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.,第6章 集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用,6.1 集成電路概述 6.2 集成運(yùn)放的基本組成及各部分的作用 6.3 集成運(yùn)放的典型電路及性能指標(biāo) 6.4放大電路中的負(fù)反饋 6.5 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用,.,本章內(nèi)容提要 重點(diǎn)： （1）差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功用； （2）集成運(yùn)放的主要參數(shù)，理想運(yùn)放的特點(diǎn)； （3）反饋的概念及負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響； （4）集成運(yùn)放的應(yīng)用電路。 難點(diǎn)： （1）共模抑制比的物理意義； （2）“虛短”和“虛斷”的含義及應(yīng)用； （3）滯回電壓比較器的原理與應(yīng)用。,.,6.1 集成電路概述,,,6.1.1 集成電路及其發(fā)展,分立元件電路：所謂分立元件電路是指由單個(gè)電阻、電容、電感、二極管、三極管等元件連接起來(lái)組成的電路。分立元件的特點(diǎn)是電路中的元器件都裸露在外，體積大，工作可靠性差。,集成電路：集成電路簡(jiǎn)稱IC（Integrated Circuits），是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件。它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將電路的有源器件（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等）、無(wú)源器件（電阻、電感、電容）及其布線集中制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，形成緊密聯(lián)系的一個(gè)整體電路。,集成電路的特點(diǎn)：與分立元件電路相比，集成電路具有突出特點(diǎn)：體積小，重量輕；可靠性高，壽命長(zhǎng)；速度高，功耗低；成本低。,前面研究的內(nèi)容是分立器件的原理及其應(yīng)用（放大器）電路。 是學(xué)習(xí)集成電路（IC）原理及IC電路應(yīng)用的基礎(chǔ)。,1、集成電路,人們經(jīng)常以電子器件的每一次重大變革作為衡量電子技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。,.,2、集成電路的發(fā)展：,摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）1965年提出來(lái)的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。摩爾定律在發(fā)現(xiàn)后的50多年里產(chǎn)生了巨大影響，但隨著3D芯片等技術(shù)的耗盡，美物理學(xué)家加來(lái)道雄稱該定律將在10年內(nèi)崩潰，或許撐不到60歲。,摩爾定律：,.,IT（信息產(chǎn)業(yè)）,基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) IC芯片制造業(yè)（芯片設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體和微電子技術(shù)） 應(yīng)用產(chǎn)業(yè) 基于IC的應(yīng)用，包括：電信、廣播電視和家電、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)、控制和自動(dòng)化等 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化） 鏈接這兩個(gè)環(huán)節(jié)（屬電子線路設(shè)計(jì)的范疇）,4、集成電路（IC）應(yīng)用電路,3、集成電路分類,數(shù)字集成電路,模擬集成電路,數(shù)/?；旌霞呻娐?.,集成運(yùn)放（通用IC） 集成乘法器（通用IC） 集成鎖相環(huán) 集成功放 集成穩(wěn)壓器 集成寬帶放大器,其他應(yīng)用種類繁多、門類齊全，如,另有：專用集成電路（電視機(jī)、收音機(jī)IC等）,通用電路的應(yīng)用,.,1、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn),,集成運(yùn)放是一種多級(jí)放大電路，理想的運(yùn)放的性能具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。 電路的選擇及構(gòu)成形式上受到集成工藝條件的嚴(yán)格制約，所以集成運(yùn)放在電路設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)： (1) 級(jí)間采用直接耦合方式。（大電容，大電阻等不容易集成） (2) 盡可能用有源器件代替無(wú)源元件。（代替大電阻） (3) 利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。（抑制溫度漂移及零點(diǎn)漂移）,輸入級(jí),中間放大級(jí),輸出級(jí),偏置電路,6.2集成運(yùn)放的基本組成及各部分的作用,2、集成運(yùn)算放大器的組成,.,集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路。,采用具有兩個(gè)輸入端子的差動(dòng)放大電路,提供增益，通常是共射組態(tài)的放大電路,由有較強(qiáng)帶負(fù)載能力的互補(bǔ)推挽電路組成,多數(shù)由恒流源電路組成,信號(hào)的輸入電路送來(lái)的信號(hào),.,6.2.1偏置電路—電流源,1）為各級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流,2）作為放大電路的有源負(fù)載，可提高單級(jí)放大器的增益。,一、鏡像電流源,如圖所示為鏡像電流源電路。由圖可知，參考電流Ir為,由于兩管的e結(jié)連在一起，所以IB相同，IC也相同。,由圖可知,電流源對(duì)提高集成運(yùn)放的性能起著極為重要的作用，主要有以下兩個(gè)方面,下面介紹幾種電源,1）鏡像電流源的原理,.,,如果β1 >> 2,則IC2≈Ir?？梢?jiàn)，只要Ir一定，IＣ2就恒定；改變Ir，IC2也跟著改變。兩者的關(guān)系好比物與鏡中的物像一樣，故稱為鏡像電流源。,只要電源VCC和電阻Rr確定，則IC1就確定。,.,在鏡像電流源中，T1的發(fā)射結(jié)對(duì)T2具有溫度補(bǔ)償作用，可有效地抑制IC2的溫漂,溫度↑,→使IB2減小 ↓,2）電路的溫度補(bǔ)償作用,,.,IE1≈Ir，IE2≈IC2,二、微電流電流源,,在集成電路中，有時(shí)需要微安級(jí)的小電流。如果采用鏡像電流源，Rr勢(shì)必過(guò)大。,由鏡像電流源可知,微電流電流源的原理,由上式可知，利用兩管發(fā)射結(jié)電壓差△UBE可以控制輸出電流IC2。由于△UBE的數(shù)值較小，這樣，用阻值不大的R2即可獲得微小的工作電流，故稱此電流源為微電流源。,由基爾霍夫電壓定律可知,.,雙端輸入、雙端輸出,雙端輸入、單端輸出,單端輸入、雙端輸出,單端輸入、單端輸出,6.2.2 輸入級(jí)--差動(dòng)放大電路,差分放大電路常見(jiàn)的形式有三種：基本形式、長(zhǎng)尾式和恒流源式。,根據(jù)電路輸入、輸出方式不同分為：,差動(dòng)放大電路的種類,集成運(yùn)放的輸入級(jí)一般采用差放電路----就是放大電路兩個(gè)輸入信號(hào)之差。,集成運(yùn)放是高放大倍數(shù)的直接耦合多級(jí)放大電路，必須解決了零漂的問(wèn)題----輸入信號(hào)為零輸出不為零的問(wèn)題。,差放電路是利用的其對(duì)稱性，有效地抑制了零漂。,.,.,.,1、基本形式的差動(dòng)放大電路,以雙端輸入、雙端輸出電路為例簡(jiǎn)單分析電路的組成及原理,差動(dòng)電路的兩種輸入信號(hào),差模信號(hào)：大小相等，方向相反,共模信號(hào)：大小相等，方向相同,,1) 電路的組成,.,兩種共模信號(hào)接入方式,輸入端分開(kāi),兩輸入端連在一起,2）共模信號(hào)及共模電壓放大倍數(shù)Auc,,,.,差動(dòng)放大電路對(duì)共模輸入信號(hào)的放大倍數(shù)叫做共模電壓放大倍數(shù)，用Auc表示，可以推出，當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，Auc為：,上式表明：差分放大電路對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大作用。,共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù),溫度信號(hào)可看做是共模信號(hào)，所以抑制了溫度變化對(duì)放大電路的影響,.,在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號(hào)，即ui1 = -ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸入方式下，差動(dòng)放大電路兩輸入端總的輸入信號(hào)稱為差模輸入信號(hào)，用ui d表示，ui d為兩輸入端輸入信號(hào)之差，即,ui d = u i 1 –u i 2,ui1 = -ui2 = ui d,3） 差模輸入信號(hào)及放大倍數(shù),.,T1管的電壓放大倍數(shù)；,T2管的電壓放大倍數(shù),因?yàn)殡娐吠耆珜?duì)稱, 所以,差模輸入信號(hào)的放大倍數(shù),上式表明：差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。,.,為什么？,差模放大倍數(shù),E,C,B,差模輸入信號(hào)的輸入電阻及輸出電阻,.,,如UI1=10V，UI2 =6V，則,共模輸入信號(hào),差模輸入信號(hào),于是，加在兩輸入端上的信號(hào)可分解為：,4） 任意輸入信號(hào),加在兩輸入端上的信號(hào)可分解為：,.,UC1下降了ΔUC1，UC2下降了ΔUC2 由于電路對(duì)稱， ΔUC1=ΔUC2,溫度變化,雖差動(dòng)放大電路的倍數(shù)等于單管的放大倍數(shù)，但抑制了零點(diǎn)漂移，這正是差動(dòng)放大電路的優(yōu)點(diǎn),.,如溫度變化，對(duì)兩只管子的影響完全相同，因此在兩輸入端產(chǎn)生的輸入信號(hào)也完全相同，是共模輸入信號(hào),差放電路特點(diǎn)：,對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大作用 ；,差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同；,差分放大電路具有結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的特點(diǎn)，抑制零漂。,“輸入有差別，輸出才有變動(dòng)”，差分放大電路由此得名。,.,5）差模信號(hào)的波形圖,T1管的電壓放大倍數(shù),T2管的電壓放大倍數(shù),.,6）具有調(diào)零電路的差動(dòng)放大器,,,由于電路不可能做到完全對(duì)稱，所以增加了調(diào)零電路,.,在實(shí)際工作中一般不采用這種基本形式的差分放大電路，采用長(zhǎng)尾式差分放大電路。,基本形式的差分放大電路存在的問(wèn)題,內(nèi)部參數(shù)不可能絕對(duì)匹配，所以輸出電壓uO仍然存在零點(diǎn)漂移，共模抑制比很低。,每個(gè)三極管的集電極對(duì)地電壓來(lái)看，其零漂與單管放大電路相同，沒(méi)有得到改善,差放電路的共模抑制比用KCMR表示，它定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，用對(duì)數(shù)表示，單位分貝（dB），,共模抑制比描述差分放大電路對(duì)共模信號(hào)即零漂的抑制能力。,6）共模抑制比,KCMR愈大，抑制零漂的能力愈強(qiáng)。理想情況下，差放電路兩側(cè)的參數(shù)完全對(duì)稱，則共模放大倍數(shù)Auc = 0，共模抑制比KCMR =∞。,.,2、長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路,1. 電路的組成,2、工作原理,.,由于電路參數(shù)的理想對(duì)稱性，溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同，故可以將溫度漂移等效成共模信號(hào)。,差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制，1)利用了電路參數(shù)對(duì)稱性所起的補(bǔ)償作用，使兩只晶體管的集電極電位變化相等；2)還利用了發(fā)射極電阻Re對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫种屏嗣恐痪w管集電極電流的變化，從而抑制集電極電位的變化。,在電路參數(shù)理想對(duì)稱的情況下，,,,,.,但對(duì)于差模輸入信號(hào)，由于兩管的輸入信號(hào)幅度相等而極性相反，所以iC1增加多少，i C2就減少同樣的數(shù)量，因而流過(guò)R e的電流總量保持不變，則△uE = 0，所以Re對(duì)差模輸入信號(hào)無(wú)影響。,由以上分析可知，長(zhǎng)尾電阻Re的接入使共模放大倍數(shù)減小，降低了每個(gè)管子的零點(diǎn)漂移，但對(duì)差模放大倍數(shù)沒(méi)有影響，因此提高了電路的共模抑制比。 Re愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，隨著Re的增大，Re上的直流壓降將愈來(lái)愈大。 為此，在電路中引入一個(gè)負(fù)電源VEE來(lái)補(bǔ)償Re上的直流壓降，以免輸出電壓變化范圍太小。引入VEE后，靜態(tài)基極電流可由VEE提供，因此可以不接基極電阻Rb。,.,電路產(chǎn)生背景：在長(zhǎng)尾式差分放大電路中，RE越大，抑制零漂的能力越強(qiáng)。但RE的增大是有限的。,3、恒流源式差分放大電路,在三極管輸出特性的恒流區(qū)，當(dāng)集電極電壓有一個(gè)較大的變化量△uCE時(shí)，集電極電流iC基本不變。此時(shí)三極管C-E之間的等效電阻的值很大。,用恒流三極管充當(dāng)一個(gè)阻值很大的長(zhǎng)尾電阻RE，既可在不用大電阻的條件下有效地抑制零漂，又適合集成電路制造工藝中用三極管代替大電阻的特點(diǎn)，因此，這種方法在集成運(yùn)放中被廣泛采用。,原因有兩個(gè)：,二是在同樣的工作電流下RE越大，所需VEE將越高。為此，可考慮采用一個(gè)三極管代替原來(lái)的長(zhǎng)尾電阻RE 。,一是在集成電路中難于制作大電阻、大電容等器件；,.,通常不把恒流源式差分放大電路中恒流管V3的具體電路畫出，而采用一個(gè)簡(jiǎn)化的恒流源符號(hào)來(lái)表示。,,.,4、差動(dòng)放大電路的四種輸入、輸出接法,,,,.,雙端輸入、單端輸出電路,Q點(diǎn)分析,由于輸入回路沒(méi)有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時(shí)一樣。 但是UCEQ1 ≠ UCEQ2。,,,,RC,.,1）差模信號(hào)作用下的分析,,,,動(dòng)態(tài)分析：,.,2）共模信號(hào)作用下的分析,,.,差動(dòng)放大電路電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān), 只要是雙端輸出, 它的差模電壓放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同; 如為單端輸出, 它的差模電壓放大倍數(shù)是單管基本電壓放大倍數(shù)的一半, 輸入電阻都是相同的，輸出電阻與輸出形式有關(guān)，雙端輸出為單端的2倍。,.,當(dāng)輸入、輸出的接法不同時(shí)，放大電路的性能、特點(diǎn)也不盡相同。其性能比較如表6-1所列。,,表6-1 差分放大電路四種接法之性能比較,