67集成电路原理与应用第一章.

集成电路原理及应用电子工业出版社谭博学主编考核方式平时考核及作业。（10%）课后实验。（10%）期末考试形式：闭卷。（80%）联系方式任课教师：杨艳答疑地点：10#电信教研室答疑时间：每周五第二大节电邮：[e-mail]参考教材模拟集成电路原理与应用王可恕电子工业出版社使用教材集成电路原理及应用（第3版）谭博学主编电子工业出版社第1章集成运放的基础知识集成运放的基本组成电路集成运放的基本构成和表示符号集成运放的主要参数和分类实际运放与理想运放的误差运放电路的稳定性及其判断集成运放的相位补偿技术概述集成运算放大器实质上是一种高放大倍数、多级直接耦合的放大电路。集成运放工作在放大区时，其输入与输出呈线性关系，所以又称线性集成电路。集成运放的发展从技术性能角度，大致可分为几个阶段：⑴上世纪60年代初出现原始型“单片集成”运放μA702。⑵1965年出现了第一代集成运放，如μA709。⑶1966年出现了第二代集成运放，如μA741。⑷1972年出现了第三代集成运放，如AD508。⑸1973年出现了第四代集成运放，如HA2900。目前，集成运放还在向低漂移、低功耗、高速度、高输入阻抗、高放大倍数和高输出功率等高指标的方向发展。§1.1集成运放的基本组成电路1.1.1差动输入电路1.1.2恒流源电路1.1.3有源负载电路1.1.4双端变单端电路1.1.5直流电平位移电路1.1.6互补推挽输出电路图1-1-1差动放大电路的基本形式由两个基极输入——双入由两个集电极输出——双出电路特点：对称T1、T2——特性完全相同Rc1=Rc2=Rc——集电极负载差放的性能特点：放大差模，抑制共模，能有效抑制零点漂移。1.差动放大电路的基本特性IB1IB2IC1IC21.1.1差动输入电路（1）输入差模信号122idiivvv差模电压增益：•A双入、双出oVDid=vAvo1o2i1i2vvvvo1i122vvcbeRr1VDA接入负载时cLVDbe1(//)2=RRAr•B双入、单出o1VD1id=vAvo1i12vvVD12A电压增益和输入电阻单管共射放大器的源电压增益11(//)ocLuibeuRRAur图1-1-3单管共射放大器的低频小信号等效电路ius1us1irAARrus1Rs1ui1RbrbeibibRcRLuo1bce输入电阻：ibbe//rRrbbebbeRrRr单管共射放大器：差模输入电阻：2(//)dbbeRRr跨导双极型三极管的跨导三极管输出电流变化量与对应的e-b结电压之比。差动放大器的跨导其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。三极管射极电流与e-b结电压的关系式Tc)(SBEcmBEeddUIkTqIUIgkTqUBE1BE2c1c2ccmBE1BE2T()0d()d()UUIIIqIgUUUkT)1(eBESkTqUIkTqUIBEeSECII差动放大器的跨导TU为温度的电压当量可得差动放大器电压增益的近似式)//(coemudRrgAroe为三极管开路时的输出电导的倒数晶体管的跨导室温情况下：udo1oeccoec20(//)40(//)AIrRIrR结论：放大器的电压增益与工作电流成正比。提高电压增益，就要提高三极管的工作电流。Io1为差动放大器的恒流源电流（2）输入共模信号021vvvicococvcA共模电压增益：共模电压增益越小，放大电路的性能越好。共模抑制比：共模抑制比是差分放大器的一个重要指标。2.差动放大器的输入失调及其漂移(1)差动放大器的输入失调输入失调电压：在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的直流补偿电压的大小。失调的根本原因：电路的不对称性，暂且忽略电阻Ro的不对称性，往往分析导致失调的主要原因是晶体管参数的不对称性。BE2BE1osUUU输入失调电压表达式：返回输入失调电流Ios：差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入端所加偏置电流的差值。引起Ios的原因：①晶体管的不对称，使基极注入电流产生偏差；②集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流将发生偏差。121212ooosbbIIIII输入失调电流表达式：返回（2）差分放大器的温度漂移TUTUUTUTUosBE2BE10BEosd)d(dd失调漂移：放大器的失调随着环境温度、电源电压等外界因素的变化而变化。失调的温漂必须在整个温度范围内都小于精度要求。失调的温漂包括两个部分。失调电压的温度漂移对应1mV的Uos，室温时它的温度系数约3.3mV/℃。失调电流的温度漂移Bosos)dd1(ddITTITI当工作温度大于25℃时，其值约-0.005/℃。当工作温度小于25℃时，其值约-0.015/℃。3.集成运放的输入级集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。输入级的改进便成为各代集成运放的重要标志。(1)普通差动放大电路普通差放电路作为集成运放的输入级时，其优点是电路结构简单，容易匹配，因此输入失调电压小。它广泛用于早期产品和第一代集成运放中。如国产的F001（5G922）、F004（5G23）以及国外的A709等。输入阻抗低，约为50k到300k；失调电流，约为100nA；最大差模输入电压低，不超过7V；差模输入电压范围也较小，常为10V；电压增益不高，约为30到100倍。缺点：(2)共集－共基差动放大器图1-1-6共集－共基差动放大器由两级差动放大电路组成。第1级由高的NPN管VT1、VT2接成共集组态差动放大电路，VT3、VT4为其发射极负载。第2级由高反压的横向PNP管VT5、VT6接成共基组态差动放大电路。用于第二代集成运放中。如：国产的F007、5G24、F741，国外的A741、AD741等。(3)超管差动放大电路图1-1-7超β管差动放大电路用=2000〜10000超管作差动放大电路，使差动输入级的基极偏置电流减小一个数量级，这是集成运放在低漂移性能上重大突破。第三代集成运放主要特点是采用了超管的差动输入级。如：国产的4E325；国外的AD508L。(4)场效应管差动放大电路图1-1-8场效应管差动放大电路因场效应管的栅极电流比三极管的基极电流小三、四个数量级，因此在需要高输入阻抗和低偏置电流等的情况下，常采用场效应管作差动输入级。输入阻抗高达1012。例如：国外的A740等。缺点：输入失调电压较大。1.1.2恒流源电路在集成运放中，作为各级电路的恒流偏置和有源负载。1.镜像恒流源基本电路图1-1-9镜像恒流源的基本电路VT1、VT2是匹配对管B2B1c2rIIII)21(2cBc2rIIII211roII即足够大时有Io≈Ir，所以称为电流镜电路。2.改进型镜像恒流源电路图1-1-10减小β对Io影响的恒流源输出电流为：)1(21131roII1≈3(1)减小对Io影响的恒流源•与基本电路相比，此处的变化对Io的影响要小得多。（2）Io与Ir不同比例的恒流源图1-1-11Io与Ir不同比例的恒流源2r2c21oRIRIRI即12roRRII当VT1、VT2中电流是同数量级时，其UBE可认为近似相等，故有（假设三极管的足够大）：调节R1、R2的比值，可获得不同的Io输出。3.多路输出的恒流源图1-1-12多路输出的恒流源当VT1、VT2、······、VTn等各三极管完全对称时，输出电流I1、······、In等各电流近似相等。1.1.3有源负载电路1.有源集电极负载电路图1-1-13有源集电极负载放大器单管共发射极放大器电压增益表达式为beLcu)//(RrRA利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻。2.有源负载差动放大电路图1-1-14有源负载差动放大器VT3、VT4组成镜像恒流源。它们的集电极电位均可以浮动，所以Ic3、Ic4均可变化，但始终保持相等。常由VT4集电极输出，rCE4作为差动放大器的负载，由于rCE4很高，所以差动放大器增益也很高。1.1.4双端变单端电路图1-1-15双端变单端电路•集成运放是一个双端输入、单端输出的器件，所以它的内部电路必需有一个由差动放大双端输入转换为单端输出的过程。•图示电路的功能是将差动放大级的双端输入信号ui1、ui2转换为单端输出uo，采用恒流源负载提高电路的增益。1.1.5直流电平位移电路图1-1-16恒流源电平位移电路1.采用恒流源完成电平位移•由于恒流源的直流内阻Ro很小，交流内阻ro很大，当R1Ro和R1ro时，•输出端的直流电平U2比输入端的直流电平U1降低很多，即U2U1。•而输出端的交流电压u2只比输入端的交流电压u1减小很少，即u2≈u1。•所以，满足了在不损失交流电压的情况下，降低了直流电平。2.利用PNP管完成电平位移图1-1-17用PNP管完成电平位移的电路•因PNP管组成共射放大电路时，为使三极管工作在放大区，集电极电平必须低于基极电平。•所以，在NPN管多级直流放大电路中，插入一级PNP管共射放大电路，可完成直流电平位移，并具有一定放大功能。1.1.6互补推挽输出电路对集成运放输出级的要求是：①具有很低的输出电阻和较高的输入电阻；②具有一定的输出功率；③具有尽可能高的效率；④具有过流和过压保护措施等。1.互补推挽输出电路图1-1-18基本互补推挽输出电路VT2、VT3组成互补射随器电路，Io为VT1的有源集电极负载。优点：效率高，管耗小，有利于降低结温，延长管子寿命，减小散热器体积。缺点：在输出信号uo的波形中带有交越失真。2.克服交越失真的互补推挽输出电路图1-1-19克服交越失真的互补推挽输出电路VT4、R1、R2组成固定恒压偏置电路(称VBE扩大电路)，为VT2、VT3基极提供固定偏压，克服了交越失真。3.具有过载保护的互补推挽输出电路图1-1-20具有过载保护的互补推挽输出电路由Re2、Re3、VD1、VD2组成限流型保护电路。§1.2集成运放的基本构成和表示符号1.2.1集成运放的基本构成1.2.2通用型集成运放内部电路简介1.2.3集成运放的表示符号及其引出端1.2.1集成运放的基本构成图1-2-1集成运放内部电路方框图1.输入级•作用是提供与输出电压同相和反相关系的两个输入端，并尽量具有低的零点漂移和高的共模抑制比，由差动放大器组成。常采用超管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。•为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。•输入级的保护电路也是不可缺少的。2.中间级•它的作用是提供较高的电压放大倍数，为输出级提供必需的激励电压，它是主要的增益级，是一级及一级以上的放大器。它还具有缓冲作用及电平位移的职能。3.输出级4.偏置电路•作用是它外接正、负电源，内供各放大环节所需的静态偏置电流或偏压。•作用是提高整个放大器输出端的负载能力。•输出级应输出以零电平为中心、有一定大小电流正负电压，并能与中间电压放大级和负载进行匹配，所以常采用各种形式的互补推挽输出放大电路。•输出级设有保护电路，以保护输出级不致损坏。•有些集成运放中还设有过热保护等。1.2.2通用型集成运放内部电路简介EC-EC1.典型集成运放电路741(2)通用型741型集成运放的性能特点有很宽的输入共模电压范围，不会在使用中出现“阻塞”，在积分电路、求和电路以及通常的反馈放大电路中使用都不需要补偿电容。①采用频率内补偿；②具有短路保护功能；③具有失调电压调整能力；④具有很高的输入差模电压和共模电压范围；⑤无阻塞现象；⑥功耗较低，电源电压适应范围较宽。2.14573CMOS程控四运放简介(1)14573集成运放的简化电路输入级由差分电路组成偏置电路输出级(2)14573CMOS程控四运放的性能特点•输入电阻大；•差模输入电压范围大，一般为－