06集成电路运算放大器(差放电路,复合管).ppt

第六章 集成电路运算放大器,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。 在模拟集成电路中，集成运算放大器(简称集成运放)是应用极为广泛的一种器件，是一种高放大倍数的多级直接耦合的放大电路，其电压放大倍数可高达107。 本章首先讨论集成运放的基本单元电路，然后介绍通用型运算放大器及其性能指标。,第六章 集成电路运算放大器,与分立元件电路相比，模拟集成电路有以下几方面的特点： (1) 级间采用直接耦合方式 (2) 电路结构与元件参数具有对称性 (3) 用有源器件代替无源器件 (4) 采用复合管结构的电路 (5)电路大都采用晶体管的发射结构成二极管，用作温度补偿元件或电位移动电路。,6.1 差动放大电路,集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 当多级直接耦合放大电路的输入端短路( ui0 )，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。 抑制零点漂移要着重于第一级。有效的措施之一是采用差动放大电路，因而差动放大电路成为集成运放的主要组成单元。,6.1.1 基本差动放大电路,图中所示是一个基本差动放大电路，又称为长尾式差动放大电路，其结构特点是： 对称，即 Rs1=Rs2=Rs， Rc1=Rc2=Rc， 1=2=， UBEl=UBE2=UBE 两个输入端ui1和ui2 两个输出端uo1和uo2,6.1.1 基本差动放大电路 1.静态分析(ui1= ui2=0),对称 IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC 对输入电路 RsIB+ UBE +2ReIE1= UEE 有,UE=2IE1Re- UEE2ICRe- UEE,IBIC/ UC= UCCRcIC uO= UC1 - U C2=0,抑制零点漂移的作用,1）电路的对称性有效抑制了零点漂移； 2）RE 引入的电 流负反馈，稳定电路工作点，抑制单个管子的零点漂移。 3）电源（-UEE）的作用是： a）对三极管T 1、T 2 提供基极电流； b）补偿I E 在RE 上产生的直流压降，使UE = 0，则UCE = UC，输出电压有较大的变化范围。,2.动态分析,差动放大电路的输入信号可以分为两种类型：共模信号和差模信号。 当两个输入端的信号为ui1-ui2uid/2时，输入方式称为差模输入。uidui1-ui2称为差模信号。 当两个输入信号为ui1ui2uic， uic称为共模信号，其输入方式称为共模输入。 uic的作用与温度影响相似，所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力。,2.动态分析,当两个输入端各加一个任意的信号电压ui1和ui2，这两个输入信号可以分解为差模信号和共模信号， uidui1-ui2 uic=(ui1+ui2)/2 两个输入电压可用共模和差模信号表示， ui1uic+uid/2 ui2= uic-uid/2 在差模信号和共模信号同时存在的情况下，对于线性放大电路来说，可利用叠加原理来求出总的输出电压。 uo=Auduid+Aucuic Aud=uoduid为差模电压放大倍数 Auc=uocuic为共模电压放大倍数。,主要技术指标的计算 (1)共模电压放大倍数,双端输入、双端输出 若电路的完全对称有， uic=ui1=ui2 ue=ieRe=2Reie1 uoc=0 Auc= uoc/ uic=0 共模电压放大倍数越小，说明放大电路的性能越好。,共模输入信号时的信号通路,主要技术指标的计算 (1)共模电压放大倍数,单端输出 Auc1= Auc2= uoc1/ uic= -Rc/(Rs +rbe +(1+)2Re) 一般情况下，(1+)2Re(rbe+Rs)， 1 Auc1 = Auc2 -Rc/ 2Re Re越大，ie的恒流性能越好，Auc1越小，说明它抑制共模信号的能力越强。,共模输入信号时的信号通路,(2)差模电压放大倍数,双端输入、双端输出 ui1=-ui2， ie1=-ie2 ， ie=0 差模信号对Re不起作用，Re可视为短路，差模电压放大倍数与单边放大电路的电压放大倍数相同。 Aud=uo/ uid = (uo1- uo2)/ uid = uo1/ ui1= -Rc/(Rs+rbe) 当集电极c1、c2间接入负载电阻RL时，电压放大倍为 Aud = -RL/(Rs+rbe) RL = Rc /（RL/2）,差模信号通路,(2)差模电压放大倍数,双端输入、单端输出 uo1 = uo /2 (同相 ), 或 uo2 =- uo /2 (反相 ) 单端输出电压放大倍数只有双端输出时的一半 。 Aud1= uo1/ uid =Aud /2= - Aud2 = -Rc/2(Rs+rbe) 若从集电极c1或c2点与地之间接入负载电阻RL时 Aud1 =-Aud2 = -RL /2(Rs+rbe) RL = Rc /RL,差模信号通路,(2)差模电压放大倍数,单端输入(设 ui2 =0) uid=ui1-ui2 = ui1 uic=(ui1+ui2) /2 = ui1 /2 一方面：若电路完全对称， ui1=uic+uid/ 2uid / 2 ui2= uic-uid / 2 -uid / 2 单端输入可等效为双端输入。 另方面：若满足Rer be ie =ue /Re 0 ， 所以，uid近似地均分在两管的输入回路上。 结论：差模电压放大倍数仅与输出形式有关，双端输出，电压放大倍数Aud与单边放大电路相同；单端输出， Aud1 =-Aud2 = Aud / 2 ，而输入电阻都是相同的。,差模信号通路,(3) 共模抑制比KCMR,为了衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来，其定义为 KCMR=|Aud /Auc | 或 KCMR=20lg |Aud /Auc| dB 若差动放大电路完全对称，双端输出时， KCMR=|Aud /Auc | 单端输出时， KCMR=|Aud /Auc |= (Rs +rbe +(1+)2Re)/2 (Rs +rbe ) 一般有 (1+)2Re(rbe+Rs)，1 ， 所以KCMR = Re/ (Rs +rbe ) 单端输出时，总输出电压为 uo1=uid Aud1+uic1Auc1 = uid Aud1 (1+ uic/( uid KCMR),输入电阻 差动放大器的输入电阻分为差模输入电阻rid和共模输入电阻ric。,rid=uid/iid 无论单、双端输入 ，都有uid=ui1ui2= ib1(Rs+rbe)ib2(Rs+rbe) iid = ib1= ib2 rid=uid/iid=2 (Rs+rbe) 在对称的条件下，无论单、双输入，rid是其单边差模信号通路输入电阻的2倍,输入电阻,ric=uic/iic uic=ui1=ui2 = ib1(Rs+rbe)+ib1(1+)2Re iic= ib1+ ib2=2ib1 ric=uic/iic =(Rs+rbe)+(1+)2Re/2 对称的条件下，共模输入电阻ric是其单边共模信号通路输入电阻的一半。,(5) 差模输出电阻,差模输出电阻ro是在差模信号作用下从RL两端向放大器看去的等效电阻。 因为差动放大电路由两边对称的共射极电路组成，可用共射极电路来分析，所以 双端输出电阻ro=2 Rc 单端输出电阻ro= Rc,6.1.2 恒流源差动放大电路,长尾式差动放大电路，由于接入Re提高了共模信号的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈强。 若Re增大，则Re上的直流压降增大，为了保证管子工常工作，必须提高UEE值，这是不合算的。 为此希望有这样一种器件：交流电阻r大，而直流电阻R小。,恒流源电路的等效电阻计算,T3构成的恒流源，输出电阻ro3由微变等效电路计算。 输出回路uo=(io-ib3)rce +(io+ib3)R3 输入回路 ib3(rbe+R1/R2)+(io+ ib3)R3=0,6.2 集成电路运算放大器中的电流源,恒流源电路使用电阻较多，且作为恒流源的管子，它的UBE还要受温度的影响，因此抑制零漂不够理想。 在电子电路特别是模拟集成电路中，广泛使用的另一种单元电路是电流源，它为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。 利用晶体管输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。,6.2.1 镜像电流源,T1、T2特性完全相同，有1=2=，UBE1=UBE2=UBE，IElIE2。 RL是后级电路的等效电阻，R称作限流电阻。 对整个T1管应用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+ 2IB2=(1+2/)IC2 当2， IR Io= IC2 而IR=(UCC-UBE)/R,所以，当R确定后，IR就确定了，Io也随之而定，Io就如同IR在镜子中的影像一样，故称该电路为镜像电流源，IR称作电流源的基准电流。 在UCCUBE的条件下，Io UCC/R与晶体管的参数无关，具有很好的温度稳定性和较好的恒流特性。,6.2.2 微电流源 镜像电流源电路适用于较大工作电流(毫安数量级)的场合，为了减少IC2的值，得到微安数量级的输出电流，而又不使限流电阻R过大，可采用微电流源电路。,与镜像电流源相比，在T2的 射极电路接入电阻Re2，用来控制Io的大小。 IE2 Re2=UBE1- UBE2=UBE，而IC2IE2=UBE/ Re2 利用两管基射极电压差UBE可以控制输出电流IC2=Io。由于UBE的数值小，故用阻值不大的R e2即可获得微小的输出电流。,输出电流Io与基准电流IR的关系,T1和T2发射结是正向偏置，有IE=ISeUBE/UT，IS1=IS2， UBE1UTln IE1/ IS UBE2UTln IE2/ IS UBE= UTln IE1/ IE2 又 IC2=IoIE2，IE1IR，,IoIE2=UBE/ Re2= UT/ Re2 ln IR/ Io IR UCC/R 当基准电流IR和所需要的输出电流Io确定以后，由上两式可以很容易地求得Re2及限流电阻R的值。,6.2.3 多路电流源 用一个基准电流去控制多个输出电流，就构成了多路电流源,当较大时，有 IEICIR 由于各管的、UBE相同，则 IERe =IE1 Re1= IE2 Re2 = IE3 Re3IRRe 所以,IC1IE1= IRRe / Re1 ，IC2IE2= IRRe / Re2 ， IC3IE3= IRRe / Re3 当IR确定后，改变各Rei ，可获得不同的输出电流。,6.3 复合管电路 为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数。,1.复合管的组成形式 一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型可以相同，也可不同。 组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反向偏置。 复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。,2.复合管的主要参数,复合管的主要参数是等效电流放大系效和等效输入电阻rbe。 由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，即12。 （a）(b)两种接法的复合管中，T1管是共集电极组态，而rbe2是T1管的射极电阻，所以复合管等效输入电阻为rbe= rbe1 +（1+）rbe2，。 （c）(d)两种接法的复合管中, rbe= rbe1。,6.5 集成电路运算放大器的主要参数,1开环差模电压放大倍数Aod 是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压放大倍数。 2最大输出电压Uop-p 最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。用集成运放的传输特性曲线表示Uop-p的 影响。 3最大差模输入电压Uid max 所指的是集成运放的反相和 同相输入端所能承受的最大 电压值。 4最大共模输入电压Uic max 这是指运放所能承受的最大 共模输入电压。,小结,1. 集成电路运算放大器的特点是，高电压放大倍数、直接耦合、多级放大。 2. 差动放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。 3. 基本差动放大电路（或称为长尾式差动放大电路）是靠以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电阻Re，引进了共模电流负反馈，从单管着手，稳定静态工作点。 4. 差动放大电路有两个输入端ui1和ui2，两个输入信号的差值称为差模输入信号uid=ui1-ui2；两个输入信号的算术平均值称为共模输入信号uic=(ui1+ui2)/2。任意两个输入信号ui1和ui2都可用差模信号和共模信号表示，即ui1= uic +uid/2，ui2= uic -uid/2。当ui1= -ui2= uid/2称为差模输入方式；ui1= ui2= uic称为共模输入方式,小结,5. 差动放大电路的静态分析方法与第二章基本放大电路的分析方法在本质上是一样的，不过要注意两点（以长尾式差放为例）： （1） 静态时T1 、T2的输入端应接地。 （2） Re 应折合到射极支路，其值为2Re。 6. 动态分析中，由于差放电路完全对称，只进行半边电路的分析即可。画半边电路的信号通路时要注意以下几点： （1） 求差模特性参数时，要正确画出接地点：电源为信号地；双端输出时RL的中点为地；Re的上端电位为地。这样在求Aud时，双端输出可按单管求解。注意：这时。单端输出时Aud为单管放大倍数的1/2，注意：这时若RL有一端接地，则，而rid是两半边电路输入电阻的串联电阻，即半边电路输入电阻的两倍。,小结,（2）求共模特性参数时，Re的上端不为地电位。应当折算到半边电路的射极 ，大小为2 Re 。在单端输出的情况下，Auc为半边电路的放大倍数0，双端输出时Auc=0。ric是两半边电路输入电阻的并联电阻，即为半边电路输入电阻的1/2。 7. 电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻较小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级Q点的偏置电路。,