集成运算放大电路

第4章集成运算放大电路本章主要内容1.介绍集成放大电路的特点。2.电流源电路——集成运放中的电流源电路包括①镜像电流源②改进电流源③微电流源各自适用范围※4.1集成运算放大电路概述一.集成电路特点简称IC【IntegratedCircuit】60年代初发展起来。它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。返回特点1.电路参数一致性好，大量采用差分放大电路和恒流源电路。2.用有源器件代替电阻。3.采用复合结构的电路。4.级间采用直接耦合方式。常用耦合方式有三种：①直接耦合②通过电容耦合——称阻容耦合③通过变压器耦合5.允许采用复杂电路形式。集成电路－AVR单片机背面焊点图局部焊点uI1uI2uO二.通用集成电路运算放大器的内部组成及使用1.典型集成运放的方框图：负载该方框图分成3个级，四个部分。每一部分构成的电路，称为单元电路。4.1集成运算放大器概述返回（1）（差分式）输入级【又称前置级】要求：①Ri高，以便把外加信号尽可能多的吸入电路中去；②差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强。——往往都是用双端输入的高性能差分放大电路。（2）中间（放大）级作用：主要用来提高电压增益。在这一级把信号尽量放大，使集成运放具有较强的放大能力。——多采用共射（或共源）放大电路（∵它们的AV大）；——多采用复合结构（∵它们的AV大）；（3）（互补）输出级要求：①Ro小，带负载能力强；②非线性失真小。多采用电压跟随器或互补电压跟随器组成电路，保证功率放大。（4）（直流）偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点——采用电流源电路为各级提供合适的静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。+VCC-VEEPNuI1uI2OuOiI1iI2A2.集成运放的使用同相输入端反相输入端这两个电压可不画输入与输出的关系：当uI从反相输入端输入时，uO与uI反相；当uI从同相输入端输入时，uO与uI同相；（1）集成运放的符号说明（2）输入电压的两种形式①差模输入电压uId【d：differential】②共模输入电压uIc【c：common】即：两个输入信号的电压大小相等，但极性相反。即：两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同。uId——也称为差模信号uIc——也称为共模信号分别表示为21IIIduuu2121IIIcuuuIdIcIuuu211IdIcIuuu2123.集成运放的符号和电压传输特性uO=f(uP-uN)由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)Aod是开环差模放大倍数。(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM,就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。+UOM-UOM线性区饱和区4.典型集成运放F007内部电路【简化图】几种集成运放实物图5.2集成运放中的电流源电路（2）还可以作放大电路的有源负载。电流源电路的作用：（1）可以为放大电路提供稳定的偏置电流；返回1.镜像电流源【也称电流镜（CurrentMirror）】设T1、T2的参数完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2BE2BE1=UUE2E1=IICIIIC2C1=21=BIIIB2B1=CEO2CEO1=II电源VCC通过电阻R和T1产生一个基准电流IREF，则RUVIBECCREF1（1）工作原理分析一.基本电流源IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2而BREFCIII21又21CCIIBREFCIII22又2222CCBBIIII整理后，得REFCII2112222CREFCIII当满足条件β2时，02有REFCII2IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2即RUVIIBECCREFC12且通常有VCCUBE1RVIICCREFC2由推导可见，IREF由VCC和R决定，而IC2像IREF的镜像，与其本身一侧的电阻RC无关。所以，无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变。无关补偿作用（2）镜像电流源的特点优点：①结构简单；适用于较大工作电流（mA级）的场合。适用范围：②T1管对T2管具有一定的温度补偿作用，使得IC2的温度稳定性较好。温度T↑IC2↑IC1↑IREF↑VR(=IREFR)↑VB↓IB↓IC2↓T↓则相反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2VB缺点：①当直流电源VCC变化时，输出电流IC2几乎按同样的规律波动，因此不适用于直流源在大范围内变化的集成运放。②若输入级要求微安级的偏置电流，则所用电阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。③该电路限制β2时才成立，若β值很小时，IC2与IREF就存在一定的差别，不能达到很好的镜像。2.比例电流源由电路：1e1E1BE0e0E0BERIURIU又：SETBEIIlnUU1E0ET1BE0BEIIlnUUU所以：得：1E0ET0e0E1e1EIIlnURIRI1E1CR0E0CII,III2时，当1CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI得：R1e0e1CIRRI在一定条件下0e0BECCRRRUVI当基准电流IREF一定时，IC1可得：0111BEBEBECEeeUUUIIRR式中(UBE0-UBE1)通常只有几十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的Re（几千欧）即可获得微小的工作电流IC1（μA级），称为微电流源。3.微电流源IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE13.微电流源由上面电路因为Re0=01CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI1CReT1CIIlnRUIRUVI0BECCR其中IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE1以前电路限制β2时才成立，若β值很小时，IC2与IREF就存在一定的差别，不能达到很好的镜像。二.改进型电流源电路如：β=10时，则根据镜像电流源公式，可见两者相差很大。10.8332CRRIIIIREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe31.加射级输出器的电流源对原电路进行如下改进：令接入电路中的T3与原电路中T1和T2参数完全一致。【分析电路】BREFCCIIII1213EBII而又332213eeRBRBBEIIIIIIIREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe312312eRBREFCCIIIII2CBII又33eBERRUIe12322eBECREFCRUIII整理后，得：121132eBEREFCRUII非常小（μA级），可忽略121REFIIREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3若取β＝10，则REFCII982.02而原电路若也取β＝10由于REFREFREFCIIII833.0102112112可见该电路即使β很小，也可以认为IC2≈IREF，二者能保持很好的镜像关系。2.威尔逊电流源RR22CII)2221(I工作点稳定，输出电阻大。若取β＝10，则20.984CRII可见该电路即使β很小，也可以认为2CRII三.多路电流源1.基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为UBE相差不多，故IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re32.多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则02C0C201C0C1SSIISSII，3.MOS管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T1～T4的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，，基准电流通用集成运放F007的内部原理电路四.集成运放电路中的电流源电路分析偏置电路了解内容IREF【分析】11112RUUVVIBEEBEECCREF由主偏置电路可求基准电流IREF了解内容IREF【分析】T10和T11构成微电流源10210lnCREFTCIIRUI利用累试法或图解法可求出IC10由图可见：341012BBCIIIIC10作用：为输入级T3、T4提供静态电流。了解内容IREF【分析】T12和T13构成镜像电流源IC13IC12REFCCIII21312由图可见：作用：（1）为中间级T14、T15提供静态电流并作为有源负载；（2）为输出级T17、T18提供偏置电流。了解内容IREF【分析】T8和T9构成镜像电流源IC13IC12作用：为输入级T1、T1提供静态电流了解内容IREF四.电流源用作有源负载下图为一个采用有源负载的单管共射放大电路。T1:放大管T2:有源负载组成镜像电流源，代替原来共射放大电路中的电阻RC。电流源特点：直流电阻小，交流电阻大。在模拟集成电路中，广泛地把它作为负载使用，称为有源负载。了解内容IREF设T2和T3管特性完全相同，有β2=β3=βIC2=IC3基准电流RVRUVICCEBCCREF3由基准电流就可以确定放大管的空载静态工作电流IC1Q：REFCII2112∵∴REFCQCIII221电流源用作有源负载了解内容be1bLce2ce11)(rRRrrAu∥∥∴在集成运放中常常用三极管代替负载电阻RC，组成有源负载，以获得较高的电压放大倍数。在共射电路中，可使每级的电压增益达103甚至更高。∵三极管的集电极具有等效电阻rce比较大的特点电流源亦常用作射极负载。了解内容用于差分放大电路①电路的输入、输出方式？②如何设置静态电流？③静态时iO约为多少？④动态时ΔiO约为多少？C1C3C4C2C1，，iiiiiC1C2C4O2iiii使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。0C2C4Oiii静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，，，动态：IREF集成运放F007分析集成运放F007输入级分析通用集成运放F007的内部原理电路T1、T2、T3、T4共同构成双端输入单端输出的共集－共基差分式放大电路T5、T6、T7构成带缓冲级的镜像电流源电路作为T3、T4发射极的有源负载作用：（2）减小共模增益，有利于抑制共模信号（1）提高差模增益[建议课后推导一下]两个PNP型BJT构成PNP型复合管复合三极管1.复合三极管的四种接法两个NPN型BJT构成NPN型复合管返回集成运放F007中间级分析5.5集成运放的中间级及复合三极管一.复合三极管1.复合三极管的四种接法两个不同类型的BJT构成复合管，类型与第一只相同。构成PNP型构成NPN型2.需要记住的几点结论（1）构成复合管的基本原则：第一只BJT的集电极（c）或发射极（e）要作为第二只BJT的基极（b）电流，且在外加电压作用下，各极电流均有合适的通路，并工作在放大区。（2）由两个不同类型的BJT组成的复合管的类型与第一只BJT的类型一致。（3）复合管的电流放大系数β：21（4）同类型BJT组成复合管的输入电阻rbe：不同类型BJT组成复合管