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第六章集成電路運(yùn)算放大器 6 1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源 6 2差分式放大電路 6 3集成電路運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器 高增益的直接耦合的集成的多級(jí)放大器 集成電路的工藝特點(diǎn) 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的電路 2 集成電路的芯片面積小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大電阻 需要大電阻時(shí) 往往使用有源負(fù)載 4 只能制作幾十pF以下的小電容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大電容 只有外接 5 不能制造電感 如需電感 也只能外接 什么是集成運(yùn)算放大器 直耦放大電路的特殊問(wèn)題 零點(diǎn)漂移 零漂現(xiàn)象 產(chǎn)生零漂的原因 零漂的衡量方法 由溫度變化引起的 當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí) 這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大 最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移 因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂 輸入ui 0時(shí) 輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生 將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算 例如 若輸出有1V的漂移電壓 則等效輸入有100uV的漂移電壓 假設(shè) 第一級(jí)是關(guān)鍵 3 減小零漂的措施 用非線(xiàn)性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償 采用差動(dòng)放大電路 等效100uV 漂移1V 1 鏡像電流源 基準(zhǔn)電流 無(wú)論T2的負(fù)載如何變化 IC2的電流值將保持不變 6 1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源 一 電流源電路 因?yàn)?所以 2 微電流源 1 電流小 因?yàn)?UBE小 微電流源的特點(diǎn) 2 電流穩(wěn)定 電流負(fù)反饋 3 多路電流源 6 2差分式放大電路 即 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 2020 1 29 1 差動(dòng)放大電路一般有兩個(gè)輸入端 雙端輸入 從兩輸入端同時(shí)加信號(hào) 單端輸入 僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加信號(hào) 2 差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸出端 雙端輸出 從C1和C2輸出 單端輸出 從C1或C2對(duì)地輸出 二 幾個(gè)基本概念 3 差模信號(hào)與共模信號(hào) 差模信號(hào) 共模信號(hào) 差模電壓增益 共模電壓增益 總輸出電壓 4 共模抑制比 三 差動(dòng)放大電路的基本工作原理 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算 忽略Ib 有 Ub1 Ub2 0V i2 2 抑制零漂的原理 Uo UC1 UC2 0 當(dāng)ui1 ui2 0時(shí) 當(dāng)溫度變化時(shí) UC1 UC2 設(shè)T ic1 ic2 uc1 uc2 uo uc1 uc2 0 1 加入差模信號(hào) ui1 ui2 uid 2 3 電路的動(dòng)態(tài)分析 所以 Re對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路 若ui1 ui2 ib1 ib2 ie1 ie2 IRe不變 UE不變 uic 0 求差模電壓放大倍數(shù) 因?yàn)閡i1 ui2 設(shè)ui1 ui2 uo1 uo2 電路對(duì)稱(chēng) uo1 uo2 uo uo1 uo2 2uo1 差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻 輸出電阻 2 加入共模信號(hào) ui1 ui2 uic uid 0 設(shè)ui1 ui2 uo1 uo2 因ui1 ui2 uo1 uo2 uo 0 理想化 共模電壓放大倍數(shù) 四 差動(dòng)放大器的輸入輸出方式 差動(dòng)放大器共有四種輸入輸出方式 1 雙端輸入 雙端輸出 雙入雙出 2 雙端輸入 單端輸出 雙入單出 3 單端輸入 雙端輸出 單入雙出 4 單端輸入 單端輸出 單入單出 主要討論的問(wèn)題有 差模電壓放大倍數(shù) 共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻 1 雙端輸入雙端輸出 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 共模電壓放大倍數(shù) 3 差模輸入電阻 4 輸出電阻 2 雙端輸入單端輸出 這種方式適用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號(hào) 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 差模輸入電阻 3 輸出電阻 4 共模電壓放大倍數(shù) ui1 ui2 uic 設(shè)ui1 ui2 ie1 ie1 iRe 2ie1 畫(huà)出共模等效電路 動(dòng)畫(huà)演示 求共模電壓放大倍數(shù) 3 單端輸入雙端輸出 單端輸入等效雙端輸入 因?yàn)镽e 從T2發(fā)射極看進(jìn)去的等效電阻 故Re可視為開(kāi)路 于是有 ui1 ui2 ui 2 計(jì)算同雙端輸入雙端輸出 動(dòng)畫(huà)演示 4 單端輸入單端輸出 注意放大倍數(shù)的正負(fù)號(hào) 設(shè)從T1的基極輸入信號(hào) 如果從uo1輸出為負(fù)號(hào) 從uo2輸出為正號(hào) 計(jì)算同雙入單出 1 差模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān) 只與輸出方式有關(guān) 差動(dòng)放大器動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié) 雙端輸出時(shí) 單端輸出時(shí) 2 共模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān) 只與輸出方式有關(guān) 雙端輸出時(shí) 單端輸出時(shí) 3 差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入 差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍 單端輸出時(shí) 雙端輸出時(shí) 4 輸出電阻 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo) 或 雙端輸出時(shí)KCMR可認(rèn)為等于無(wú)窮大 單端輸出時(shí)共模抑制比 動(dòng)畫(huà)演示 五 帶恒流源的差動(dòng)放大電路 根據(jù)共模抑制比公式 加大Re 可以提高共模抑制比 為此可用恒流源T3來(lái)代替Re 等效很大的交流電阻 直流電阻并不大 恒流源使共模放大倍數(shù)減小 而不影響差模放大倍數(shù) 從而增加共模抑制比 恒流源的作用 帶恒流源的差動(dòng)放大電路的計(jì)算 靜態(tài)工作點(diǎn) 動(dòng)態(tài) 恒流源等效電阻 二 差動(dòng)輸入級(jí) 1 有源負(fù)載差動(dòng)放大電路 T3 T4組成鏡像電流源 作T1 T2的負(fù)載 同時(shí)可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益 2 共集 共基差動(dòng)輸入級(jí) 特點(diǎn) 1 輸入阻抗高 2 T3 T4為橫向PNP管 可承受幾十伏的反向電壓 三 輸出級(jí) 工作原理 ui為正半周時(shí) T1管工作 T2管截止 輸出uo為正 ui為負(fù)半周時(shí) T2管工作 T1管截止 輸出uo為負(fù) 兩管交替工作 在負(fù)載電阻RL上得到完整的正弦波 1 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極輸出電路 輸入輸出波形圖 死區(qū)電壓 2 克服交越失真的互補(bǔ)對(duì)電路 靜態(tài)時(shí) T1 T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1 D2的正向?qū)▔航?致使兩管均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài) 以消除交越失真 電路中增加D1 D2 工作原理 6 3集成運(yùn)放簡(jiǎn)介 一 集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu) 二 簡(jiǎn)單的集成運(yùn)放 原理電路 集成運(yùn)算放大器符號(hào) 國(guó)際符號(hào) 國(guó)內(nèi)符號(hào) 集成運(yùn)放的特點(diǎn) 電壓增益高 輸入電阻大 輸出電阻小 三 通用型集成運(yùn)放F007 分析 1 偏置電路 T12 R5和T11構(gòu)成了主偏置電路 產(chǎn)生基準(zhǔn)電流 其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān) T10 T11和R4組成微電流源 通過(guò)T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流 T12和T13管構(gòu)成多支路電流源 T13管是多集電極三極管 其集電極電流和的大小比例為3 1 B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載 A路為輸出級(jí)提供偏置 2 輸入級(jí) T1 T2和T3 T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路 其中T1和T2管作為射極輸出器 輸入電阻高 T3和T4管是橫向PNP管 發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高 可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上 T5 T6 T7和R1 R2 R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源 作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載 可以提高輸入級(jí)的增益 它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能 3 中間級(jí) T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路 T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載 T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí) T18 T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真 T15和R9保護(hù)T14管 使其在正向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞 T21 T23 T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞 4 輸出級(jí) 5 相位分析 用 瞬時(shí)極性法 判定 3號(hào)腿為同相端 2號(hào)腿為反相端 1 輸入失調(diào)電UIO輸入電壓為零時(shí) 將輸出電壓除以電壓增益 即為折算到輸入端的失調(diào)電壓 是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo) 5 4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 2 輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO dT在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi) 輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值 4 輸入失調(diào)電流IIO 在零輸入時(shí) 差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差 用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度 3 輸入偏置電流IIB 輸入電壓為零時(shí) 運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值 用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小 5 輸入失調(diào)電流溫漂dIIO DT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi) 輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值 6 最大差模輸入電壓Uidmax運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓 超過(guò)此電壓時(shí) 差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象 7 最大共模輸入電壓Vicmax在保證運(yùn)放正常工作條件下 共模輸入電壓的允許范圍 共模電壓超過(guò)此值時(shí) 輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和 放大器失去共模抑制能力 8 開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 無(wú)反饋時(shí)的差模電壓增益 一般Aod在100 120dB左右 高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上 9 差模輸入電阻rid 雙極型管輸入級(jí)約為105 106歐姆 場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上 10 共模抑制比KCMR KCMR 20lg Avd Avc dB 其典型值在80dB以上 性能好的高達(dá)180dB 11 3dB帶寬fH 運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH 12 轉(zhuǎn)換速率SR 壓擺率 反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力 轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為 反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個(gè)參數(shù) 一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的 也是不必要的 通用型運(yùn)放 各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高 但比較均衡 適用于量大面廣 沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合 特殊類(lèi)型的集成運(yùn)放 在某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)上有很高的性能 而其他參數(shù)一般 用戶(hù)可以從特殊類(lèi)型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇 以滿(mǎn)足某些方面的特殊要求 5 5特殊集成運(yùn)算放大器 1 高輸入阻抗型 這種類(lèi)型的集成運(yùn)放差模輸入電阻往往大于109W 輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級(jí) 這種類(lèi)型的集成運(yùn)放 輸入級(jí)經(jīng)常采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí) 稱(chēng)為BiFET 或采用超管與BJT結(jié)合的電路 構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí) 其典型產(chǎn)品有5G28 F3140 ICH8500A LF356 CA3130 AD515 LF0052等 2 高精度 低漂移型 要求集成運(yùn)放具有很低的漂移量和很高的精度 一般 UIO T 2mV IIO T 200PA KCMR 110dB 大多選用匹配特性?xún)?yōu)良的差動(dòng)對(duì)管 還采用熱匹配設(shè)計(jì)和低溫度系數(shù)的精密電阻 在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝 盡可能地提高對(duì)管的匹配性 典型產(chǎn)品有LH0044 AD707 OP 77 OPA177等 另外 還有的運(yùn)放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù) 以得到更低的漂移特性 其產(chǎn)品有ICL7650 AD508 OP 27等 3 高速型 高速運(yùn)放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏 微秒 單位增益帶寬BW 10MHZ 主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 高速A D和D A轉(zhuǎn)換器 高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中 性能優(yōu)良的高速運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏 微秒 高速型運(yùn)放的典型產(chǎn)品有mA715 LH002 AD845 AD9618 SL541等 4 低功耗型 要求其功耗為微瓦數(shù)量級(jí) 電流幾十微安 電源電壓在幾伏以下 典型產(chǎn)品有CA3078 mPC253 ICL7641等 5 大功率型 大功率型集成運(yùn)放的電源電壓為正負(fù)幾十伏 輸出電流幾十安培 輸出功率為幾十瓦左右 典型產(chǎn)品有LH0021 MCEL165 HA2645 LM143 ICH8515等 1 直耦放大器的一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是零點(diǎn)漂移 差動(dòng)放大器是解決零點(diǎn)漂移問(wèn)題的有效方法 差動(dòng)放大器既能放大直流信號(hào) 又能放大交流信號(hào) 它對(duì)差模信號(hào)有很強(qiáng)的放大能力 對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力 因此 運(yùn)算放大器都使用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí) 2 電流源電路是構(gòu)成運(yùn)放的基本單元電路 其特點(diǎn)是直流電阻小 而交流電阻很大 電流源電路既可以為電路提供偏置電流 又可以作為放大器的有源負(fù)載使用 3 集成運(yùn)放是一個(gè)高增益 直耦的多級(jí)放大器 主要品種有BJT集成運(yùn)放 FET集成運(yùn)放 BiMOS集成運(yùn)放等 本章重點(diǎn)介紹了BJT集成運(yùn)放F007 應(yīng)熟悉集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù) 4 除了通用集成運(yùn)放以外 還有大量特殊類(lèi)型的運(yùn)放 了解這些運(yùn)放的特性 對(duì)于正確選擇和使用運(yùn)放有很大幫助 本章小結(jié)