第六章集成电路运算放大器.pptx

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1、学习目标：学习目标：1.了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。2.正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及零漂指标的定义方法。3.熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。4.熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。5.熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出与输入之间的相位关系。6.了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。7.了解集成运放主要参数的定义，以及它们对运放性能的影响。第1页/共63页概述概述 集成电路组件 将有源器件、无源器件电阻电容及电路连线等都集中在一块半导体基片上，并将有源

2、器件、无源器件电阻电容及电路连线等都集中在一块半导体基片上，并封装在一个外壳内便形成一个完整的电路和系统。封装在一个外壳内便形成一个完整的电路和系统。第2页/共63页 集成元器件的特点 1.电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性 电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，容易制成特性相同的电路中各元件在同一基片上，又是通过相同工艺过程制造的，容易制成特性相同的管子。管子。通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差，它们的比值误差较小，匹配性好，通常同一块基片上相邻的元件具有同相偏差，它们的比值误差较小，匹配性好，对称性也好，对称性也好，因此集成电路中大量采用比值电路和

3、对称电路。因此集成电路中大量采用比值电路和对称电路。2.2.三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件三极管是集成化元器件中最容易制造的、最基本的元件，二极管大多由三极管的，二极管大多由三极管的发射结构成。发射结构成。3.用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件。(1)(1)电阻元件电阻元件由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，其范围几十由半导体的体电阻构成，阻值越大，占用面积越大，其范围几十 -20k20k；高阻值的电阻多用三极管等有源元件代替或外接。；高阻值的电阻多用三极管等有源元件代替或外接。(2)(2)电容元件电容元件一般由一般由PNPN结的结的结电容或结电容或MOS

4、MOS管电容来制作，一般的容量小于管电容来制作，一般的容量小于200PF200PF。不易制造大电容和电感元件，故。不易制造大电容和电感元件，故集成电路中常采用集成电路中常采用直接耦合方式直接耦合方式。第3页/共63页 集成运算放大器 集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。很高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。1、要放大缓慢变化的信号 2、便于集成第4页/共63页6.1 集成电路运算放大器中的恒流源集成电路运算放大器中的恒流源 镜像电流源镜像电流源 多路电流源多路电流源 电流源作有源负载电流源作有源负载 微电流源

5、微电流源 在模拟集成电路中，广泛地使用电流源，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。第5页/共63页1.镜像电流源镜像电流源恒流特性 无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变。把IC2看作是IREF的镜像，故称为镜像电流源。当 不够大时，二者就存在一定的差别。精度更高的镜像电流源第6页/共63页1.镜像电流源镜像电流源交流电阻 由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量 一般Ro在几百千欧以上第7页/共63页2.微电流源微电流源由于很小，所以IC2也很小第8页/共63页3.多路电流源多路电流源第9页/共63页4.电流源作有源负载电流源作有源负载共射电路的电压增益为：对于此电路

6、Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为比用电阻Rc就作负载时提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源第10页/共63页6.2 差分式放大电路差分式放大电路 直接耦合放大电路 零点漂移长尾差分式放大电路组合差放 概述概述 差分式放大电路差分式放大电路 差分式放大电路中的一般概念恒流源差分放大电路共模负反馈差放第11页/共63页概述概述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：主要原因：温漂指标：#为什么一般的集成运算放大器为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？都要采用直接耦合方式？温度变化引起，也称温漂。输入

7、短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一第12页/共63页例如若第一级漂了100 uV，则输出漂移 1 V。若第二级也漂了100 uV，则输出漂移 10 mV。假设第一级是关键3.减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式。采用差分式放大电路漂了 100 uV漂移 10 mV+100 uV漂移 1 V+10 mV漂移 1 V+10 mV第13页/共63页第14页/共63页 差分电路的组成差分电路的组成 由两个结构完全对称的共射电由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极公共电

8、阻路组成，通过射极公共电阻R Reeee耦耦合构成。合构成。1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb差分式放大电路差分式放大电路一、长尾差分式放大电路一、长尾差分式放大电路第15页/共63页 差分电路的输入输出方式差分电路的输入输出方式输入方式Ui单端输入双端输入Ui1Ui2UoUoUo输出方式单端输出双端输出 差模信号和共模信号差模信号和共模信号+-+差模信号 一对大小相等，极性相反的信号，用Uid1、Uid2表示，Uid1=-Uid2共模信号+-+一对大小相等，极性相同的信号，用Uic1、U

9、ic2表示，Uic1=Uic2第16页/共63页 差分电路的分析差分电路的分析1.静态分析2IeQ由于电路结构对称，管子特性一致。IBQ1=IBQ2=IBQICQ1=ICQ2=ICQUC1=UC2=UCUo第17页/共63页 差分电路的分析差分电路的分析2.动态分析+-+-Uid1=-Uid2即相当于输入一对差模信号Ie1Ie2Ib1=-Ib2 Ie1=-Ie2 Uc1=-Uc2流过Ree上的交流总电流：Ie=Ie1+Ie2=0Ree上交流压降为0。因此，画交流通路时，Ree可视为短路，即两管的发射极直接接地。由Uc1=-Uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位，即每管对

10、地的负载电阻为RL/2.(1)(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析第18页/共63页RbRcUid1Uo工作原理工作原理2.动态分析(1)(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析T1RbRcUid2T2RL=Rc/(RL/2)rid=2(Rb+rbe)Uidrod 2 Rc与单管增益相同 差分电路的分析差分电路的分析Uid1=-Uid2第19页/共63页双端输入双端输出rid=2(Rb+rbe)rod 2 Rc双端输入单端输出是单管增益的一半rid=2(Rb+rbe)rod Rc2.动态分析(1)(1)对差模信号的放大作用分析对差模信号的放大作用分析 差分电路的

11、分析差分电路的分析第20页/共63页工作原理工作原理(2)(2)对共模信号的抑制作用分析对共模信号的抑制作用分析Iec1Iec2Uic1=Uic2=UicIbc1=Ibc2 Iec1=Iec2流过Ree上的电流：Iec=Iec1+Iec2=2 Iec1Ree上的电压：URee=Iec1 2Ree画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。RcT12ReeIec1Uoc1Uic1Rb单端输出电压增益：2.2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路的分析(1+)2ReeRb+rbe第21页/共63页工作原理工作原理UocRcUic1T1Rb2ReeIec1Uoc1RcUic2T2Rb2ReeIec2

12、Uoc2对于Uic来说，两个输入端并联，因此差放双端共模输入电阻为：差放的特点：输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。(2)(2)对共模信号的抑制作用分对共模信号的抑制作用分析析2.2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路的分析共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR衡量差放的衡量差放的一个重要指标。一个重要指标。或双端输出双端输出单端输出单端输出第22页/共63页（3 3）对任意信号的分析方法）对任意信号的分析方法Ui1=Uic+Uid/2Ui2=Uic-Uid/2Uic=Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid=(Ui1-Ui2)Uid1=-Uid2=Uid/2对于两个任

13、意信号Ui1、Ui2，分析时可将它们分解成一对共模信号和一对差模信号，然后分别由差模和共模增益来求。例：Ui1=10mV Ui2=8mVUic=(Ui1+Ui2)/2=9mVUid=(Ui1-Ui2)=2mVUi1=Uic1+Uid1=9+1Ui2=Uic2+Uid2=9-12.2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路的分析第23页/共63页（4 4）单端输入差放电路的分析）单端输入差放电路的分析Ui1=Ui Ui2=0处理方法：按任意信号处理Uid1=-Uid2=(Ui-0)/2=Ui/2Uic1=Uic2=(Ui+0)/2=Ui/21.虽然是单端输入，输入信号将自动将Ui/2加于T1,

14、-Ui/2加于T2（Ree的负反馈的作用）双端输入处理。2.增加了一对共模信号，Uic1=Uic2=Ui/22.2.动态分析动态分析 差分电路的分析差分电路的分析第26页/共63页3.抑制零点漂移抑制零点漂移 当温度变化或电源电压波动时，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，这就意味着差放对由温度变化或电源电压波动所引起的输出漂移有很强的抑制作用。这就是研究共模输入信号的意义。Iec1Iec2动画二动画二第27页/共63页二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路 为了提高共模抑制比应加大为了提高共模抑制

15、比应加大R Reeee 。但。但R Reeee加加大后大后，为保证工作点不变，必须，为保证工作点不变，必须提高负电源提高负电源，这是很不经济的。同时这是很不经济的。同时集成电路难以制造大电集成电路难以制造大电阻阻，为此可用恒流源来代替，为此可用恒流源来代替R Reeee 。恒流源动态电阻大恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。恒，可提高共模抑制比。恒流源可流源可提供一个稳定的偏流提供一个稳定的偏流，同时恒流源的管，同时恒流源的管压降只有几伏，可压降只有几伏，可不必提高负电源不必提高负电源。电路1第28页/共63页 恒定电流恒定电流Ube+I3R3=2UD+I2R2由于IB3很小I1I2 有源负载

16、有源负载提供大动态电阻提供大动态电阻用恒流源输出等效高阻代替实体电阻，称该电阻为有源负载。二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路若Ube=UD则I3R3=UD+I2R2又R1=R2第29页/共63页1.电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态 电路2二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路动态仅输入差模信号，仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。大小相等，大小相等，信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。第30页/共63页2.主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益接入负载时 双入、单出以双倍的元器件换取抑制零漂的能力 双入、双出接入负载时单端输入单端输入等效

17、于双端输入等效于双端输入第31页/共63页（2）共模电压增益 双端输出 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以共模增益 单端输出抑制零漂能力增强第32页/共63页3.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出第33页/共63页3.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出第34页/共63页FET差分式放大电路差分式放大电路1.电路组成电路组成2.差模增益差模增益(单端输出单端输出)3.差模输入电阻差模输入电阻 电路3二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路第35页/共63页FET差分式放大电路差分式放大电

18、路 电路4二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路第36页/共63页三、组合差放三、组合差放 共射共射共基组合差放共基组合差放提高输入级的速度电压增益高 由共射T1、T2与共基电路T3、T4组成的两级差放电路。信号从T4的集电极输出。共基电路的负载T5、T6,T5、T6对称，且基极射极电位均相同，因此流过T5、T6的电流相同。I-I I-I Io第37页/共63页 共集共集共基组合差放共基组合差放输入电阻高，电流和电压增益高T1、T2组成共集差放电路，双入双出。T3、T4组成共基差放电路，双入双出。三、组合差放三、组合差放第38页/共63页组合差分组合差分 R R1 1R R2 2两级的电

19、流负反馈对两级的电流负反馈对共模共模信号信号有很强的有很强的抑制能力抑制能力，对差，对差模信号反馈不存在，因此模信号反馈不存在，因此不影不影响差模信号响差模信号。Uic1 Uic2Ib1输入共模信号 Uic1=Uic2Ib2Ic2Ic1Uc2Ib4Ie4Uc1Ib5Ie5UR2Ie3Ic1 Ic2 四、四、共模负反馈差放共模负反馈差放具有较高的共模抑制比，CMRR80dB第39页/共63页组合差分组合差分输入差模信号 Uid1=-Uid2 Uid1 Uid2 Ib1Ib2Ic2 Ic1Uc2 Ie4Uc1Ie5 UR2=0即无反馈信号共模负反馈电路具有较强的共模抑制能力，对差模信号无影响四、四

20、、共模负反馈差放共模负反馈差放第40页/共63页6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器第41页/共63页集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路。集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路。差动放大输入级U-U+中间放大级互补输出级恒流偏置电路 差动输入级有两个输入差动输入级有两个输入U U+、U U-，当信号从，当信号从U U-输入，输出输入，输出U Uo o与与U U-极性相反，称极性相反，称U U-为反为反相输入端相输入端；当信号从；当信号从U U+输入，输出输入，输出U

21、Uo o与与U U+极性相同，称极性相同，称U U+为同相输入端为同相输入端。减小减小漂移漂移增益级一般高增益共射电路低阻功率输出级，提高负载能力。提供稳定合适的偏流一般由恒流源组成Uo简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器第42页/共63页集成运放集成运放的特点：的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小第43页/共63页通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器第44页/共63页横向PNP管T12、T11、R5构成主偏置电路。T13为双集电极横向PNP管；一路为T16 T17 的有源负载，提高电压放大倍数；另一路为为输出级提供偏置。输入级为共集、共

22、基电路，单端输出。第45页/共63页6.4 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VIO2.输入偏置电流IIB3.输入失调电流IIO4.温度漂移（1）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂 IIO/T5.最大差模输入电压Vidmax6.最大共模输入电压Vicmax7.最大输出电流Iomax第46页/共63页6.4 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AVO9.开环带宽BW(fH)10.单位增益带宽 BWG(fT)11.转换速率SR第47页/共63页最大输出电压U op-p 图 6 26 集成运放的传输特性第4

23、8页/共63页通用型高输入阻抗型高精度(低漂移型)高速型和宽带型低功耗型高压型功率型 为满足实际使用中对集成为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的能指标比较适中的通用型通用型运运放外，发展了适应不同需要放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要标可以对其进行分类，主要有通用、高输入阻抗、高精有通用、高输入阻抗、高精度、高速、低功耗和高压型度、高速、低功耗和高压型等几种。等几种。6.5 专用型集成电路运算

24、放大器专用型集成电路运算放大器第49页/共63页通 用 型 通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压12mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围 13V、转换速率0.5V/s。第50页/共63页高输入阻抗型 广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器、模数和数模转换器。例如：LF356、LF355、LF347 全MOSFET的CA3130 更小偏置电

25、流的有AD515、LF0052 第51页/共63页高精度(低漂移型）一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。仪表中。例如：AD508、OP-27 ICL7650 第52页/共63页高速型和宽带型 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：AD9618 LH0032第53页/共63页低功耗型 一般用于对能源有严格限制的遥测、

26、遥感、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：ICL7641 CA3078 第54页/共63页功 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 第55页/共63页 运算放大器图片第56页/共63页 运算放大器图片第57页/共63页小小 结结 1、集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大电路放大电路。它一般由它一般由输入级输入级、中间级中间级、输出级输出级和和偏置电路偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑

27、制比，常采用差分式放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补提高共模抑制比，常采用差分式放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用作输出级；电流源电路构成偏置电路。对称电压跟随电路常用作输出级；电流源电路构成偏置电路。2 2、电流源电路电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。它常用来作为放大电路的流电阻很大，并具有温度补偿作用。它常用来作为放大电路的有源负载有源负载和决定和决定放大电路各级放大电路各级Q Q点的点的偏置电路偏置电路。第58页/共63页小小 结结 3、差分式放

28、大电路差分式放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力对差模信号具有很强的放大能力，而，而对共模信号却具有对共模信号却具有很强的抑制能力很强的抑制能力。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典型电路。分析。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典型电路。分析这些电路时，要着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体指标的计算与共这些电路时，要着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体指标的计算与共射射(或共源或共源)的单级电路基本一致。的单

29、级电路基本一致。4 4、集成运放是模拟集成电路的典型组件集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它内部电路的分析和工作原理只。对于它内部电路的分析和工作原理只要求作定性的了解，目的在于掌握它的主要技术指标，做到根据电路系统的要求，要求作定性的了解，目的在于掌握它的主要技术指标，做到根据电路系统的要求，正确地选择元器件。正确地选择元器件。第59页/共63页重点难点重点难点重点：(1)差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。(2)差分放大电路的组成、工作原理。(3)差分放大电路的静态、动态分析、计算。难点：运放的内部结构及各部分功能特点。第60页/共63页6.6放大电路中的噪声和干扰第61页/共63页作业作业、第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页