1 ()(12211pppoffffjfjfAjA1211/1)/1 ()(ppofffjfAjA)(2)()(1jAjAjA选择选择C使使fp1 fp2,则则:
46、（a）结构示意图6-49 密勒电容补偿（b）A1级等效电路图6-50 密勒电容补偿原理2.超前补偿超前补偿在产生自激振荡的频率点附近引入一个超前相移的零点在产生自激振荡的频率点附近引入一个超前相移的零点,利用零点产生的超前正相移抵销原来的滞后相移利用零点产生的超前正相移抵销原来的滞后相移.1)超前补偿网络超前补偿网络PZfjffjfRRRjA/1/1)(212fZ= 1/(2R1 C ), fP= 1/2(R1 / R2)C图6-51超前补偿网络2)超前补偿原理超前补偿原理例例:)/1)(/1)(/1()(32100fjffjffjfAjA串联入超前网络,增益A(j),则合成后,)/1)(/1)(/1 ()()()(310fjffjffjfAjAjAjAp)/(,2120RRRAAAA图6-52 超前补偿原理三.专用集成运放的典型产品(一)跨导可控型运放F3080（图6-53）(二)超高精度单片集成运放典型电路运放OP-177简化原理电路（图6-54）(三)超高速集成运放（图6-55）