6.集成電路運(yùn)算放大器

1、6.2 差分式放大電路,,,,6.3 集成電路運(yùn)算放大器,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 6.5 專用集成電路運(yùn)算放大器,6 集成電路運(yùn)算放大器,緒論,6.1 集成電路運(yùn)算放大器中的電流源,＊,集成電路：在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。,緒論,,模擬集成電路，數(shù)字集成電路。,模擬集成電路：運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、　　　　　　　　　　功率放大器、模擬乘法器、　　　　

2、　　　　　　　模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、　　　　　　　　穩(wěn)壓電壓集成電路等。,集成電路的基片一般是由一塊約0.2-0.25mm的P型硅片制成。,,,,,,二.集成電路的特點(diǎn)（同分立器件電路相比）：,1.電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性；同一硅片，相同工藝→元件特性相同。,2.大電阻不易集成；硅半導(dǎo)體的體電阻→阻值范圍不大（幾十歐到幾十K歐）,誤差大（10%到20%)；盡量少用電阻,常用有源器件代替無源器件。,3.采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路

3、電路中多采用復(fù)合管、共射-共基、共集-共基等組合電路。,4.級間采用直接耦合方式（級間耦合：阻容→直接）大電容不易集成。PN結(jié)電容→幾十皮法以下。,5.電路中常使用二極管二極管多用作溫度補(bǔ)償元件，常用BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。,6.1 集成電路運(yùn)算放大器中的恒流源,,,? 鏡像電流源,? 多路電流源,? 電流源作有源負(fù)載,? 微電流源,? 概述,,,1. 概述,實(shí)現(xiàn)恒流源的基本思想,,IC恒定,? IB恒定,? VBE恒定,

4、,,1. 概述,負(fù)載為RC，,缺點(diǎn)：1. 受電源波動(dòng)影響大；2. 電阻過多,,,,2. 鏡像電流源,恒流特性,無論Rc的值如何， IC2的電流值將保持不變。,? VBE ?,T ?,,? IC?,? IB?,IC?,? IREF ?,? IB?,,,,2. 鏡像電流源,交流電阻,由于T2的集電極電流基本不變。所以交流量,?,一般Ro在幾百千歐以上,電流源具有直流電阻小而交流電阻很大的特點(diǎn)。,,,精度更高的鏡像電流源（β不夠大時(shí)）,

5、由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何證明）,缺點(diǎn)： 1. 受電源波動(dòng)影響大； 2.電流最低至mA級。,IC2=IC1=IREF-IB　=IREF-IE3/(β+1),如β＝10　 IC2=0.982 IREF,,增加電阻Re3　目的是使IE3增大。,,,3. 微電流源,所以IC2也很小,,,3. 微電流源,iC1=ICSexp(vBE1∕VT)；iC2=ICSexp(vBE2∕VT),VT=26mV；IC1 mA級

6、；IC2 uA級；Re千歐級,優(yōu)點(diǎn)：受電源波動(dòng)影響?。?公式推導(dǎo),,,3. 微電流源--穩(wěn)定性討論,對上式微分，可得,1. 輸出電流穩(wěn)定性比參考電流穩(wěn)定性要好的多；,2. IC1越大，IC2越小，則其穩(wěn)定性越好。,4.　多路電流源,組成,公式推導(dǎo),IC=IREF　- ∑ IB/β,當(dāng)β較大時(shí)　IC=IREF,由于各管的β， VBE相同，則,IERE≈IREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3,IC2≈IE2=IREFRE/R

7、E2,IC3≈IE3=IREFRE/RE3,所以　　IC1≈IE1=IREFRE/RE1,,,,,5. 電流源作有源負(fù)載,共射電路的電壓增益為：,對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，,因此增益為,比用電阻Rc作負(fù)載時(shí)提高了。,,,放大管,6.2 差分式放大電路,,,? 電路組態(tài),6.2.1 基本差分式放大電路,6.2.2 FET差分式放大電路,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性,? 主要指標(biāo)計(jì)算,? 幾種方式指標(biāo)比較,? 改進(jìn)電

8、路,,電容耦合：隔離各級的靜態(tài)工作點(diǎn)。直接耦合：各級的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。,一 電路的耦合方式,基礎(chǔ)概念,,,1.定義：輸入為零時(shí)，輸出還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生， 即輸出電壓偏離原來起始點(diǎn)而上下波動(dòng)。2.原因：溫度變化，電源電壓波動(dòng)等內(nèi)部原因。3.影響：靜態(tài)工作點(diǎn)，與被放大信號混淆，被后級傳 播惡化。4.等效表示：⊿vi=⊿vo/AV折合到輸入端，便于輸

9、入信號比較。,二、零點(diǎn)漂移,,圖1.b,,,三. 零漂的克服,由穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)電路，考慮到直接耦合的情況得到圖1（a）。,圖1.a,,如果存在一個(gè)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的信號源，從輸出信號中扣除掉，就可以克服零點(diǎn)漂移,圖1（b）。 。,,圖1.c,差分式放大電路,,,,,四. 定性分析,1.當(dāng)vi 1=vi 2時(shí)，輸出vo=vo1-vo2=0;2.當(dāng)vi 1=-vi 2時(shí)，輸出vo=vo1-vo2=2vo1;,差模信號,共模信號,差模電壓增益

10、,共模電壓增益,總輸出電壓,差動(dòng)特性,3. │vi 1│≠│vi 2│, vo=?。,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指標(biāo),,,概念,根據(jù)1、2兩式又有,差模信號,共模信號,差模電壓增益,共模電壓增益,總輸出電壓,差模信號輸出,共模信號輸出,,,,考慮到要減輕射極電阻對放大倍數(shù)的影響,當(dāng)vi 1=-vi 2時(shí)，ie1=-ie2,讓兩管共用一個(gè)射極電阻，可以保證兩管射極交流接地;,圖1.d差分放大器,,差分式放大電路的改進(jìn),,,理想電

11、流源具有：電流恒定；交流等效電阻無窮大的特點(diǎn)。,恒流源的作用：1.提供放大電路的偏置電流； 2.替代交流大電阻；（提高共模抑制比）,帶恒流源的差分放大器,,,6.2.1 基本差分式放大電路,1. 差分式放大電路的組態(tài), 雙入、雙出, 雙入、單出, 單入、雙出, 單入、單出,基于不同的應(yīng)用場合，有雙、單端輸入和雙、單端輸出的情況。,所謂“單端”指一端接地。,“單端”的情況，還具有共模抑制能力嗎？,如何進(jìn)一步改進(jìn)呢？,？,,

12、,動(dòng)態(tài),輸入差模信號；輸入共模信號；,2. 各組態(tài)電路的性能參數(shù),靜態(tài),動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：,共模抑制比,差模電壓增益,共模電壓增益,差模輸入電阻,共模輸入電阻,差模輸出電阻,共模輸出電阻,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算, 雙入、雙出,靜態(tài),IE1=IE2=(VEE―VBE)∕2RE ；,VCE1=VCE2≈VCC+VEE―(RC+2RE)IE,Vo=0；,,,,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,差模電壓增益,動(dòng)態(tài),僅輸入差模信號；,Rid=2rbe;,

13、Rod=2RC,,共模電壓增益,共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。,所以,共模增益,僅輸入共模信號：,Roc=2RC,（3）共模抑制比,雙端輸出，理想情況,共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,靜態(tài),IE=(VEE―VBE)∕2RE ；,VCE=Vo+VEE―REIE, 雙入、單出,-,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,差模電壓增益,動(dòng)態(tài),僅輸入差模信號；,Rid=2rbe;,Rod=RC,,共模電壓增益,

14、共模增益,僅輸入共模信號：,Roc=RC,Voc=―ICR'L;,Vic=―IB[rbe+(1+β)2Re];,,,（3）共模抑制比,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,靜態(tài), 單入、雙出,與雙入雙出的一樣,,,IE1=IE2=(VEE―VBE)∕2RE ；,VCE1=VCE2≈VCC+VEE―(RC+2RE)IE,Vo=0；,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,動(dòng)態(tài),運(yùn)用疊加定理：,共模輸入信號,與雙入雙出的一樣,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,靜態(tài),

15、與雙入單出的一樣, 單入、單出,IE=(VEE―VBE)∕2RE ；,VCE=Vo+VEE―REIE,Vo=VCCRL∕(RC+RL)―ICRLRC∕(RC+RL)；,,,3. 主要指標(biāo)計(jì)算,動(dòng)態(tài),可轉(zhuǎn)化為雙入單出的情況；,,,4. 幾種方式指標(biāo)比較,,雙端輸入,單端輸入,,,4. 幾種方式指標(biāo)比較,,,,重要結(jié)論,在各種組態(tài)差分放大器分析比較和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，可以知道：要盡可能的提高差分放大器的共模抑制比，兩個(gè)關(guān)鍵因素是：

16、 電路對稱性； 共射極電阻。,,6.2.2 FET差分式放大電路,1.電路圖（單入單出）,分析方法相同但輸入電阻很大，JEFT 1012歐姆　　　　　　　　MOS 1015歐姆,2.電路圖分析,,,,,T2,+vDD,-vss,iD2,(1)電路結(jié)構(gòu),雙入雙出差分式放大電路耗盡型NMOSFET對管T1、 T2,有源負(fù)載增強(qiáng)型NMOSFET對管T3　T4,偏置電路TREF、T5、T6 T7組成。,（2

17、）工作原理,電路的基準(zhǔn)電流　　　IREF＝ ID5＝ ID6＝ I0,靜態(tài)分析　　　 ID1＝ ID2＝ I0/2 輸出電壓　 vo＝ voD1- voD2 ＝0,動(dòng)態(tài)分析　　　 vo＝ voD1- voD2 差模電壓增益 AVD＝ vo / vid＝ -2 gm (rds1// rds3).,,,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性,vO=

18、R'L(iC2―iC1),其中R'L=RC‖0.5RL ；,iC1=ICSexp(vBE1∕VT)；iC2=ICSexp(vBE2∕VT),I0=iC2+iC1,,,,,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性,圖中縱坐標(biāo)為,,,,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性,,end,,,6.2.3 差分式放大電路的傳輸特性,傳輸特性曲線區(qū)域的劃分：,被視為線性區(qū)；,被視為非線性區(qū)；,被視為飽和區(qū)；,由于輸出有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)

19、，可用于數(shù)字邏輯，稱為ECL電路.,6.3 集成電路運(yùn)算放大器,,,6.3.1 簡單的集成電路運(yùn)算放大器,6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器,,,6.3.1 簡單的集成電路運(yùn)算放大器,組成,,6.3.1 簡單的集成電路運(yùn)算放大器,分析：圖6.3.2.a 1.該運(yùn)放的輸入級、中間級和輸出級分別由哪幾個(gè)管子 組成，各級分別為什么組態(tài)，為什么？ 2.T7、T8和D、T9 各組成什么電路，起什么作用？

20、 3.T5、T6和R5 在此有什么作用？ 4.各級的Q點(diǎn)如何確定？,,1. T1　T2雙入單出差分式放大電路為輸入級。,2. T3和T4組成復(fù)合管共射極放大電路。,3. T5和T6組成電壓跟隨器作為輸出級。,4. T7和T8和R2為偏置電路,5. R7 、D、T9 組成電流源電路以提高　T5　的電壓跟隨能力。,,集成運(yùn)放的特點(diǎn)：,電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,N為反相輸入端P為同相輸入端O為輸出端。,,集

21、成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）,,第1級：差動(dòng)放大器,第2級：差動(dòng)放大器,第3級：單管放大器,第4級：互補(bǔ)對稱射極跟隨器,,,極性判斷,,,,,,,6.3.2 通用型集成電路運(yùn)算放大器,,,end,,簡化電路,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,參數(shù)的分類：,1. 輸入誤差信號,1）定義：用來表征輸入為零時(shí)，輸出對零的偏差折合到 輸入端的數(shù)值。反映了輸入級不對稱的程度。,2)兩個(gè)概念：失調(diào)：由于三

22、極管的參數(shù)和電阻值不對稱，通常零輸入時(shí)， 輸出不為零的現(xiàn)象。一般用調(diào)零裝置來補(bǔ)償。,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,3）參數(shù)：輸入失調(diào)電壓VIO 輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電壓溫漂?VIO / ?T 輸入失調(diào)電流溫漂?IIO / ?T

23、 輸入偏置電流IIB,失調(diào)溫漂：放大器失調(diào)隨溫度的變化而變化使輸出量變化的現(xiàn)象。 難以用調(diào)零裝置補(bǔ)償。,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,2. 開環(huán)差模特性： 開環(huán)差模電壓增益AVO 最大差模輸入電壓Vidmax 開環(huán)帶寬BW

24、(fH) 單位增益帶寬 BWG (fT),3. 開環(huán)共模特性： 開環(huán)共模電壓增益AVO 最大共模輸入電壓Vicmax 共模抑制比KCMR,本章結(jié)束,,,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,3. 瞬時(shí)特性： 轉(zhuǎn)換速率SR,a. 輸入偏置電

25、流IIB,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,b. 最大差模輸入電壓Vidmax,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,,c. 最大共模輸入電壓Vicmax,,6.4 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),,d. 開環(huán)差模電壓增益AVO,e. 開環(huán)帶寬BW (fH),f. 單位增益帶寬 BWG (fT),g. 轉(zhuǎn)換速率SR,,,,集成運(yùn)放的缺點(diǎn)：,開環(huán)帶寬窄,輸入線性范圍小,741型運(yùn)放AVO =106db=2×105倍