集成運算放大器電路.ppt

2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 1 第五章集成運算放大器電路 5 1集成運算放大器的特點 5 2電流源電路 一 鏡像電流源 二 比例電流源 三 微電流電流源 四 負反饋型電流源 五 有源負載放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 2 5 3差動放大電路 5 3 1零點漂移現(xiàn)象 5 3 2差動放大器的工作原理及性能分析 一 差模放大特性 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 差模輸入電阻 3 差模輸出電阻 二 共模抑制特性 1 共模電壓放大倍數(shù) 2 共模輸入電阻 3 共模輸出電阻 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 3 三 共模抑制比KCMR 四 對任意輸入信號的放大特性 5 3 3具有電流源的差動放大電路 一 共模抑制比可做的非常高 二 允許輸入端有較大的共模電壓變化 5 3 4差動放大器的傳輸特性 一 兩管集電極電流之和恒等于I 二 傳輸特性具有非線性特性 三 差動放大器的增益與I成正比 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 4 5 3 5差動放大器的失調(diào)及溫漂 一 差動放大器的失調(diào) 二 失調(diào)的溫度漂移 5 4集成運算放大器的輸出級電路 5 5集成運放電路舉例 5 5 1集成運算放大器F007 5 7集成運算放大器的主要性能指標 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 5 第五章集成運算放大器電路 1 了解差分放大電路的組成和工作原理 掌握靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的分析方法 2 掌握電流源電路的結(jié)構(gòu) 工作原理和分析方法 3 了解典型集成運算放大器的組成及其各部分的特點 掌握其電壓傳輸特性和主要參數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 6 集成電路 60年代發(fā)展起來的一種新型器件 把眾多晶體管 電阻 電容及連線制作在一塊半導體芯片 如 硅片 上 做成具有特定功能的獨立電子線路 外型一般用金屬圓殼或雙列直插結(jié)構(gòu) 集成電路具有性能好 可靠性高 體積小 耗電少 成本低等優(yōu)點 集成運放 是一種模擬集成電路 早期實現(xiàn)各種數(shù)學運算 主要用于模擬計算機 現(xiàn)在廣泛應用于各種電子系統(tǒng)中 是一種通用型模擬器件 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 7 5 1集成運算放大器的特點 1 級間只能采用直接耦合方式 集成工藝不能制作大電容和電感 2 盡可能采用有源器件代替無源器件 避免使用大電容 大電阻 3 利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能 參數(shù)一致性好 但單個元器件參數(shù)誤差較大 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 8 圖5 1集成運算放大器組成框圖 差動放大器 負載為有源負載的共射放大器 射隨器或互補射隨器 提供各級偏流和有源負載 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 9 5 2電流源電路 電流源電路即電流恒定的電路 可為集成運放各級電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置電流 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 10 圖5 2 1鏡像電流源 工作電流 參考電流 一 鏡像電流源 CurrentMirror 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 11 圖5 2 2多路鏡像電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 12 圖5 2 3多集電極晶體管鏡像電流源 a 三集電極橫向PNP管電路 b 等價電路 集成電路中多路鏡像電流源的實現(xiàn) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 13 二 比例電流源 圖5 2 4比例電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 14 室溫下 當兩管的射極電流相差10倍時 若 1 則IE1 Ir IE2 IC2 僅為此時兩管UBE電壓 600mV 的10 因此 UBE1 UBE2 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 15 三 微電流源 WidlarCurrent 圖5 2 5微電流電流源 當 1 1時 IE1 Ir IE2 IC2 已知Ir 1mA 要求IC2 10 A時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 16 四 負反饋型 威爾遜 電流源 圖5 2 6威爾遜電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 17 若三管特性相同 則 1 2 3 利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動態(tài)內(nèi)阻Ro為 較大的動態(tài)內(nèi)阻 輸出電流受 的影響也大大減小 優(yōu)點 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 18 五 有源負載放大器 圖5 3 1有源負載放大器 a 共射電路 b 具有倒相功能的共射電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 19 5 3差動放大電路 DifferentialAmplifier 5 3 1零點漂移現(xiàn)象 1 靜態(tài)時 由于溫度變化 電源波動等因素的影響 會使工作點電壓 即集電極電位 偏離設(shè)定值而緩慢地上下飄動 2 在阻容耦合電路中 因為耦合電容的存在 輸入級工作點的緩飄很難傳到下一級去 因此可忽略它的影響 但對直接耦合放大電路 這種飄動會逐級放大 會使后級放大器進入截止和飽和 這樣整個電路將無法正常工作 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 20 3 差動放大器電路能有效地克服零點漂移 圖5 4 1放大器的零點漂移 等效輸入漂移電壓 輸出漂移電壓 等效輸入漂移電壓限制了放大器所能放大的最小信號 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 21 5 3 2差動放大器的工作原理及性能分析 圖5 4 3基本差動放大器 長尾式 當Ui1 Ui2 0時 則流過RE的電流I為 故有 靜態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 22 圖5 4 3基本差動放大器 靜態(tài)時 差動放大器兩輸出端之間的直流電壓為零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 23 U CC R C R L R C R E U EE V 1 V 2 u o u ic RE上有靜態(tài)電壓和交流信號電壓 0V u ic 一 共模 Common Mode 抑制特性 動態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 24 R C U o c2 R C U o c1 U ic V 1 V 2 U oc 2 R E 2 R E 圖5 4 4基本差動放大器的共模等效通路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 25 1 共模電壓放大倍數(shù) 雙端輸出時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 26 單端輸出時 1 共模電壓放大倍數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 27 2 共模輸入電阻 注 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 28 3 共模輸出電阻 單端輸出時 單端輸出時 雙端輸出時 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 29 二 差模 Difference Mode 放大特性 動態(tài)分析 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 30 圖5 4 6基本差動放大器的差模等效通路 U od1 U od2 R L 2 R L 2 V 2 V 1 U id1 U id2 U id R C R C U od I b1 I b2 I c1 I c2 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 31 雙端輸出 浮動輸出 時 1 差模電壓放大倍數(shù) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 32 單端輸出時 1 差模電壓放大倍數(shù) 負載RL 情況下 或 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 33 2 差模輸入電阻 InputDifferentialResistance 注 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 34 3 差模輸出電阻 OutputDifferentialResistance 單端輸出時為 雙端輸出時為 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 35 三 共模抑制比KCMR Common ModeRejectionRatio 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 36 四 對任意輸入信號的放大特性 0V 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 37 1 任意輸入信號的分解及輸入電壓 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 38 2 任意輸入信號作用下 輸出電壓的計算 雙端輸出時的電路圖 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 39 單端輸出時的電路圖 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 40 如兩端都不接地 這種接法稱為雙端輸入 如信號源一端接地 這種接法稱為單端輸入 3 關(guān)于只有一路信號源接入差動放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 41 5 3 3具有電流源的差動放大電路 圖4 12所示的基本差動放大器 存在兩個缺點 一是共模抑制比做不高 若UEE 15V 則室溫下 KCMR 單 的上限約為300 而與RE的取值無關(guān) 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 42 二是不允許輸入端有較大的共模電壓變化 公共射極電位變化 差放管的靜態(tài)工作電流變化 rbe改變 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 43 圖5 15具有電流源的差動放大器電路 a 用單管電流源代替RE的差動電路 b 電路的簡化表示 恒流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 44 靜態(tài)工作點的估算 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 45 一 共模抑制比可做的非常高 二 允許輸入端有較大的共模電壓變化 Auc 0 Auc 單 0 KCMR KCMR 單 高 電流源的輸出電阻非常大 rbe幾乎不變 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 46 5 3 4差動放大器的傳輸特性 TransferCharacteristic 圖5 16簡化的差動放大器 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 47 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 48 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 49 i C1 i C2 I i C1 i C2 i C1 i C2 6 U T 4 U T 2 U T 0 2 U T 4 U T 6 U T u id Q I 2 a 電流傳輸特性曲線 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 50 b 電壓傳輸特性曲線 圖5 17差動放大器的傳輸特性曲線 u o IR C 6 U T 4 U T 2 U T 0 2 U T 4 U T 6 U T u id IR C 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 51 一 兩管集電極電流之和恒等于I 二 傳輸特性具有非線性特性 當uid 0時 差動電路處于靜態(tài) 這時 iC1 iC2 ICQ I 2 1 在靜態(tài)工作點附近 當 uid UT 即室溫下 uid在26mV以內(nèi)時 傳輸特性近似為一段直線 2 當 uid 4UT 即uid超過100mV時 傳輸特性明顯彎曲 而后趨于水平 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 52 三 差動放大器的增益與I成正比 雙端輸出時跨導 單端輸出時跨導 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 53 差動放大器的跨導與單級共射電路的跨導相等 從增益的角度看 相當于一級共射電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 54 實現(xiàn)了兩個模擬信號電壓相乘 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 55 5 3 5差動放大器的失調(diào)及溫漂 一 差動放大器的失調(diào) 當輸入信號為零時 由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對稱 因而使得輸出不為零 這種現(xiàn)象 稱為差動放大器的失調(diào) 與失調(diào)有關(guān)的具體因素 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 56 圖1實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 總輸入失調(diào)電壓 總輸出失調(diào)電壓 差模源電壓增益 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 57 UOOS 圖1實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 IIO RS很大并接近開路時的輸入失調(diào)參數(shù) UIO RS為0時的輸入失調(diào)參數(shù) IIO UIO 差分放大器的固有參數(shù) 利用戴維南等效定理可得a b兩點間開路電壓 b a 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 58 R C R C R C U i V 1 V 2 U o U EE I U CC I B2 I IO 2 I IO 2 U IO I B1 圖5 19差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 補償電壓 補償電流 RS RS I B I B 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 59 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 60 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 61 圖5 20差動放大器的調(diào)零電路 a 射極調(diào)零 b 集電極調(diào)零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 62 二 失調(diào)的溫度漂移 TemperatureDrift 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 63 5 4集成運算放大器的輸出級電路 圖5 21互補對稱型射極 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 64 圖5 22交越失真產(chǎn)生的原因及波形 硅管導通電壓 約為0 5V 在0 5 0 5V之間 兩管的輸出電流近似為零 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 65 圖5 23克服交越失真的互補電路 a 二極管偏置方式 b 模擬電壓源偏置方式 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 66 5 5集成運放電路舉例 5 5 1集成運算放大器F007 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 67 圖5 24F007電路原理圖 輸入級 中間級 輸出級 比例電流源 鏡像電流源 鏡像電流源 微電流電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 68 5 7集成運算放大器的主要參數(shù) 一 輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO 二 失調(diào)的溫漂 三 輸入偏置電流IIB 四 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 五 共模抑制比KCMR 當外接RS足夠大 使IIORS UIO時 失調(diào)電流 IIO IB1 IB2 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 69 六 差模輸入電阻Rid 七 共模輸入電阻Ric 八 輸出電阻Ro 九 輸入電壓范圍 十 帶寬 十一 轉(zhuǎn)換速率 壓擺率 SR 十二 靜態(tài)功耗Pc 十三 電源電壓抑制比PSRR 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 70 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 71 作業(yè) 4 1 1 4 2 4 4 4 5 4 7 4 6 4 12 4 14 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 72 圖5 2單管電流源電路 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 73 圖5 8威爾遜電流源 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 74 1 2 3 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 75 4 5 6 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 76 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 77 以平面工藝為基礎(chǔ)的半導體集成電路的制造工藝 1 由外延 氧化 光刻 擴散和薄膜淀積 或叫蒸鋁 五種基本技術(shù)組成平面工藝 2 采用PN結(jié)隔離技術(shù)和介質(zhì)隔離技術(shù) 3 NPN型晶體三極管是最基本的器件 PNP型晶體三極管有縱向和橫向兩種結(jié)構(gòu) 由于發(fā)射區(qū)不是高摻雜的 因而 它們的 值極低 約在2 20之間 橫向PNP型管的 值更低 典型值為3 5 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 78 4 電阻通常有擴散電阻和金屬膜電阻兩類 擴散電阻就是雜質(zhì)半導體的體電阻 由標準N 擴散流程形成的N 區(qū)電阻的阻值一般為20 100 由標準P擴散流程形成的P區(qū)電阻的阻值一般為100 20K 阻值的誤差較大 約為 20 利用標準的薄膜沉積流程在二氧化硅表面層上淀積一層金屬膜作為電阻 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 79 5 一般電容都是PN結(jié) 特別是發(fā)射結(jié) 在反向偏置時的結(jié)電容 也可用MOS電容 這是以SiO2為介質(zhì)的電容器 一般電容量不宜超過100pF 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 80 對單級放大器 當在晶體三極管的發(fā)射結(jié)上加上恒壓源及正弦信號電壓時 由于伏安特性的非線性 將使集電極電流ic中除了直流和基波分量之外 還包含各次諧波分量 若要求二次諧波振幅為基波振幅的2 5 則允許信號電壓的振幅為 Usm 2 6mV T 300K時 kT q 0 026V 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 81 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 82 差動電路特點 要求兩管 VT1 VT2 對稱其它元件也對稱長尾電阻正 負雙電源有兩個輸入端和兩個輸出端 2020年1月29日星期三 模擬電子技術(shù) 83 RS RS 實際差分放大器加補償電壓 補償電流示意圖 UIO 無失調(diào)差分放大器 I IO 2 I IO 2 U IO I B1 I B I B I B2 補償電流 補償電壓 失調(diào)電壓 OffsetVoltage 失調(diào)電流