西安交通大学-赵进全-模拟电子技术基础-第四章

上页下页返回模拟电子技术基础4.1集成运放概述集成电路——把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。4集成运算放大器1.集成电路的主要特点上页下页返回模拟电子技术基础2.集成电路的分类(1)按功能分a.模拟集成电路b.数字集成电路主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。上页下页返回模拟电子技术基础(2)按集成度分a.小规模集成电路（SSI—smallscaleintegrationcircuit)。b.中规模集成电路（MSI—middlescaleintegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。集成度：一块芯片上包含的元器件在100~1,000之间。上页下页返回模拟电子技术基础c.大规模集成电路（LSI—largescaleintegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000~100,000之间。d.超大规模集成电路（VLSI—verylargescaleIntegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。上页下页返回模拟电子技术基础e.目前的集成电路(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大约每3年增加一倍。(d)出现了系统级芯片（SOC—systemonchip）。(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。上页下页返回模拟电子技术基础(3)按制造工艺分a.半导体集成电路b.薄膜集成电路集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。c.厚膜集成电路厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。上页下页返回模拟电子技术基础3.模拟集成电路的分类(1)线性集成电路输出信号与输入信号呈线性关系。(2)非线性集成电路线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。线性集成电路有：集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。输出信号与输入信号呈非线性关系。上页下页返回模拟电子技术基础4.集成运算放大器概述(1)集成运算放大器简称集成运放b.信号处理。(2)集成运算放大器的主要应用a.完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。c.波形产生。d.信号测量。上页下页返回模拟电子技术基础(3)集成运放发展的三个阶段a.通用型集成运放的广泛使用。b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。上页下页返回模拟电子技术基础(5)是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。(3)输出电阻小，几百欧以下。(4)通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。5.集成运放的主要特点(1)电压放大倍数高，103~105倍。(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。上页下页返回模拟电子技术基础(1)相邻元器件的特性一致性好。(2)用有源器件代替无源器件。(3)二极管大多由三极管构成。(4)只能制作小容量的电容，难以制造电感和较大容量的电容(C2000pF)。(5)电路采用直接耦合的方式。4.1.1集成电路中元器件的特点上页下页返回模拟电子技术基础4.1.2集成运放的典型结构1.典型结构输入级输出级中间级偏置电路输入输出上页下页返回模拟电子技术基础(1)偏置电路2.各部分的作用具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。为各级电路提供稳定合适的偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。(2)输入级输入级输出级中间级偏置电路上页下页返回模拟电子技术基础为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。主要进行电压放大，具有很高的电压增益。(3)中间级(4)输出级输入级输出级中间级偏置电路上页下页返回模拟电子技术基础3.集成运算放大器的电路符号同相输入端反相输入端输出端–+上页下页返回模拟电子技术基础4.2.1典型差分放大电路4.2集成运放中的基本单元电路1.电路组成+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础(1)电路特点a.电路两边对称。b.两管共用发射极电阻RE。c.具有两个信号输入端。d.信号既可以双端，也可以单端输出。+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础两个输入端信号电压的差值是有用的，称之为差模输入信号，因而该电路称为差分放大电路。(2)信号的输入+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础(3)抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)当温度T一定时0O2O1OuuuO2O1uu(uI1=uI2=0)a.电路双端输出+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础(b)当温度增加时TΔC2C2C1C1IIIIC2C1II0Ou在双端输出的情况下，漂移为零。+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础b.单端输出时因射极电阻RE的负反馈作用可以抑制零点漂移+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础2．静态分析直流通路+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础B2B1BIII因为电路对称，所以C2C1CIIIE2E1EIIICE2CE1CEUUUBE2BE1BEUUU1BI2BI1EI2EI1CI1CEU2CIE21EII2CEU1BEU2BEU–+–+–+–+上页下页返回模拟电子技术基础EEEEBEBB2VRIURI列输入回路方程EBBEEEB)1(2RRUVI由此可得BE)1(IIEBEEEB)1(2RUVIEB)1(2RR因1BI2BI1EI2EI1CI1CEU2CIE21EII2CEU1BEU2BEU–+–+–+–+上页下页返回模拟电子技术基础EBEEEBC2RUVIIEECCEECCCE2)(RIRIVVU)2(ECCEECCRRIVV1BI2BI1EI2EI1CI1CEU2CIE21EII2CEU1BEU2BEU–+–+–+–+上页下页返回模拟电子技术基础3.动态分析(1)小信号差模特性差模信号Id2Id1Iduuu记为Id2Id1uu当时的输入信号Id12uId22u+-+-+-+--+上页下页返回模拟电子技术基础差模输入时放大电路中的电流⊕上页下页返回模拟电子技术基础由于电阻RE上无交流电流，T1、T2发射极虚地。⊕上页下页返回模拟电子技术基础交流通路⊕上页下页返回模拟电子技术基础由于故上页下页返回模拟电子技术基础1)差模电压放大倍数a.双端输出上页下页返回模拟电子技术基础b.单端输出(a)输出uO1上页下页返回模拟电子技术基础(b)输出uO2上页下页返回模拟电子技术基础c.RL时(a)双端输出负载电阻RL的中点虚地由于上页下页返回模拟电子技术基础等效电路上页下页返回模拟电子技术基础Aud与单级共射极电路电压放大倍数相同。可见，差分放大电路是用“数量换质量”。上页下页返回模拟电子技术基础(b)单端输出从T1的集电极输出输出与输入反相上页下页返回模拟电子技术基础从T2的集电极输出输出与输入同相上页下页返回模拟电子技术基础2)差模输入电阻)(2beBIdIdidrRIUR上页下页返回模拟电子技术基础a.单端输出时CoRR求Ro的等效电路3)输出电阻Ro上页下页返回模拟电子技术基础b.双端输出时求Ro的等效电路Co2RR上页下页返回模拟电子技术基础(2)小信号共模特性共模信号IcIc2Ic1uuu记为当uIc1=uIc2时的输入信号上页下页返回模拟电子技术基础Oc2Oc1uu1)共模电压放大倍数a.双端输出共模电压0Oc2Oc1Ocuuu共模电压放大倍数0IcOccuuAuIcIc2Ic1uuu由知故上页下页返回模拟电子技术基础b.单端输出交流通路，上页下页返回模拟电子技术基础cIcOcuuAu电压放大倍数EbeBLC2)1(//RrRRR1cIcOuuELCc2//RRRAuEbeB2)1(RrR一般情况上页下页返回模拟电子技术基础ELCc2//RRRAu一般情况中ELC2//RRR故1cIcOcuuAu上页下页返回模拟电子技术基础差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。综上所述12//ELCcIcOcRRRuuAu单端输出时双端输出时0cIOccuuAu上页下页返回模拟电子技术基础2)共模抑制比CMRK共模抑制比的定义cdCMRuuAAK(dB)log20cdCMRuuAAK或者a.双端输出cdCMRuuAAK上页下页返回模拟电子技术基础ELbeBLcdCMR2)(2RRrRRAAKuub.单端输出ELc2RRAubeBLd21rRRAu因beBErRR上页下页返回模拟电子技术基础3)共模输入电阻交流通路，上页下页返回模拟电子技术基础EbeBicicic)1(2RrRIURIcIc2Ic1uuu因为故IcIc2Ic1iii4)输出电阻双端输出时Co2RR单端输出时CoRR上页下页返回模拟电子技术基础(3)任意输入信号的分解既不是差模信号又不是共模信号的输入信号任意信号++12差分放大电路uI2_uI1_上页下页返回模拟电子技术基础2I2I1IcuuuI2I1Iduuu令那么2IdIcI1uuu2IdIcI2uuu任意信号可以分解成差模和共模信号两种性质的输入信号++12差分放大电路uI2_uI1_上页下页返回模拟电子技术基础差分放大电路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意输入信号分解示意图++12差分放大电路uI2_uI1_上页下页返回模拟电子技术基础uI1≠0，uI2=0特别的，对于单端输入即或uI1=0，uI2≠0单端输入是一种特殊的双端输入形式+12差分放大电路uI_单端输入电路上页下页返回模拟电子技术基础)(2C1CuIdfii、(4)大信号传输特性1-1线性区截止、饱和区截止、饱和区传输特性0246246.0.10.9iC1、iC2UTuId/0.70.50.3上页下页返回模拟电子技术基础+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(a)静态工作点IC、UC之值；(b)uO及KCMR之值；(c)若将RL接在C1对地之间，求UC、uO及KCMR；(d)Rid、Ric和Ro之值。[例]电路如图所示。设T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。试求：上页下页返回模拟电子技术基础[解]为了计算简单，设调零电位器RW的滑动端在电位器的中间。(a)画出放大电路的直流通路+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2上页下页返回模拟电子技术基础直流通路(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2上页下页返回模拟电子技术基础由图可得由上两式得因(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB上页下页返回模拟电子技术基础则有(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB上页下页返回模拟电子技术基础(b)根据题意+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2上页下页返回模拟电子技术基础+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2上页下页返回模拟电子技术基础(c)当RL在C1对地之间时经整理可得(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL上页下页返回模拟电子技术基础+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2上页下页返回模拟电子技术基础