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第六章集成電路運(yùn)算放大器,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，稱為集成電路。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器(簡稱集成運(yùn)放)是應(yīng)用極為廣泛的一種器件，是一種高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合的放大電路，其電壓放大倍數(shù)可高達(dá)107。本章首先討論集成運(yùn)放的基本單元電路，然后介紹通用型運(yùn)算放大器及其性能指標(biāo)。,第六章集成電路運(yùn)算放大器,與分立元件電路相比，模擬集成電路有以下幾方面的特點(diǎn)：(1)級(jí)間采用直接耦合方式(2)電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性(3)用有源器件代替無源器件(4)采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)的電路(5)電路大都采用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成二極管，用作溫度補(bǔ)償元件或電位移動(dòng)電路。,6.1差動(dòng)放大電路,集成電路運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。當(dāng)多級(jí)直接耦合放大電路的輸入端短路(ui＝0)，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。抑制零點(diǎn)漂移要著重于第一級(jí)。有效的措施之一是采用差動(dòng)放大電路，因而差動(dòng)放大電路成為集成運(yùn)放的主要組成單元。,6.1.1基本差動(dòng)放大電路,圖中所示是一個(gè)基本差動(dòng)放大電路，又稱為長尾式差動(dòng)放大電路，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：對(duì)稱，即Rs1=Rs2=Rs，Rc1=Rc2=Rc，β1=β2=β，UBEl=UBE2=UBE兩個(gè)輸入端ui1和ui2兩個(gè)輸出端uo1和uo2,6.1.1基本差動(dòng)放大電路1.靜態(tài)分析(ui1=ui2=0),∵對(duì)稱∴IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC對(duì)輸入電路RsIB+UBE+2ReIE1=UEE有,,UE=2IE1Re-UEE≈2ICRe-UEE,IB＝IC/βUC=UCC–RcICuO=UC1-UC2=0,抑制零點(diǎn)漂移的作用,1）電路的對(duì)稱性有效抑制了零點(diǎn)漂移；2）RE引入的電流負(fù)反饋，穩(wěn)定電路工作點(diǎn)，抑制單個(gè)管子的零點(diǎn)漂移。3）電源（-UEE）的作用是：a）對(duì)三極管T1、T2提供基極電流；b）補(bǔ)償IE在RE上產(chǎn)生的直流壓降，使UE=0，則UCE=UC，輸出電壓有較大的變化范圍。,2.動(dòng)態(tài)分析,差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)可以分為兩種類型：共模信號(hào)和差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入端的信號(hào)為ui1＝-ui2＝uid/2時(shí)，輸入方式稱為差模輸入。uid＝ui1-ui2稱為差模信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)為ui1＝ui2＝uic，uic稱為共模信號(hào)，其輸入方式稱為共模輸入。uic的作用與溫度影響相似，所以常常用對(duì)共模信號(hào)的抑制能力來反映電路對(duì)零漂的抑制能力。,2.動(dòng)態(tài)分析,當(dāng)兩個(gè)輸入端各加一個(gè)任意的信號(hào)電壓ui1和ui2，這兩個(gè)輸入信號(hào)可以分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)，uid＝ui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2兩個(gè)輸入電壓可用共模和差模信號(hào)表示，ui1＝uic+uid/2ui2=uic-uid/2在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，對(duì)于線性放大電路來說，可利用疊加原理來求出總的輸出電壓。uo=Auduid+AucuicAud=uod／uid為差模電壓放大倍數(shù)Auc=uoc／uic為共模電壓放大倍數(shù)。,主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算(1)共模電壓放大倍數(shù),雙端輸入、雙端輸出若電路的完全對(duì)稱有，uic=ui1=ui2ue=ieRe=2Reie1uoc=0Auc=uoc/uic=0共模電壓放大倍數(shù)越小，說明放大電路的性能越好。,共模輸入信號(hào)時(shí)的信號(hào)通路,主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算(1)共模電壓放大倍數(shù),單端輸出Auc1=Auc2=uoc1/uic=-βRc/(Rs+rbe+(1+β)2Re)一般情況下，(1+β)2Re>>(rbe+Rs)，β>>1Auc1=Auc2≈-Rc/2ReRe越大，ie的恒流性能越好，Auc1越小，說明它抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。,共模輸入信號(hào)時(shí)的信號(hào)通路,(2)差模電壓放大倍數(shù),雙端輸入、雙端輸出∵ui1=-ui2，ie1=-ie2，ie=0∴差模信號(hào)對(duì)Re不起作用，Re可視為短路，差模電壓放大倍數(shù)與單邊放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。Aud=uo/uid=(uo1-uo2)/uid=uo1/ui1=-Rc/(Rs+rbe)當(dāng)集電極c1、c2間接入負(fù)載電阻RL時(shí)，電壓放大倍為Aud=-R’L/(Rs+rbe)R’L=Rc//（RL/2）,差模信號(hào)通路,(2)差模電壓放大倍數(shù),雙端輸入、單端輸出∵uo1=uo/2(同相),或uo2=-uo/2(反相)∴單端輸出電壓放大倍數(shù)只有雙端輸出時(shí)的一半。Aud1=uo1/uid=Aud/2=-Aud2=-Rc/2(Rs+rbe)若從集電極c1或c2點(diǎn)與地之間接入負(fù)載電阻RL時(shí)Aud1=-Aud2=-R’L/2(Rs+rbe)R’L=Rc//RL,差模信號(hào)通路,(2)差模電壓放大倍數(shù),單端輸入(設(shè)ui2=0)∵uid=ui1-ui2=ui1uic=(ui1+ui2)/2=ui1/2一方面：若電路完全對(duì)稱，ui1=uic+uid/2≈uid/2ui2=uic-uid/2≈-uid/2單端輸入可等效為雙端輸入。另方面：若滿足Re>>rb‘eie=ue/Re≈0，所以，uid近似地均分在兩管的輸入回路上。結(jié)論：差模電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān)，雙端輸出，電壓放大倍數(shù)Aud與單邊放大電路相同；單端輸出，Aud1=-Aud2=Aud/2，而輸入電阻都是相同的。,差模信號(hào)通路,(3)共模抑制比KCMR,為了衡量差動(dòng)放大電路抑制共模信號(hào)的能力，常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來，其定義為KCMR=|Aud/Auc|或KCMR=20lg|Aud/Auc|dB若差動(dòng)放大電路完全對(duì)稱，雙端輸出時(shí)，KCMR=|Aud/Auc|→∞單端輸出時(shí)，KCMR=|Aud/Auc|=(Rs+rbe+(1+β)2Re)/2(Rs+rbe)一般有(1+β)2Re>>(rbe+Rs)，β>>1，所以KCMR=βRe/(Rs+rbe)單端輸出時(shí)，總輸出電壓為uo1=uidAud1+uic1Auc1=uidAud1(1+uic/(uidKCMR)),輸入電阻差動(dòng)放大器的輸入電阻分為差模輸入電阻rid和共模輸入電阻ric。,rid=uid/iid無論單、雙端輸入，都有uid=ui1–ui2=ib1(Rs+rbe)–ib2(Rs+rbe)iid=ib1=–ib2rid=uid/iid=2(Rs+rbe)在對(duì)稱的條件下，無論單、雙輸入，rid是其單邊差模信號(hào)通路輸入電阻的2倍,輸入電阻,ric=uic/iic∵uic=ui1=ui2=ib1(Rs+rbe)+ib1(1+β)2Reiic=ib1+ib2=2ib1∴ric=uic/iic=[(Rs+rbe)+(1+β)2Re]/2對(duì)稱的條件下，共模輸入電阻ric是其單邊共模信號(hào)通路輸入電阻的一半。,(5)差模輸出電阻,差模輸出電阻ro是在差模信號(hào)作用下從RL兩端向放大器看去的等效電阻。因?yàn)椴顒?dòng)放大電路由兩邊對(duì)稱的共射極電路組成，可用共射極電路來分析，所以雙端輸出電阻ro=2Rc單端輸出電阻ro=Rc,6.1.2恒流源差動(dòng)放大電路,長尾式差動(dòng)放大電路，由于接入Re提高了共模信號(hào)的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈強(qiáng)。若Re增大，則Re上的直流壓降增大，為了保證管子工常工作，必須提高UEE值，這是不合算的。為此希望有這樣一種器件：交流電阻r大，而直流電阻R小。,恒流源電路的等效電阻計(jì)算,T3構(gòu)成的恒流源，輸出電阻ro3由微變等效電路計(jì)算。輸出回路uo=(io-βib3)rce+(io+ib3)R3輸入回路ib3(rbe+R1//R2)+(io+ib3)R3=0,6.2集成電路運(yùn)算放大器中的電流源,恒流源電路使用電阻較多，且作為恒流源的管子，它的UBE還要受溫度的影響，因此抑制零漂不夠理想。在電子電路特別是模擬集成電路中，廣泛使用的另一種單元電路是電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作放大電路的有源負(fù)載。利用晶體管輸出特性具有恒流的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)妮o助電路可以使其恒流特性更接近于理想情況。,6.2.1鏡像電流源,T1、T2特性完全相同，有β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，IEl＝IE2。RL是后級(jí)電路的等效電阻，R稱作限流電阻。對(duì)整個(gè)T1管應(yīng)用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+2/β)IC2當(dāng)β>>2，IR≈Io=IC2而IR=(UCC-UBE)/R,所以，當(dāng)R確定后，IR就確定了，Io也隨之而定，Io就如同IR在鏡子中的影像一樣，故稱該電路為鏡像電流源，IR稱作電流源的基準(zhǔn)電流。在UCC>>UBE的條件下，Io≈UCC/R與晶體管的參數(shù)無關(guān)，具有很好的溫度穩(wěn)定性和較好的恒流特性。,6.2.2微電流源鏡像電流源電路適用于較大工作電流(毫安數(shù)量級(jí))的場合，為了減少IC2的值，得到微安數(shù)量級(jí)的輸出電流，而又不使限流電阻R過大，可采用微電流源電路。,與鏡像電流源相比，在T2的射極電路接入電阻Re2，用來控制Io的大小?！逫E2Re2=UBE1-UBE2=△UBE，而IC2≈IE2=△UBE/Re2∴利用兩管基—射極電壓差△UBE可以控制輸出電流IC2=Io。由于△UBE的數(shù)值小，故用阻值不大的Re2即可獲得微小的輸出電流。,輸出電流Io與基準(zhǔn)電流IR的關(guān)系,∵T1和T2發(fā)射結(jié)是正向偏置，有IE=ISeUBE/UT，IS1=IS2，∴UBE1≈UTlnIE1/ISUBE2≈UTlnIE2/IS△UBE=UTlnIE1/IE2又∵IC2=Io≈IE2，IE1≈IR，,∴Io≈IE2=△UBE/Re2=UT/Re2lnIR/IoIR≈UCC/R當(dāng)基準(zhǔn)電流IR和所需要的輸出電流Io確定以后，由上兩式可以很容易地求得Re2及限流電阻R的值。,6.2.3多路電流源用一個(gè)基準(zhǔn)電流去控制多個(gè)輸出電流，就構(gòu)成了多路電流源,當(dāng)β較大時(shí)，有IE≈IC≈IR由于各管的β、UBE相同，則IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3≈IRRe所以,IC1≈IE1=IRRe/Re1，IC2≈IE2=IRRe/Re2，IC3≈IE3=IRRe/Re3當(dāng)IR確定后，改變各Rei，可獲得不同的輸出電流。,6.3復(fù)合管電路為獲得高放大倍數(shù)，可以利用多個(gè)晶體管組成復(fù)合管，以得到較大的電流放大系數(shù)。,1.復(fù)合管的組成形式一般復(fù)合管由兩個(gè)晶體管組成，兩個(gè)晶體管的類型可以相同，也可不同。組成后的復(fù)合管應(yīng)滿足復(fù)合起來的管子都處于導(dǎo)通狀態(tài)的條件，即滿足發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。復(fù)合管的類型與第一個(gè)晶體管的類型相同。,,,2.復(fù)合管的主要參數(shù),復(fù)合管的主要參數(shù)是等效電流放大系效β和等效輸入電阻rbe。由上圖四種接法的復(fù)合管各極電流關(guān)系可以推出：復(fù)合管的等效電流放大系數(shù)是兩管電流放大系數(shù)的乘積，即β≈β1β2。（a）(b)兩種接法的復(fù)合管中，T1管是共集電極組態(tài)，而rbe2是T1管的射極電阻，所以復(fù)合管等效輸入電阻為rbe=rbe1+（1+β）rbe2，。（c）(d)兩種接法的復(fù)合管中,rbe=rbe1。,6.5集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù),1．開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)。2．最大輸出電壓Uop-p最大輸出電壓是指在額定的電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰一峰值。用集成運(yùn)放的傳輸特性曲線表示Uop-p的影響。3．最大差模輸入電壓Uidmax所指的是集成運(yùn)放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。4．最大共模輸入電壓Uicmax這是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。,小結(jié),1.集成電路運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是，高電壓放大倍數(shù)、直接耦合、多級(jí)放大。2.差動(dòng)放大電路是集成電路運(yùn)算放大器的重要組成單元，它既能放大直流信號(hào)，又能放大交流信號(hào)；它對(duì)差模信號(hào)具有很強(qiáng)的放大能力，而對(duì)共模信號(hào)卻具有很強(qiáng)的抑制能力。3.基本差動(dòng)放大電路（或稱為長尾式差動(dòng)放大電路）是靠以下兩方面來抑制零漂：一是利用了電路的對(duì)稱性；二是射極接了大電阻Re，引進(jìn)了共模電流負(fù)反饋，從單管著手，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。4.差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端ui1和ui2，兩個(gè)輸入信號(hào)的差值稱為差模輸入信號(hào)uid=ui1-ui2；兩個(gè)輸入信號(hào)的算術(shù)平均值稱為共模輸入信號(hào)uic=(ui1+ui2)/2。任意兩個(gè)輸入信號(hào)ui1和ui2都可用差模信號(hào)和共模信號(hào)表示，即ui1=uic+uid/2，ui2=uic-uid/2。當(dāng)ui1=-ui2=uid/2稱為差模輸入方式；ui1=ui2=uic稱為共模輸入方式,小結(jié),5.差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析方法與第二章基本放大電路的分析方法在本質(zhì)上是一樣的，不過要注意兩點(diǎn)（以長尾式差放為例）：（1）靜態(tài)時(shí)T1、T2的輸入端應(yīng)接地。（2）Re應(yīng)折合到射極支路，其值為2Re。6.動(dòng)態(tài)分析中，由于差放電路完全對(duì)稱，只進(jìn)行半邊電路的分析即可。畫半邊電路的信號(hào)通路時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）求差模特性參數(shù)時(shí)，要正確畫出接地點(diǎn)：電源為信號(hào)地；雙端輸出時(shí)RL的中點(diǎn)為地；Re的上端電位為地。這樣在求Aud時(shí)，雙端輸出可按單管求解。注意：這時(shí)。單端輸出時(shí)Aud為單管放大倍數(shù)的1/2，注意：這時(shí)若RL有一端接地，則，而rid是兩半邊電路輸入電阻的串聯(lián)電阻，即半邊電路輸入電阻的兩倍。,小結(jié),（2）求共模特性參數(shù)時(shí)，Re的上端不為地電位。應(yīng)當(dāng)折算到半邊電路的射極，大小為2Re。在單端輸出的情況下，Auc為半邊電路的放大倍數(shù)≠0，雙端輸出時(shí)Auc=0。ric是兩半邊電路輸入電阻的并聯(lián)電阻，即為半邊電路輸入電阻的1/2。7.電流源電路是模擬集成電路的基本單元電路，其特點(diǎn)是直流電阻較小，交流電阻很大，并具有溫度補(bǔ)償作用。常用來作為放大電路的有源負(fù)載和決定放大電路各級(jí)Q點(diǎn)的偏置電路。,