模拟电子技术基础简明教程第三版第五章

一、集成电路的发展下页集成电路简称IC(IntegratedCircuit)，是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引线短、外部接线大为减少，提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。上页首页人们经常以电子器件每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。将1904年出现的电真空器件称为第一代，1948年出现的半导体器件称为第二代，1959年出现的集成电路称为第三代，1974年出现的大规模集成电路称为第四代。随着集成工艺的发展，电子技术已经日益广泛地应用于人类社会的各个方面。下页上页首页3第五章集成运算放大电路集成电路的外形图5.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式二、集成电路的分类下页上页1.按功能的不同可分为数字集成电路（输入量和输出量为高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路），模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路）。2.按模拟集成电路的类型可分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数模和模数转换器以及锁相环等。3.按构成有源器件的类型可分为双极型和单极型。首页三、集成电路的特点1.参数精度不高，受温度影响较大，但对称性好。2.电阻值范围有一定局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。3.常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。4.集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，放大级之间通常采用直接耦合方式。5.一般情况下，PNP管只能做成横向的，β值较小（β≤10）。上页首页第二节集成运放的主要技术指标集成运放的符号集成运放的技术指标下页总目录一、集成运放的符号A+-U-U+Uo下页下页由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。反相输入端输入信号与输出信号的相位相反同相输入端输入信号与输出信号的相位相同输出端开环放大倍数上页首页二、集成运放的主要技术指标1.开环差模电压增益Aod它的定义是Aod=20lgΔUoΔU--ΔU+下页下页Aod是指运放无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。上页首页2.输入失调电压UIo3.输入失调电压温漂αUIOdUIodT它的定义是αUIO=下页下页UIo的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIo的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。上页首页4.输入失调电流IIO5.输入失调电流温漂αIIO即IIO=IB1-IB2dIIodTαIIO的定义是αIIO=下页上页IIO的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。首页6.输入偏置电流IIB即IIO=IB1+IB212下页上页IIB是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。IIB的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值，首页7.差模输入电阻rid8.共模抑制比KCMR9.最大共模输入电压UIcmΔUIdrid的定义是rid=ΔIId集成运放输入端所能承受的最大共模电压。它的定义是KCMR=20lgAodAcd下页上页用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。首页10.最大差模输入电压UIdm11.-3dB带宽fH12.单位增益带宽BWG13.转换速率SR集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。Aod下降3dB时的频率。上页Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/μs。首页第三节集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级输出级下页总目录向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数集成运放的基本组成部分输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成下页上页首页IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置电路1.镜像电流源VCC-UBE1RIC2≈IREF=VCC-UBE1RIREFIC12IBIc2IREF-2IB当β2时下页上页211REF2CII首页优点:结构简单，有温度补偿作用。+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2２、比例电流源R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，则22E11ERIRI忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图5.2.3比例电流源下页上页首页优点:结构简单，有温度补偿作用。缺点:VCC变化时，IC2按同样规律变化；无法产生微安极电流３、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2UBE1，且IC2IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。图5.2.4微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系e2Ce2E2BE1BERIRIUU因二极管方程TTUUUUIIIBEBEeeSSC)1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln2S1SIIe2C2C1CTlnRIIIU若IC1和IC2已知，可求出Re。图5.2.4微电流源下页上页首页优点:（１）VCC变化时，RE负反馈的作用，IC2变化很小，提高了恒流源对电源变化的稳定性；（２）温度升高时，UBE1下降，对IC2增加有抑制作用，提高了恒流源对温度变化的稳定性；（３）RE引入了电流负反馈，输出电阻增大；[例5.3.1]图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的β2，横向PNP三极管的β=2，电阻R5=39kΩ。下页上页Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF①估算基准电流IREF；②分析电路中各三极管组成何种电流源；③估算VT13的集电极电流Ic13；④若要求Ic10=28μA，试估算电阻R4的阻值。首页下页上页Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF解：①由图可得CCEEBEREFmAmA52151520.7390.73VVUIR②VT12与VT13组成镜像电流源，VT10、VT11与R4组成微电流源。首页下页上页Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③不能简单认为Ic13≈IREF。C13REFmAmA12110.7310.365II④可认为Ic11≈IREF。CT4CCk3311661010326100.7310lnln281028103103IURII首页二、差分放大输入级+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大电路电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1）电路组成下页上页首页温度变化时，UC1和UC2变化一致，uO保持不变。uo=VC1－VC2=0uo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0静态时，ui1=ui2=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。下页上页首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压uId两个输入电压大小相等、极性相反。下页上页差模输入电压首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2下页上页共模输入电压uIc两个输入电压大小相等、极性也相同。+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模输入电压首页下页上页实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:[例5.3.2]uI1=5mV,uI2=1mV则:uId=4mVuIc=3mVIdI1I2uuuIcI1I21()2uuu首页共模放大倍数Ac=ΔuoΔuic共模抑制比下页上页CdCMRAAK)(lg20(dB)CdCMR分贝AAK差模放大倍数共模放大倍数KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模抑制比首页（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比ΔuoΔui差模电压放大倍数AdAd=差模电压放大倍数AdΔuo=Δuc1–Δuc2=2Δuc112=2·Au1ΔuiΔuc1=-Δuc2=12Au1Δui牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。下页上页ΔuoΔui=Au1Ad=首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.长尾式差分放大电路引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流下页上页(1)电路组成首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)静态分析IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB下页上页首页仿真（3）动态分析Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe）Ro=2Rc+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2RRL12RL12+-∆ui∆uc2∆uc1下页上页+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-∆uo=2∆uc1∆ui=∆uI1-∆uI2=2∆uI1首页[例5.3.3]在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。静态分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+β)（2Re+0.5Rw)UCQ=VCC-ICQRcICQ≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR+UBEQ+IEQ（2Re+0.5Rw)=VEE下页上页+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的长尾式差分放大电路RwRLuI1首页动态分析：+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-0.5RwAd=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe+（Rc//）12RLβRo=2Rc∆uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie∆uc1=（Rc//）12RLβib（1+β）Rw2Rid=2[R+rbe+（1+β）Rw2]下页上页+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2R交流通路RL12RL120.5Rw0.5Rw首页3.恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）电路组成+-uou