第九讲模拟集成电路

内容集成放大电路的特点集成运放的基本组成部分电流源电路差分式放大电路典型的集成运放目的及要求了解集成放大电路的特点及组成理解电流源电路的电路结构掌握差分放大电路抑制温漂的工作原理重点与难点差分式放大电路第9讲模拟集成电路(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成电路的外形一、集成放大电路的特点运算放大器外形图集成电路--实例集成放大电路的特点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。对称性好，适用于构成差分放大电路。集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间。不易制造大电阻。需要大电阻时，常常用三极管代替大电阻往往使用有源负载。只能制造几十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。不能制造电感。一、集成放大电路的特点二、集成运放的基本组成部分实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。输入级中间级输出级偏置电路偏置电路——向各放大级提供合适的偏置电流，采用电流源电路。输入级——前置级，多采用差分放大电路，要求Ri大，Ad大，Ac小。中间级——主放大级，多采用共射放大电路，要求Au大。输出级——功率级，多采用准互补输出级，要求Ro小,最大不失真输出电压大三、偏置电路镜像电流源比例电流源微电流源电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。电流源电路作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。电流源电路的用途：BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。1、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)RUV1BECC基准电流由于UBE1=UBE2，VT1与VT2参数基本相同，则C2REFBREF1C2C22IIIIII所以211REF2CII当满足2时，则REFC2IIVT2+VCCRIREF++VT1IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2CC2C1BB2B1IIIIIIREFI动态电阻2B12CE2Co)(Ivir一般ro在几百千欧以上cer1、镜像电流源2、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。引入Re使UBE2UBE1，且IC2IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。基本关系eC2E2BE2BE1RIRIUUe+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re++UBE1UBE23、比例电流源+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，则22E11ERIRI忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI即REF212CIRRI22C11CRIRI即电流源电路应用—有源负载图有源负载共射极放大电路0TivovCCV1CIor（b）等效电路CCVRREFI1T1CI2T0T（a）共射极放大电路ivov图5-9有源负载共集极放大电路0TivovVVCC151CIor（b）等效电路0EIVVCC15VVEE151T0EI2T0T（a）共集放大电路ivov电流源电路应用—有源负载四、输入级——差分放大电路零点漂移基本形式长尾式恒流源式0直接耦合放大电路的零点漂移现象零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。主要原因：温度变化引起，也称温漂。电源电压波动、元件老化等也会产生输出电压的漂移。（2）采用温度补偿。（3）采用差分式放大电路。（1）在电路中引入直流负反馈。直接耦合放大电路的零点漂移抑制零点漂移的方法uo0t1、基本形式差分放大电路+uo+VCCVT1Rc1Rb1uI1R1电路形式Rc2VT2Rb2R2uI2电路特点：T1、T2所在的两边电路参数完全对称。抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。1、基本形式差分放大电路这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。抑制零点漂移原理1、基本形式差分放大电路1、基本形式差分放大电路差模输入电压uId输入电压大小相等，极性相反+uo+VCCVT1Rc1Rb1uI1R1Rc2VT2Rb2R2uI2I2I1Iduuu2I2I1Icuuu22IdIcI2IdIcI1uuuuuu共模输入电压uIc输入电压大小相等，极性相同差分放大电路输入电压差模输入电压共模输入电压差模输入电压uId和共模输入电压uIc——反映有效信号——反映温漂或干扰信号在差模信号作用下IdC1uAu1u21Id12C21uAuuId12CC1ouAuuuu差模电压放大倍数I2I1od-uuuA1、基本形式差分放大电路差模电压放大倍数+uo+VCCVT1Rc1Rb1R1Rc2VT2Rb2R22Idu2Idu+uc1-+uc2-1IdouAuu+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模电压放大倍数IcocuuAAc愈小愈好，而Ad愈大愈好。共模输入电压uIc1、基本形式差分放大电路共模电压放大倍数AccdCMRAAKlg201、基本形式差分放大电路共模抑制比描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=∞。基本形式差分电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。工作原理静态0CC2C121=IIIICE2CE1=VVCCV)V7.0(c2CCCRIVc2CRIEVβIIICB2B10O2O1ovvv动态仅输入差模信号，i2i1vv和大小相等，相位相反。O2O1vv和大小相等，，0O2O1ovvv信号被放大。相位相反。仅共模信号：0O2O1ovvv工作原理主要指标计算（1）差模情况idoD=vvAVi2i1o2o1vvvv接入负载时i1o122vvbecrRbeLcD)21//(=rRRAV以双倍的元器件换取抑制零漂的能力A双入、双出（1）差模情况B双入、单出ido1D1=vvAVi1o12vvD21VAbec2rR接入负载时beLcD2)//(=rRRAV主要指标计算（1）差模情况C单端输入eorr等效于双端输入指标计算与双端输入相同。主要指标计算共模情况A双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以0oc2oc1ocvvv0icocCvvAV共模增益主要指标计算B单端输出icoc1C1vvAV抑制零漂能力增强icoc2vvobec2)1(rrRoc2rRorC1VA共模情况主要指标计算共模抑制比CDCMRVVAAKdBlg20CDCMRVVAAK双端输出，理想情况CMRK单端输出CMRKC1D1VVAAbeorr越大，CMRK抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidD1o1vKvvAvV主要指标计算差分式放大电路-共模、差模信号差分式放大电路—输入、输出VDA几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21//(rRRbeLc2)//(rRRbeLc)21//(rRRbeLc2)//(rRR0oLc2//rRR0oLc2//rRRbeorrbeorr输出方式双出单出双出单出双入双入单入单入idRicRoR几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出be2rbe2r]2)1([21oberr]2)1([21oberrc2RcRc2RcR双入双入单入单入2、长尾式差分放大电路电路形式+VCCRcVT1VT2RcuI1+uoRRVEEReuI2Re——长尾电阻，且引入共模负反馈，对差模信号无负反馈。Re愈大，共模负反馈愈强，Ac愈小，每个管子的零漂愈小。加入差模信号所以，Re对差模信号相当于短路。若ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2IRe不变UE不变++_---RRT+RbTCC1REEueb2VRc－cV+i2u－ui1oidu2idu2-IReEo2u++uo1LR--+-2+REidb2TuTi1idb－－1RRucc+i22uRu-uEu++o1ouo22、长尾式差分放大电路2、长尾式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI22LR2LR长尾式差分放大电路的交流通路2、长尾式差分放大电路动态分析长尾式差分放大电路+VCCRcVT1VT2RcuI1+uoRRVEEReuI2长尾式差分放大电路的交流通路2、长尾式差分放大电路动态分析RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI22LR2LRRcVT1+RuI12LR2ouRcVT2RuI22LRRcVT1+RuI12LRouRcVT2RuI22LR2、长尾式差分放大电路动态分析22//2//2IdbeLC1IbeLC0urRRRurRRRuRcVT1+RuI12LR2oubeLCu)2//(rRRRA差模电压放大倍数beLC2I1IOd)2//(rRRRuuuA差模输入电阻差模输出电阻)(2beidrRRco2RR2、长尾式差分放大电路动态分析RcVT1+RuI12LRouRcVT2RuI22LR接有调零电位器的长尾式差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2LRRWVEE+VCCRe2、长尾式差分放大电路接有调零电位器的长尾式差分电路恒流源式差分放大电路3、恒流源式差分放大电路电路组成RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCC－VEEReVT3ReRb2Rb1－VEE由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为LCdbe(//)2RRAr差模输入电阻为差模输出电阻为idbe2Rrco2RR3、恒流源式差分放大电路性能指标+VCCVT1VT4VT3+uIioVT2IVEEic3ic1ic4ic2该电路有相当于双端输出时的io，在集成运放中的应用十分广泛。有源负载的差分放大电路有源负载的差分放大电路五、典型集成运放1集成运放的总体结构uuu电压放大级输出级偏置电路uo+差动输入级uu-集成运放组成方框图输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：OCL电路，带负载能力强偏置电路：镜像电流源，微电流源。输入级偏置电路中间级输出级+uouid简单的集成运放+++++T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反相输入端同相输入端输入级中间级输出级通用型集成运放F00717_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB偏置电路输入级中间级输出级＋－u-－u+uo2、集成运算放大器符号国际符号：国内符号：集成运放的特点：•电压增益高•输入电阻大•输出电阻小同相输入端反相输入端输出端VVVo+∞+－A+-uuu理