《模拟集成电路》PPT课件.ppt

1.掌握差放的结构、原理及Q点、动态指标的计算。,2.了解差动放大器抑制零点漂移的原理。,3.了解镜像电流源、微电流源的组成及工作原理。,4.了解集成运算放大器的组成及工作原理。,6 集成电路运算放大器,5.了解集成运算放大器的主要参数。,基本要求,6.1 电流源,6.2 差分式放大电路,6.3 集成电路运算放大器,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,6 集成电路运算放大器,6.0 概述,一、集成电路(integrated circuit)：在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块Si 基片上，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。如：运放、各种芯片等。,概 述,二、按功能分类：,模拟集成电路,数字集成电路,三、集成度：,小规模集成电路（SSI）102,中规模集成电路（MSI）103,大规模集成电路（LSI）105、,超大规模集成电路（VLSI）105、(如：CPU 310万-330万),Intel 奔腾4,6 集成电路运算放大器,集成电路的工艺特点：,6.0 概述,（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。,（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载,（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。,要求：提供恒定电流IO，且有大的交流电阻,其两端电压变化时，IO保持恒定。,6.1集成电路运放中的电流源,二、恒流特性,一、电路组成,当较大(2)时：,三极管T1、T2对称,.1 镜像电流源（P258）,结论：无论Rc值如何,IC2电流值保持不变（前提：电源要稳定）,当较小时，可用带缓冲级的镜像电流源,增加T0，使IC更加接近IREF,三、镜像电流源特点,3.电流最低至mA级。,1内阻ro一般在几百千欧以上,2.电流受电源波动影响大；,4.具有温度补偿特性。,所以IC2也很小,一、电路特点,二、工作原理,（Re2 K级）,2受电源波动影响小；,3IC2 uA级；,优点：1内阻ro一般在几百千欧以上,.2微电流源（P259）,4.具有温度补偿特性。,T1、T2、T3的基极并联。电路用一个基准电流IREF获得了多个电流输出。,多路电流源：,放大管,例电流源作为有源负载：,.4 电流源作用,举例：P282 集成运放,微电流源直流偏置,镜像电流源有源负载,电流源直流偏置,FET电流源（P260）,一、MOSFET镜像电流源：,二、MOSFET多路电流源：,三、JFET电流源：,(与BJT电流源比较，自学，了解),直接耦合放大电路,零点漂移,电路组成及工作原理,抑制零点漂移原理,概述,基本差分式放大电路,FET差分式放大电路,差分式放大电路的传输特性,差分式放大电路中的一般概念,主要指标计算,几种方式指标比较,6.2 差分式放大电路,1.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都要采用直接耦合方式？,主要由温度变化引起，也称温漂。,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。,6.2.0 概述,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,3.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。如“斩波稳零放大器”,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,6.2.0 概述,4.差分式放大电路中的一般概念,差分式放大电路输入输出结构示意图,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,差模信号输出,共模信号输出,6.2.0 概述,两个输入信号的差值,两个输入信号的算术平均值,根据以上两式可以得到,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,总输出电压,6.2.0 概述,1=2=,rbe1=rbe2=rbe,两个BJT特性一致，参数相等。,VBE1=VBE2=VBE,1.电路组成,差放一般有两个输入端：双端输入两输入端同时加信号单端输入一输入端对地加信号,差放可以有两个输出端:双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对地输出。,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.1 基本差分式放大电路,1.电路组成,恒流源的作用,根据输入、输出方式不同，可分为四种工作方式:,双端输入、双端输出；,双端输入、单端输出；,单端输入、单端输出；,单端输入、双端输出；,相当于阻值很大的电阻。,6.2.1 基本差分式放大电路,1.电路组成,差模信号：,共模信号：,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,（差模、共模、任意输入）,6.2.1 基本差分式放大电路,2.工作原理以双端输入、双端输出为例,静态分析(vi1=vi2=0),c1,c2,2.动态分析：,(1)差模输入：,vC1,vC2,vo=vC1 vC2=2vC1,结论1：差分式放大电路对差模信号有放大能力。,（2）共模输入：,vC1,vC2,c1,c2,vo=vC1 vC2=0,结论2：差分式放大电路对共模信号有抑制能力。,3.差放抑制零漂,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流变化。且变化趋势相同,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。,其效果相当于在两输入端加入了共模信号。,6.2.1 基本差分式放大电路,4、主要技术指标计算(P265),双端输入，差模信号为：,v i1=-vi2=vid/2,交流通路:,电流源 I O,+VCC、-VEE 交流短接,交流短接,1.差模电压增益,(1)双入双出AVD(P265),（单边电路增益）,有负载RL 时：,负载开路 时：,(2)双入单出AVD：,双端输入，共模信号为：,vi 1=vi 2=vi c,交流通路:,电流源 I O,+VCC、-VEE交流短接,电流源内阻ro,等效变换电路：,2.共模电压增益,c1,c2,(1)双入双出AVC,vi 1=vi 2=vi C T1、T2电路对称,vO1=vO 2,vO=vO1-vO 2=0,=0,结论：双入双出时差放抑制零漂能力最强,(2)双入单出AVC,vi 1=vi 2=vi c vO=vO1,3.单端输入差分式放大电路：,结果自行分析 P266,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,6.2.1 基本差分式放大电路,4.主要指标计算,6.2.1 基本差分式放大电路,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,6.2.1 基本差分式放大电路,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时，,双端输出时，,(5)共模抑制比,讨论：,单端输出：,双端输出：共模抑制能力最强；,提高电路的 KCMR 重要因素：保证电路的对称性；保证足够大的发射极电阻ro,6.2.3 FET差分式放大电路：P272，自学,6.2.4 差分式放大电路传输特性：P277，自学,讨论1:差分式放大电路实例,恒流源,IE=(VZ-VBE3)/Re,IC3=(UR2-VBE3)/Re,讨论2:设1=2=3=4=100，VBE1=VBE2=0.7V，VBE3=VBE4=0.6V。求静态时VCE1,解：,VCE1=2.6V,CMOS MC14573集成电路运算放大器,6.4 集成电路运算放大器,自学 了解,6.4.2 概述,集成电路运算放大电路内部组成原理框图,6.4.2 概述,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输出电阻小,输入电阻大,6.4.2 运算放大器的组成,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,6.4.2 通用型集成电路运算放大器,6.5 集成电路运算放大器的主要参数,1.输入失调电压VIO,2.输入偏置电流IIB,3.输入失调电流IIO,4.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/T,5.最大差模输入电压Vidmax,6.最大共模输入电压Vicmax,7.最大输出电流Iomax,6.5 集成电路运算放大器的主要参数,8.开环差模电压增益AVO,9.开环带宽BW(fH),10.单位增益带宽 BWG(fT),11.转换速率SR,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,6.5 集成运算放大器的主要参数,2.输入失调电压温漂 dVio/dT（输入误差）,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。,1.输入失调电压Vio（输入误差）,4.输入失调电流 Iio（输入误差）在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IB（输入误差）输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIio/dT（输入误差）,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。,6.5 集成运算放大器的主要参数,6.最大差模输入电压Vidmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,6.5 集成运算放大器的主要参数,8.开环差模电压放大倍数 Aod：无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid：双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,6.5 集成运算放大器的主要参数,11.3dB带宽 f H：,12.转换速率S R(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,6.5 集成运算放大器的主要参数,运算放大器外形图,运算放大器外形图,6.4 特殊集成运算放大器,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,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：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,一.高速型和宽带型,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177 CF714,二.高精度(低漂移型）,用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549 CF155/255/355,三.高输入阻抗型,四.低功耗型,用于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：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W。,五.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,本章小结,1直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的主要参数的物理意义，才能在使用中恰当地选择元器件。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。5集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，应掌握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。,