童诗白模拟电路4.ppt
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1、第第四四版版童童诗诗白白第四章集成运算放大电路第四章集成运算放大电路4.14.1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述4.24.2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路4.34.3集成运放电路简介集成运放电路简介4.54.5集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择4.44.4集成运放的指标及低频等效电路集成运放的指标及低频等效电路4.64.6集成运放大的使用集成运放大的使用1第第四四版版童童诗诗白白本章重点和考点:本章重点和考点:1.集成电路的特点。集成电路的特点。2.偏置电路(电流源)的作用、分类及计算。偏置电路(电流源)的作用、分类及计算。3.理想集成运算放大电路(理想集成运算放大
2、电路(IC)的性能指标。)的性能指标。2第第四四版版童童诗诗白白本章讨论的问题:本章讨论的问题:1.什么是集成运算放大电路?将分立元件直接耦合放什么是集成运算放大电路?将分立元件直接耦合放大电路做在一个硅片上就是集成运放吗?集成运大电路做在一个硅片上就是集成运放吗?集成运放电路结构有什么特点?放电路结构有什么特点?2.集成运放由哪几部分组成?各部分的作用是什么?集成运放由哪几部分组成?各部分的作用是什么?3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点?如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点?4.集成运放的电压传输特性有什么特点?集成运放的电压传输特性有什么特点?5.如何评价集成运放的性能?
3、有哪些主要指标?如何评价集成运放的性能?有哪些主要指标?6.集成运放有哪些类型?如何选择?使用时应注意哪集成运放有哪些类型?如何选择?使用时应注意哪些问题?些问题?34.1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路简称集成电路简称 IC(Integrated Circuit)集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器;集成运算放大器;集成功率放大器;集成功率放大器;集成高频放大器集成高频放大器;集成中频放大器;集成中频放大器;集成比较器集成比较器;集成乘法器;集成乘法器;集成稳压集成稳压器器;集成数;
4、集成数/模或模模或模/数转换器等。数转换器等。4集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式54.1.1集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点一一.对称性好,适用于构成差分放大电路。对称性好,适用于构成差分放大电路。二二.集集成成电电路路中中电电阻阻,其其阻阻值值范范围围一一般般在在几几十十欧欧到到几几十千欧之间,如需高阻值电阻时,要在电路上另想办法。十千欧之间,如需高阻值电阻时,要在电路上另想办法。三三.在在芯芯片片上上制制作作三三极极管管比比较较方方便便,常常常常用用三三极极管管代代替替电阻电阻(特别是大电阻特
5、别是大电阻)。四四.在在芯芯片片上上制制作作比比较较大大的的电电容容和和电电感感非非常常困困难难,电路通常采用直接耦合电路方式。电路通常采用直接耦合电路方式。五五.集集成成电电路路中中的的 NPN、PNP管管的的 值值差差别别较较大大,通常通常 PNP 的的 10。常采用复合管的形式。常采用复合管的形式。6一、输入级一、输入级差分电路,大大减少温漂。差分电路,大大减少温漂。二、中间级二、中间级采用采用有源负载的共发射极电路,增益大。有源负载的共发射极电路,增益大。三、输出级三、输出级 互补对称互补对称 电路,带负载能力强电路,带负载能力强四、偏置电路四、偏置电路 电流源电路,为各级提供合适的静
6、态工作点。电流源电路,为各级提供合适的静态工作点。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+uo uid4.1.2集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图图 4.1.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成74.1.3集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性图图 4.1.2集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端分别为同相输入端集成运放的两个输入端分别为同相输入
7、端u uP P和反向输入端和反向输入端u uN N。电压传输特性电压传输特性8输输出出电电压压与与其其两两个个输输入入端端的的电电压压之间存在线性放大关系,即之间存在线性放大关系,即uOuP-uN集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域:线性区域:Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域:非线性区域:输出电压只有两种可能的情况:输出电压只有两种可能的情况:+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。+UOM-UOM94.2集成运放中的电流源电路集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外,还构成放大管外,还构
8、成电流源电路电流源电路,为各级提供合为各级提供合适的静态电流适的静态电流;或作为或作为有源负载有源负载取代高阻值电阻取代高阻值电阻,从而增大放,从而增大放大电路的电压放大倍数。大电路的电压放大倍数。4.2.1基本电流源电路基本电流源电路10一、镜像电流源一、镜像电流源(电流镜电流镜 Current Mirror)+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基准电流基准电流由由于于 UBE1=UBE2,T1与与 T2 参数基本相同,则参数基本相同,则IB1=IB2=IB;IC1=IC2=IC所以所以当满足当满足 2 时,则时,则图图 4.2.111+VCCRIREF
9、+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例电流源二、比例电流源R1R2由图可得由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ,则,则忽略基极电流,可得忽略基极电流,可得两两个个三三极极管管的的集集电电极极电电流流之之比比近近似似与与发发射射极极电电阻阻的的阻值成反比,故称为比例电流源。阻值成反比,故称为比例电流源。图图 4.2.2比例电流源比例电流源12三、微电流源三、微电流源 在在镜镜像像电电流流源源的的基基础础上上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe 引引入入Re使使 UBE2 UBE1,且且
10、IC2 IC1,即即在在 Re 值值不不大大的的情情况况下下,得得到到一一个个比比较较小的输出电流小的输出电流 IC2。图图 4.2.3 微电流源微电流源13+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本关系基本关系因二极管方程因二极管方程 若若 IC1和和 IC2 已知,可求出已知,可求出 Re。图图 4.2.3微电流源微电流源14复习:复习:1.集成运放的电路结构特点?集成运放的电路结构特点?2.集成运放的组成部分?集成运放的组成部分?输入级常用什么结构?输入级常用什么结构?输出级常用什么结构?输出级常用什么结构?3.集成运放的二个工作区域?各自特点?集成运放的二个工作区域?各自特点
11、?154.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路问题:基本电流源电路在问题:基本电流源电路在 很小时,很小时,IR和和 IC2相差很大。相差很大。为了减小基极电流的影响,提高输出电流与基为了减小基极电流的影响,提高输出电流与基准电流的传输精度,稳定输出电流,可对基本准电流的传输精度,稳定输出电流,可对基本电流源电路进行改进。电流源电路进行改进。一、加射极输出器一、加射极输出器 的电流源的电流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB16 由由于于增增加加了了T3,使使IC2更更加接近加接近IREF(如何证明)(如何证明)缺点:缺点:1.受电源波动影响大;受电源波动影响大;2.电流最
12、低至电流最低至mA级。级。I IC2C2=I=IC1C1=I=IREFREF-I-IB3B3=I=IREFREF-I-IE3E3/(+1)/(+1)如10 IC2=0.982 IREF 增加电阻Re2目的是使IE3增大。图图4.2.4加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re217二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源T1管的管的c-e串联在串联在T2管的发管的发射极,其作用与典型的工作射极,其作用与典型的工作点稳定电路中的点稳定电路中的Re相同。相同。图图4.2.5威尔逊电流源威尔逊电流源公式推导(略)公式推导(略)当10 IC2=0.984 IR可
13、见,在可见,在很小时,也可认为很小时,也可认为IC2=IR。IC2受基极电流影响很小。受基极电流影响很小。RIRIC2+VCCIC0IC问题:问题:IR如何计算?如何计算?184.2.3多路电流源多路电流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3电路图电路图公式推导公式推导IC=IE IREF-IB/(+1)当当较大时较大时IC=IREF由于各管的由于各管的,UBE相同,相同,IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以所以ICTIBRIREFVCCT0ReIE图
14、图4.2.6基于图基于图4.24的多路电流源的多路电流源19多集电极管构成的多集电极管构成的多路电流源多路电流源图图4.2.7多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时,集电极当基极电流一定时,集电极电流之比等于它们的集电区电流之比等于它们的集电区面积之比。面积之比。MOS管多路电流源管多路电流源图图4.2.8MOS管多路电流源管多路电流源设沟道宽长比设沟道宽长比W/LS漏极电流之比正比于沟道漏极电流之比正比于沟道的宽长比。的宽长比。20例例4.2.1图4.2.9所示电路是F007的电流源部分。其中T10与与T11为纵向纵向NPN管;T12与与T13是横向横向PNP管
15、,它们的为5,b-e间电压值约为0.7V,试求各管的电电流。图图4.2.9F007中的电流源电路中的电流源电路解解0.73mAIC1028uA0.52mA214.2.4 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路在集成运放中,常用电流源电路取代在集成运放中,常用电流源电路取代RC或或Rd,这样在电源电压不变的情况下,既可获得合适这样在电源电压不变的情况下,既可获得合适的静态电流,对于交流信号,又可获得很大的的静态电流,对于交流信号,又可获得很大的等效等效RC或或Rd的。的。晶体管和场效应管是有源元件,又可作为负晶体管和场效应管是有源元件,又可作为负载,故称为有源负载。载,故称为有
16、源负载。22一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路1.电路图电路图2.静态分析(求参考电流,略)静态分析(求参考电流,略)3.动态分析动态分析TR Rb1b1R Rb2b2rce223二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路利用镜像电流源利用镜像电流源 可以使可以使单单端输出端输出差分放大电路的差差分放大电路的差模放大倍数提高到接近模放大倍数提高到接近双双端输出端输出的情况。的情况。2.静态分析静态分析1.电路图电路图3.动态分析动态分析放放大大电电路路采采用用差差分分输输入入、单单端端输输出出;工工作作电电流流由由恒恒流流源源 I 决决定定;输输出出电电流流 io=ic4
17、ic2=2 ic4 RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图图4.2.11有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路244.3集成运放电路简介集成运放电路简介典型的集成运放典型的集成运放双极型集成运放双极型集成运放 F007CMOS 集成运放集成运放 C14573一、引脚一、引脚4.3.1双极型集成运放双极型集成运放 F007F007 的引脚及连接示意图的引脚及连接示意图(a)(b)连接连接示意示意图图1234876525二、电路原理图二、电路原理图图图 4.3.1F007 电路原理图电路原理图261.偏置电路偏置电路+VCCT8 VCCT9T12T13T10T11R4R5I8
18、I3,4IC9IC10IREFIC13至输入级至输入级至中间级至中间级基准电流:基准电流:基准电流产生各放基准电流产生各放大级所需的偏置电流。大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系:各路偏置电流的关系:IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微电流源微电流源镜像电流源镜像电流源输入级输入级镜像电流源镜像电流源中间级中间级输出级输出级图图 4.3.1-1F007 的偏置电路的偏置电路272.输入级输入级T1、T2、T3、T4 组成共集组成共集-共基差分放大电路;共基差分放大电路;T1、T2 基极接收差分输入信号。基极接收差分输入信号。T5、T6 有源负载;有源负载;T4 集集电
19、电极极送送出出单单端端输出信号至中间级。输出信号至中间级。uORW 调调零零电电阻阻,R 外接电阻。外接电阻。T7 与与R2 组组成成射射极极输出器。输出器。+VCC VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9图图 4.3.1-2uI2uI128若暂不考虑若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为:和调零电路则电路可简化为:+VCC VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1).T1、T2 共共集集组组态态,具具有有较较高高的的差差模模输输入入电电阻阻和和共共模模输输入入电压。电压。(2).共共基基组组态态的的 T3、T4,与与有有源
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