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模擬電子電路,機(jī)電工程學(xué)院肖林榮,,6模擬集成電路,6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.3差分式放大電路的傳輸特性,6.4集成電路運(yùn)算放大器,6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響,6.2差分式放大電路,6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器,6.7放大器中的噪聲和干擾,集成電路按其功能分,,數(shù)字集成電路,模擬集成電路,模擬集成電路類型,,集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等。,集成電路IC(IntegratedCircuit)：將整個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。,集成運(yùn)算放大電路概述,,一、集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1.級間采用直接耦合方式（硅片上不能做大電容200p以下）,3.元件參數(shù)匹配性好,常用對稱結(jié)構(gòu)差動放大作輸入級（克服溫漂）.,2.采用有源器件代替無源器件（硅片上不宜制作高阻值電阻10-50k，有源負(fù)載代替大電阻）.,4.采用復(fù)合管（不同類型管性能差異大）,集成運(yùn)算放大電路概述,,集成運(yùn)算放大電路：高增益的多級直接耦合放大電路.問世最早，應(yīng)用最廣泛。最初多用于各種模擬信號的運(yùn)算故稱集成運(yùn)算放大電路，簡稱集成運(yùn)放。,二、集成運(yùn)放的內(nèi)部組成框圖及其外形圖,集成運(yùn)算放大電路概述,,本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：,1.集成電路的特點(diǎn)。,2.偏置電路（電流源）的作用、分類。,3.差分式放大電路原理及其性能指標(biāo)的計(jì)算。,4.定性介紹LM741集成運(yùn)算放大器.,,6.1模擬集成電路中的直流偏置技術(shù),6.1.1BJT電流源電路,6.1.2FET電流源,1.鏡像電流源,2.微電流源,3.高輸出阻抗電流源,4.組合電流源,1.MOSFET鏡像電流源,2.MOSFET多路電流源,3.JFET電流源,3、電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。,模擬集成電路中的電流源,電流源電路的特點(diǎn)：這是輸出電流恒定的電路。它具有很高的輸出電阻。1、BJT、FET工作在放大狀態(tài)時其輸出電流都是具有恒流特性的受控電流源；由它們都可構(gòu)成電流源電路。2、在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等,如何設(shè)置集成運(yùn)放中各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)？,為什么要采用電流源來實(shí)現(xiàn)直流偏置？易集成（需要電阻少），可以直接提供恒定電流，帶負(fù)載能力也強(qiáng)。,6.1.1BJT電流源電路,1.鏡像電流源--是由三極管電流源演變而來的(電流鏡CurrentMirror)。,,T1、T2的參數(shù)全同,即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2,當(dāng)BJT的β較大時，基極電流IB可以忽略,Io＝IC2≈IREF＝,,代表符號,Io(IC2)與IREF是鏡像關(guān)系,基準(zhǔn)電流是穩(wěn)定的，故輸出電流也是穩(wěn)定的,T1“Vce=Vbe≈0.7V”，是一種特殊工作狀態(tài)（方式）---臨界飽和。發(fā)射結(jié)要正向偏置，集電結(jié)要反向偏置，此時即為放大狀態(tài)。,6.1.1BJT電流源電路,1.鏡像電流源,動態(tài)電阻,一般ro在幾百千歐以上,,當(dāng)R取幾k?時，IREF為mA量級Io較大,適用于較大工作電流的場合.,電流源的特點(diǎn)端口電流恒定，直流電阻小R==u/i,交流等效電阻大R=?u/?i。,6.1.1BJT電流源電路,2.微電流源(常用)--在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。,,所以IC2也很小。IC2可降至?A量級的微電流源,ro≈rce2（1＋）,（參考射極偏置共射放大電路的輸出電阻）,微電流源電路,接入阻值不大的Re2就可得到一個比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗集成電路和集成放大器前置級中.,引入Re使VBE2re教(發(fā)射結(jié)電阻)，故ro可視為開路。（2）ro開路后，可認(rèn)為Vi均分在兩管的輸入回路上。即每管的輸入電壓為Vi/2.（3）于是，單端輸入時電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時近似一致。各指標(biāo)也近似相同。,3.主要指標(biāo)計(jì)算,（2）共模情況,雙端輸出,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,,單端輸出---它等效于一個射級電阻為2ro的共射放大電路。,抑制零漂能力增強(qiáng),,3.主要指標(biāo)計(jì)算,（2）共模情況,,（3）共模抑制比--差模增益與共模增益之比.,差分式放大電路雙端輸出，理想情況,單端輸出,抑制零漂能力,越強(qiáng),單端輸出時的總輸出電壓,（4）頻率響應(yīng),高頻響應(yīng)與共射電路相同，低頻可放大直流信號。,,,表6.2.1幾種方式指標(biāo)比較,,例6.2.1:p268,例,,(4)當(dāng)輸出接一個12k?負(fù)載時的差模電壓增益。,解：,求:,(1)靜態(tài),(2)電壓增益,(3),差分電路的共模增益,共模輸入電壓,不計(jì)共模輸出電壓時,(4),,,？,思考題,答：,1.兩個放大電路是否都可以放大0.1mV的信號？,end,輸入端漂移電壓為0.2mV,輸入端漂移電壓為0.002mV,A1不可以，,A2可以,,,？,思考題,2.若在基本差分式放大電路中增加兩個電阻Re（如圖所示）。則動態(tài)指標(biāo)將有何變化？,答：,雙端輸出差模增益,差模輸入電阻,單端輸出共模增益,共模輸入電阻,,,？,思考題,3.差分式放大電路如圖所示。分析下列輸入和輸出的相位關(guān)系：,反相,vC1與vi1,end,同相,vC2與vi1,同相,vC1與vi2,反相,vC2與vi2,反相,vO與vi1,同相,vO與vi2,3.靜態(tài)時，兩個輸入端是否有靜態(tài)偏置電流？,＊4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,靜態(tài),IE6?IREF,IO＝IE5,＊4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,差模電壓增益（負(fù)載開路）,則,單端輸出的電壓增益接近于雙端輸出的電壓增益,＊4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,差模輸入電阻Rid＝2rbe,輸出電阻,＊4.帶有源負(fù)載的射極耦合差分式放大電路,共模輸入電阻Ric＝rbe＋2(1＋β)ro5,6.2.3源極耦合差分式放大電路,,1.CMOS差分式放大電路,6.2.3源極耦合差分式放大電路,,1.CMOS差分式放大電路,雙端輸出差模電壓增益,而:,所以：,6.2.3源極耦合差分式放大電路,,1.CMOS差分式放大電路,單端輸出差模電壓增益,vo2＝(id4-id2)(ro2||ro4),＝gmvid（ro2||ro4）,(ro2||ro4),＝gm(ro2||ro4),與雙端輸出相同,end,＝gm(rds2||rds4),,6.3差分式放大電路的傳輸特性,,6.3差分式放大電路的傳輸特性,根據(jù),iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2,又vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2,可得傳輸特性曲線vO1，vO2＝f（vid）,傳輸特性就是放大電路輸出信號（電流或電壓）隨輸入信號變化的函數(shù)關(guān)系。它可以用BJT的be結(jié)值電壓vBE與發(fā)射極電流iE的基本關(guān)系求出。,vO1，vO2＝f（vid）的傳輸特性曲線,從傳輸特性曲線可以看出：,1．當(dāng)vid=vi1-vi2=0時，ic1+ic2=Io,ic1=ic2=Io/2,電路工作在曲線的Q點(diǎn)，處于靜態(tài)。2.當(dāng)vid在0--VT的范圍內(nèi)，vid增加時，ic1增加，ic2減小。且ic1、ic2與vid呈線性關(guān)系。電路工作在放大區(qū)。如圖中用豎虛線所示的區(qū)域。3．當(dāng)vid≧4VT即超過100mV時，曲趨于平坦。當(dāng)vid增大時，T1管趨于飽和，T2管趨于截止。ic1-ic2幾乎不變。這時電路工作在特性曲線的非線性區(qū)。差動放大電路呈現(xiàn)良好的限幅特性。4．在兩管的發(fā)射極上分別串接電阻R1=R2=Re，可以擴(kuò)大傳輸特性的線性范圍。如圖中虛線所示。,,6.4集成電路運(yùn)算放大器,6.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器,6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器,,,簡單的集成電路運(yùn)算放大器,集成運(yùn)放內(nèi)部組成框圖,,簡單的集成運(yùn)放,原理電路：,6.4.1CMOSMC14573集成電路運(yùn)算放大器,,1.電路結(jié)構(gòu)和工作原理,2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算,,(1)直流分析,已知VT和KP5，可求出IREF,根據(jù)各管子的寬長比，可求出其他支路電流。,(2)小信號分析,設(shè)gm1=gm2=gm,則,2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算,,輸入級電壓增益,(2)小信號分析,2.電路技術(shù)指標(biāo)的分析計(jì)算,,6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器,,原理電路,,簡化電路,end,6.4.2BJTLM741集成運(yùn)算放大器,電路原理圖,圖4.3.1F007電路原理圖,1.偏置電路,至輸入級,至中間級,基準(zhǔn)電流：,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。,各路偏置電流的關(guān)系：,IREF,I11,IC10,I3,4,IC9,IC8,IC12,IC13,,,微電流源,,,鏡像電流源,,,,輸入級,,鏡像電流源,,中間級,輸出級,741的偏置電路,2.輸入級,T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2基極接收差分輸入信號。,T5、T6有源負(fù)載；,T4集電極送出單端輸出信號至中間級。,uO,RW調(diào)零電阻，R外接電阻。,T7與R2組成射極輸出器。,,若暫不考慮T7和調(diào)零電路則電路可簡化為：,(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負(fù)載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。,(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應(yīng)。(4).該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。,簡化示意圖,3.中間級,輸入來自T4和T6集電極；,輸出接在輸出級的兩個互補(bǔ)對稱放大管的基極。,中間級T16、T17組成復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。,8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。,4.輸出級,741輸出級原理電路,T14、T18、T19準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路；,D1、D2、R9、R10過載保護(hù)電路；,T15、R7、R8為功率管提供靜態(tài)基流。,調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE倍增電路。,,6.5實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對應(yīng)用電路的影響,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),6.5.2集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）,1.輸入失調(diào)電壓VIO,在室溫（25℃）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（1～10）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（1～20）?V。高精度運(yùn)放OP-117VIO=4?V。MOSFET達(dá)20mV。,2.輸入偏置電流IIB,輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值,IIB＝（IBN＋I(xiàn)BP）/2,BJT為10nA～1?A；MOSFET運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級。,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）,3.輸入失調(diào)電流IIO,輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO＝|IBP－IBN|VI＝0一般約為1nA～0.1?A。,4.溫度漂移,（1）輸入失調(diào)電壓溫漂?VIO/?T,（2）輸入失調(diào)電流溫漂?IIO/?T,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,差模特性,1.開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW,開環(huán)差模電壓增益Avo,開環(huán)帶寬BW(fH),單位增益帶寬BWG(fT),741型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng),6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,差模特性,2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro,BJT輸入級的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運(yùn)放rid＞1012Ω超高輸入電阻運(yùn)放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般運(yùn)放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。,3.最大差模輸入電壓Vidmax,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,共模特性,1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric,一般通用型運(yùn)放KCMR為（80～120）dB，高精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric≥100MΩ。,2.最大共模輸入電壓Vicmax,一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)13V。,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,大信號動態(tài)特性,1.轉(zhuǎn)換速率SR,放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即,若信號為vi＝Vimsin2?ft，則運(yùn)放的SR必須滿足SR≥2πfmaxVom,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,大信號動態(tài)特性,2.全功率帶寬BWP,指運(yùn)放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即,SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標(biāo)。一般通用型運(yùn)放SR在nV/?s以下，741的SR=0.5V/?s，而高速運(yùn)放要求SR＞30V/?s以上。目前超高速的運(yùn)放如AD9610的SR＞3500V/?s。,電源特性,1.電源電壓抑制比KSVR,衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響,2.靜態(tài)功耗PV,6.5.1實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù),,1.集成運(yùn)放的選用,根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時，才考慮專用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題,,2.失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差,6.5.2集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題,,輸入為零時的等效電路,,解得誤差電壓,當(dāng)時，可以消除偏置電流引起的誤差，此時,當(dāng)電路為積分運(yùn)算時，,即換成電容C，則,時間越長，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。,引起的誤差仍存在,end,3.調(diào)零補(bǔ)償,6.5.2集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問題,,（a）調(diào)零電路（b）反相端加入補(bǔ)償電路,,6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,,1.變跨導(dǎo)二象限乘法器,與差分式放大電路的差別：,（a）原理電路（b）同相（或反相）乘法器代表符號,電流源iEE受輸入電壓vY的控制,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1.變跨導(dǎo)二象限乘法器,單入雙出方式,即,又,所以,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1.變跨導(dǎo)二象限乘法器,對于T3、T4構(gòu)成的鏡像電流源，當(dāng)vY>>VBE時,所以,其中,（乘法運(yùn)算）,而,由vY控制跨導(dǎo)gm變化，所以稱為變跨導(dǎo)乘法器,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,1.變跨導(dǎo)二象限乘法器,電路的最后輸,缺點(diǎn)：,精度差,vY必須大于0V，只能實(shí)現(xiàn)兩個象限的乘法運(yùn)算,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,T1、T2和T3、T4為兩個并聯(lián)的差分式電路，T5、T6為壓控電流源電路。,由于,所以,而iC1＋iC2＝iC5，iC4＋iC3＝iC6,,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,,同理,又i1,3＝iC1＋iC3，i2,4＝iC2＋iC4,,6.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理,2.雙平衡四象限乘法器,最后可得,當(dāng)vX<<2VT、vY<<2VT時,其中,（乘法運(yùn)算）,信號大時增加非線性補(bǔ)償電路,1.運(yùn)算電路,6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用,,乘方,1.運(yùn)算電路,6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用,,除法,只有當(dāng)vX2為正極性時，才能保證運(yùn)算放大器是處于負(fù)反饋工作狀態(tài)，而vX1則可正可負(fù)，故屬二象限除法器。,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,1.運(yùn)算電路,6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用,,開平方,利用虛短和虛斷概念有,得,由乘法器的功能有,vi必須為負(fù)值時，電路才能正常工作。,2.壓控放大器,6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用,,乘法器的一個輸入端加一直流控制電壓VC，另一輸入端加一信號電壓vs時，乘法器就成了增益為KVc的放大器。當(dāng)Vc為可調(diào)電壓時，就得到可控增益放大器。,調(diào)制和解調(diào)在通信、廣播、電視和遙控等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用模擬乘法器的功能很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的功能。,3.調(diào)制解調(diào),end,本章討論的問題：,1.什么是集成運(yùn)算放大電路？將分立元件直接耦合放大電路做在一個硅片上就是集成運(yùn)放嗎？集成運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？,2.集成運(yùn)放由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,3.如何設(shè)置集成運(yùn)放中各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)？,4.集成運(yùn)放的電壓傳輸特性有什么特點(diǎn)？,5.如何評價集成運(yùn)放的性能？有哪些主要指標(biāo)？,6.集成運(yùn)放有哪些類型？如何選擇？使用時應(yīng)注意哪些問題？,