模电课件集成差分放大电路.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术,6.2 差分式放大电路,6.3 差分式放大电路的传输特性,6.4 集成电路运算放大器,6 集成电路运算放大器,6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用,电路的影响,6.7 放大电路中的噪声与干扰,基本要求:,1 理解镜像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途,2 重点掌握差分放大电路的工作原理和各项指标的计算,3 了解集成运放的基本组成和工作原理,作业:,6.6 变跨导式模拟乘法器,第1页，共57页。,镜像电流源,BJT电流源电路,JFET电流源,微电流源,6.1 模拟集成电路中的,直流偏置技术,MOSFET,多路电流源,FET电流源,MOSFET,镜像电流源,第2页，共57页。,1.镜像电流源,电流估算,镜像,I,C2,为I,REF,的镜像,无论,R,c,的值如何，,I,C2,的电流值将保持不变,恒流,特点：,T,1,、T,2,参数相同,且,T,1,对T,2,具有温度补偿作用,I,REF,的受电源影响大，要求电源稳定,忽略2I,B,BJT电流源电路,第3页，共57页。,交流电阻,由于T,2,的集电极电流基本不变。所以输出交流电流,0，即,一般,R,o,在几百千欧以上,第4页，共57页。,1.镜像电流源,改进,带缓冲级的镜像电流源,由于增加了T,3,，使,I,C2,更加接近,I,REF,精度更高的镜像电流源,问题,精度不够高,若需要,I,C2,较小，则要求R很大(集成电路中难以实现),改进,微电流源,当,不够大时，误差较大,第5页，共57页。,2.微电流源,由于,很小，,所以,I,C2,也很小,I,C2,的稳定性较好,V,CC,变化,I,REF,、,V,BE,变化,而R,e2,较大,V,BE2,V,BE1,T,2,工作在,且,T,1,对T,2,具有温度补偿作用,非线性区I,C2,的变化I,REF,的变化,第6页，共57页。,*2.比例电流源,R,E1,第7页，共57页。,*3.多路电流源,第8页，共57页。,R,+,V,GS,-,借助宽长比，,通常用一FET管代替R,FET电流源,1.,MOSFET,镜像电流源,2.,MOSFET,多路电流源,R,+,V,GS,-,第9页，共57页。,3.,JFET电流源（P261）,FET电流源,S,G,D,i,D=,简单的电流源,第10页，共57页。,6.2 差分式放大电路,差分式放大电路的一般结构,射极耦合,差分式放大电路,源极耦合差分式放大电路的,第11页，共57页。,概述,1)直接耦合放大电路,可以放大直流信号,2)直接耦合放大电路的零点漂移,零漂,：,主要原因,：,温漂指标,：,#,为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,电源电压波动或温度变化引起，也称,温漂,。,输入短路时，输出仍有缓慢变化,的电压产生。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益,折算,到,输入端的等效输入漂移电压值,。,第12页，共57页。,例如,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3)减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,调制解调方式。如“斩波稳零放大器”,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移,10 mV+100 uV,漂移,1 V+10 mV,漂移,1 V+10 mV,第13页，共57页。,差分式放大电路的一般结构,共模输入,电流,共模输入,电流,T,1,T,2,差模输入,电流,电路特点：,1）T1、T2特性相同(BJT、FET)；,2）两个输入端，两个输出端；,3）元件参数对称。,共模抑制比,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,若用差模、共模信号表示两个输入信号,第14页，共57页。,实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。,不能通过外接调零装置进行补偿.,从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是Vo+就是Vo。,6 K，RW=100，rce=300k，VCC=+12V，Rb2=2.,积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处,Rb=20 K，Re=5K,，Rb1=5.,从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是Vo+就是Vo。,入，则输出端输出正的输出电压，若输入,6 变跨导式模拟乘法器,电源电压极性接反或过高；,例6-4:如图电路中的三极管的=50，VBE=0.,MOSFET镜像电流源,2 差模电压放大倍数Aod。,图中虚线表示差分对管射极接有反馈电阻RW时，传输特性曲线的线性区扩大,数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米,1.基本电路,1）静态分析,组成：,a.T,1,、T,2,特性完全相同；,b.R,c1,=R,c2,=R,c,。,射极耦合差分式放大电路,2.工作原理,v,i1,=v,i2,=0,输入为0，输出也为0。,v,o2,v,o1,v,o2,v,o1,v,o1,=v,o2,v,o,=v,o1,-v,o2,=0,第15页，共57页。,2）动态分析,若输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反，,第16页，共57页。,2）动态分析,若输入共模信号，,大小相等，相位相同。,大小相等，,双端输出时，,相位相同，,第17页，共57页。,一般输入信号为v,id,与v,ic,的叠加,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流变化,且变化趋势相同，,从而使V,OQ,=V,CQ1,-V,CQ2,0，因而消除了零点漂移。,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号,。,实际上，两管不可能完全对称，因此零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,在双端输出时，,即，双端输出差放只放大差模信号，而抑制了共模信号。,第18页，共57页。,双入、双出交流通路,3.主要技术指标计算,（1）差模电压增益,双入、双出,第19页，共57页。,c,2,c,1,e,b,2,b,1,v,o1,v,o2,r,o,接入负载时,在电路完全对称时，双入双出的增益与单管的相同。以双倍元器件换取抑制零漂的能力,双入、双出,空载时,i,o,=0,i,c1,=-i,c1,c,2,c,1,e,b,2,b,1,v,o1,v,o2,第20页，共57页。,双入、单出,接入负载时,空载时,c,2,c,1,e,b,2,b,1,v,o1,v,o2,c,2,c,1,e,b,2,b,1,v,o1,v,o2,第21页，共57页。,3.主要指标计算,（1）差模电压增益,单端输入,(发射结电阻),单端输入信号v,id,相当于平均分配在T1、T2上。,即等效于v,i1,=(1/2)v,id,，v,i2,=-(1/2)v,id,，等同于双端输入。,恒流源支路几乎不分流，e端等效为对地开路。,第22页，共57页。,3.主要指标计算,（1）差模电压增益,单端输入,单端输入,等同于双端输入。,具体为：单入双出双入双出，,单入单出双入单出。,差模电压放大倍数的计算,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。,指标计算与双端输入相同。,第23页，共57页。,（2）共模电压增益,共模交流通路,第24页，共57页。,共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关,双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,单端输出,抑制零漂能力增强,第25页，共57页。,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,第26页，共57页。,几种方式指标比较,输出方式,双出,单出,双出,单出,双端输入,单端输入,第27页，共57页。,几种方式指标比较,输出方式,双出,单出,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻,R,id,是基本放大电路的两倍。,第28页，共57页。,4.带有源负载的射极耦合差分式放大电路,(1)电路组成,双入-单出,有源负载,电流源,(2)工作原理,1)静态,2)动态,v,i1,=v,i2,=0,T,5,、T,6,为比例恒流源,第29页，共57页。,例6-1：,电路如图，,=100,(,1,),求静态工作点；,(,2,),求电路的差模,A,u,d,，,R,id,，,R,o,。,解,(,1,),u,i1,T,1,+V,CC,T,2,R,C,u,o,u,i2,R,C,V,EE,R,2,R,3,I,C3,T,3,T,4,I,REF,+6 V,6 V,100,100,7.5 k,7.5 k,6.2 k,100,I,CQ1,=,I,CQ2,=0.5,I,0,=0.42mA,U,CQ1,=,U,CQ2,=6 0.42,7.5 =2.85(V),U,EQ1,=,U,EQ2,=0.7,(V),u,i1,=,u,i2,=0,V,第30页，共57页。,(,2,),求,A,u,d,，,R,id,，,R,o,R,o,=,2,R,C,=,15(k,),c,2,c,1,b,2,b,1,e,2,e,1,R,P,R,P,u,i1,T,1,+V,CC,T,2,R,C,u,o,u,i2,R,C,V,EE,R,2,R,3,I,C3,T,3,T,4,I,REF,+6 V,6 V,100,100,7.5 k,7.5 k,6.2 k,100,第31页，共57页。,+V,CC,=12V,V,EE,=-12V,R,e,R,L,V,o,T,2,T,1,R,C,R,C,V,i1,V,i2,解：1,2:,3:,例6-2:,电路中，已知三极管的,均为100，V,BE,=0.7V。1：静态工作点（I,C,，I,B，,V,C,）；R,C,=10K，R,L,=20K，R,e,=11.3K,2：求双出的A,vd,、,K,CMR,。3：计算差摸输入电阻R,id,和输出电阻R,od,。4：若输出信号从T,1,的集电极输出，计算K,CMR,第32页，共57页。,例6-2:,电路中，已知三极管的,均为100，V,BE,=0.7V。1：静态工作点（I,C,，I,B，,V,C,）；R,C,=10K，R,L,=20K，R,e,=11.3K,2：求双出的A,vd,、,K,CMR,。3：计算差摸输入电阻R,id,和输出电阻R,od,。4：若输出信号从T,1,的集电极输出，计算K,CMR,+V,CC,=12V,V,EE,=-12V,R,e,R,L,V,o,T,2,T,1,R,C,R,C,V,i1,V,i2,解：4,第33页，共57页。,例6-3,差动放大电路如图P3-5所示，设晶体管的参数为,1,=,2,=50，r,be1,=r,be2,=1.5K,U,BEQ1,=U,BEQ2,=U,BEQ3,=0.7V，稳压二极管稳定电压U,2,=8V，Rw的滑动端位于中点，试估算：1 静态工作点I,CQ1,、I,CQ2,、U,CQ1,、U,CQ2,。,2 差模电压放大倍数Aod。,3 差模输入电阻R,id,和输出电阻Ro。,解：,具有稳流源的差动放大电路。,1,U,CQ1,=U,CQ2,=V,cc,-I,CQ1,R,C1,=7V(这时由于U,CQ1,=U,CQ2,，故R,L,上电流为零),3 R,id,=2 R,b,+r,be1,+(1+),=10K,，,2,Ro=2Rc=10K,第34页，共57页。,例6-4:,如图电路中的三极管的=50，V,BE,=0.7V.,R,L,=R,C,=5,K，,R,b,=20,K，R,e,=5K,，R,b1,=5.6 K，R,W,=100,，,r,ce,=300k，V,CC,=+12V，R,b2,=2.4K。,1）求Q点;,2）求双出的A,vd,、R,id,和R,0,;3）求出A,vd1,、K,CMR,的表达式。,R,L,v,o,R,b,T,1,+V,CC,T,2,R,C,R,b,R,C,V,EE,R,b2,R,e,I,C3,T,3,I,REF,+12 V,12 V,2.4K,5K,5 k,7.5 k,5.6k,100,R,b1,解：1）,第35页，共57页。,总电压增益为各级的乘积,电源电压极性接反或过高；,一般输入信号为vid与vic的叠加,#为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,差模输入电阻Rid,是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的Rid约为2M，用场效应管作差动输入级的运放，Rid可达M。,射极耦合差分式放大电路,5K,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ3=0.,随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将,按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）,例6-4:如图电路中的三极管的=50，VBE=0.,VOS大小反映了运放的对称程度。,UEQ1=UEQ2=0.,VOS越大，说明对称程度越差。,例6-4:,如图电路中的三极管的=50，V,BE,=0.7V.,R,L,=R,C,=5,K，,R,b,=20,K，R,e,=5K,，R,b1,=5.6 K，R,W,=100,，,r,ce,=300k，V,CC,=+12V，R,b2,=2.4K。,1）求Q点;,2）求双出的A,vd,、R,id,和R,0,;3）求出A,vd1,、K,CMR,的表达式。,R,L,v,o,R,b,T,1,+V,CC,T,2,R,C,R,b,R,C,V,EE,R,b2,R,e,I,C3,T,3,I,REF,+12 V,12 V,2.4K,5K,5 k,7.5 k,5.6k,100,R,b1,2）,第36页，共57页。,例6-4:,如图电路中的三极管的=50，V,BE,=0.7V.,R,L,=R,C,=5,K，,R,b,=20,K，R,e,=5K,，R,b1,=5.6 K，R,W,=100,，,r,ce,=300k，V,CC,=+12V，R,b2,=2.4K。,1）求Q点;,2）求双出的A,vd,、R,id,和R,0,;3）若单端输出，求A,vd1,、K,CMR,的表达式。,R,L,v,o,R,b,T,1,+V,CC,T,2,R,C,R,b,R,C,V,EE,R,b2,R,e,I,C3,T,3,I,REF,+12 V,12 V,2.4K,5K,5 k,7.5 k,5.6k,100,R,b1,3）,第37页，共57页。,6.2.3 差分式放大电路的传输特性,图中纵坐标为,静态：,v,id,=v,i1,-v,i2,=0时，i,c1,=i,c2,=I,0,/2,线性放大区：,-V,T,V,id,V,T,，i,c1,增加，i,c2,减小。,非线性区：,v,id,4V,T,，曲线趋于平坦，v,id,增加时，一管趋于饱和，另一管趋于截止i,c1,-i,c2,几乎不变。,图中虚线表示差分对管射极接有反馈电阻R,W,时，传输特性曲线的线性区扩大,第38页，共57页。,将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成,电路。随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将,数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米,的硅片上。按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）,的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI)，,中规模集成电路(简称MSI),大规模集成电路(简称LSI),和超大规模集成电路(VLSI)。,运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，,集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它,常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、,积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处,理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。,6.4 集成电路运算放大器,第39页，共57页。,概述,集成运放内部结构框图,采用,有源负载的共发射极电路，增益大,电压跟随器或OCL 电路，带负载能力强,镜像电流源，微电流源。,第40页，共57页。,输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。,中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。,输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。,偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。,第41页，共57页。,简单的集成电路运算放大器,静态：,v,i1,=v,i2,=0时，v,o,=0,动态：,前级开路电压为后级信号源电压；前级输出电阻为后级信号源内阻；后级输入电阻为前级负载。,总电压增益为各级的乘积,第42页，共57页。,集成运放的特点,1 硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。,2 运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。,3 电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个,4 用有源元件代替大阻值的电阻,5 常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好,第43页，共57页。,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,反相输入端,同相输入端,集成运放的符号,运放的结构可知，运放具有两个输入,端,v,P和,v,N和一个输出端,v,O，这两个输入,端一个称为同相端，另一个称为反相端，,这里同相和反相只是输入电压和输出电压,之间的关系，若输入正电压从同相端从输,入，则输出端输出正的输出电压，若输入,正电压从反相端输入，则输出端输出负的,输出电压。,第44页，共57页。,集成运放的电压传输特性,集成运放输出电压,v,o与输入电压（,v,P,v,N）之间的关系曲线称为电压传输特性。对于采用正负电源供电的集成运放，电压传输特性如图6-4所示。,从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是,V,o+就是,V,o。由传输特性可知集成运放的放大倍数：,一般情况下，运放的放大倍数很高，可达几十万、甚至上百万倍。,第45页，共57页。,集成运放的主要技术指标,开环差模电压增益,开环差模电压增益指在无外加反馈情况下的输出电压与输入差模信号电压之比，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示.,差模输入电阻,R,id,是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的,R,id约为2M,，用场效应管作差动输入级的运放，,R,id可达M,。,最大共模输入电压v,idmax,指运放所能承受的最大共模输入电压，共模电压超过一定值时，将会使输入级工作不正常，因此要加以限制。F007的为13V,。,共模抑制比K,CMR,共模抑制比的定义与差动电路中介绍的相同，F007的KCMRR为80,86dB，高质量的可达180dB。,第46页，共57页。,输入失调电压,V,OS,对于理想运放，当输入电压为零时，输出也应为零。实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。在室温及标准电压下，输入为零时，为了使输出电压为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压,V,OS。,V,OS大小反映了运放的对称程度。,V,OS越大，说明对称程度越差。一般,V,OS的值为1,V,20mV，F007的,V,OS为1,5mV。,输入失调电压的温漂,是指在指定的温度范围内，,V,OS随温度的平均变化率，是衡量温漂的重要指标。,不能通过外接调零装置进行补偿.,输入偏置电流,I,B:,输入偏置电流是衡量差动管输入电流绝对值大小的标志，指运放零输入时，两个输入端静态电流、的平均值.,差动输入级集电极电流一定时，输入偏置电流反映了差动管,值的大小。IB越小，表明运放的输入阻抗越高。IB太大，不仅在不同信号源内阻时，对静态工作点有较大的影响，而且也影响温漂和运算精度。,第47页，共57页。,第48页，共57页。,第49页，共57页。,集成运算放大器的种类,第50页，共57页。,集成运算放大器的种类,第51页，共57页。,第52页，共57页。,BJT LM741集成电路运算放大器,第53页，共57页。,集成运算放大器的外围电路,集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使,PN,结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运放安全工作，也需要从这三个方面进行保护。,第54页，共57页。,（1）输入保护,图图(,a,)所示是防止差模电压过大的保护电路，限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管,VD,1、,VD,2的正向导通电压。图(,b,)所示是防止共模电压过大的保护电路，限制集成运放的共模输入电压不超过+,U,至-,U,的范围。,第55页，共57页。,（2）输出保护,图所示为输出端保护电路，限流电阻,R,与稳压管,VZ,构成限幅电路，它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。,输出保护电路,第56页，共57页。,（3）电源端保护,为防止电源极性接反，可利用二极管的单向导电性，在电源端串接二极管来实现保护，如图3.17所示。由图可见，若电源极性接错，则二极管,VD,1、,VD,2不能导通，使电源被断开。,第57页，共57页。,