集成电路与运算放大器.pptx
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1、按集成度划分:按集成度划分:小规模集成电路(0100个元件)中规模集成电路(1001000个元件)大规模集成电路(1000个元件以上)超大规模集成电路(十万个元件以上)模拟集成电路据应用划分:模拟集成电路据应用划分:运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源等集成电路的分类集成电路的分类:据功能来划分据功能来划分:模拟集成电路模拟集成电路 数字集成电路数字集成电路3.1 集成电路与运算放大器基础集成电路与运算放大器基础3.1.1 3.1.1 集成工艺与集成元器件集成工艺与集成元器件 3.1.2 集成运算放大器的组成、框图以及符号集成运算放大器的组成
2、、框图以及符号1.集成电路运算放大器的基本构成集成电路运算放大器的基本构成 运算放大器有三类封装形式:金属圆帽封装、双金属圆帽封装、双列直插封装和贴片列直插封装和贴片SOPSOP封装封装 2、封装形式和表示符号、封装形式和表示符号SO8(Plastic Micropackage)同相输入端:vo与vi的位相相同。反相输入端:vo与vi的位相相反。Aod:开环差模电压放大倍数。vi反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端vo=Aodvi v v+voAo国际符号国际符号国内符号国内符号Avdvv+3.2 集成运放的输入级集成运放的输入级集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组成。集成运算放大器的
3、输入级一般由差分放大器组成。差分放大器就其功能来说,是对差模输入信号具有放差分放大器就其功能来说,是对差模输入信号具有放大作用,而对共模输入信号具有抑制作用的放大器,大作用,而对共模输入信号具有抑制作用的放大器,由于其电路的性能优越,它是集成电路运算放大器的由于其电路的性能优越,它是集成电路运算放大器的主要组成单元。主要组成单元。对称对称3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号 实际加到放大器两输入端的信号:电压往往为任意信实际加到放大器两输入端的信号:电压往往为任意信号,号,实际加到放大器两输入端的信号电压可分解为一对大小相等、实
4、际加到放大器两输入端的信号电压可分解为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和。极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和。3.2 集成运算放大器的输入级集成运算放大器的输入级3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理 1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号差模输入信号差模输入信号:放大器两个输入端的输入信号为一对大小相等,放大器两个输入端的输入信号为一对大小相等,极性相反的输入信号电压,即:极性相反的输入信号电压,即:共模输入信号:放大器的两输入端分别输入一个大小相等,共模输入信号:放大器的两输入端分别输入一个大小相等,性相同
5、的信号,即:性相同的信号,即:3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号差模输出信号:放大器的两个输出端,输出大小相等,极性相差模输出信号:放大器的两个输出端,输出大小相等,极性相 反的输出信号,即:反的输出信号,即:共模输出信号:输出端输出大小相等,极性相同的输出信;即,共模输出信号:输出端输出大小相等,极性相同的输出信;即,+-vi1+-vi2-+-vo 差模与共模信号:差模与共模信号:+-vid差模信号差模信号共模信号共模信号总输出电压总输出电压差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力
6、反映抑制零漂能力 分析思路:叠加定理分析思路:叠加定理输出信号同样可以进行类似的分解输出信号同样可以进行类似的分解零点漂移的讨论零点漂移的讨论 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移问题零点漂移问题可以放大直流信号可以放大直流信号#集成运算放大器要采用直接耦合集成运算放大器要采用直接耦合?零漂:零漂:输输入入短短路路时时,输输出出仍仍有有缓缓慢变化的电压产生。慢变化的电压产生。主要原因:主要原因:温度变化引起,也称温度变化引起,也称温漂温漂。温漂指标:温漂指标:温温度度每每升升高高1 1度度时时,输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折算到输入端折算到输入端的等效输入漂移电压值。的等
7、效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一电源电压波动也是原因之一没有电容、变压器没有电容、变压器例如例如若第一级漂移若第一级漂移100 uV,则输出漂移则输出漂移 10m V若第二级漂移若第二级漂移100 uV,则输出漂移则输出漂移 10 mV假设假设 第一级是关键!第一级是关键!减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 采用采用差分式放大电路差分式放大电路漂移漂移 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mVCH10DifferentialAmplifiers12AudioAmplifierEx
8、ampleAnaudioamplifierisconstructedabovethattakesonarectifiedACvoltageasitssupplyandamplifiesanaudiosignalfromamicrophone.13“Humming”NoiseinAudioAmplifierExampleHowever,VCCcontainsaripplefromrectificationthatleakstotheoutputandisperceivedasa“humming”noisebytheuser.14SupplyRippleRejectionSincebothnode
9、XandYcontaintheripple,theirdifferencewillbefreeofripple.15Ripple-FreeDifferentialOutputSincethesignalistakenasadifferencebetweentwonodes,anamplifierthatsensesdifferentialsignalsisneeded.16CommonInputstoDifferentialAmplifierSignalscannotbeappliedinphasetotheinputsofadifferentialamplifier,sincetheoutp
10、utswillalsobeinphase,producingzerodifferentialoutput.17DifferentialInputstoDifferentialAmplifierWhentheinputsareapplieddifferentially,theoutputsare180outofphase;enhancingeachotherwhensenseddifferentially.CH10DifferentialAmplifiers18DifferentialSignalsApairofdifferentialsignalscanbegenerated,amongoth
11、erways,byatransformer.Differentialsignalshavethepropertythattheysharethesameaveragevaluetogroundandareequalinmagnitudebutoppositeinphase.3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理1、差分放大器的基本信号、差分放大器的基本信号例1:已知已知 =2.02V,=1.98V,试求共模和差模输入电压。试求共模和差模输入电压。解:解:3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理、差分放大电路的工作原理 这个电路有两个输
12、入端和两个输出端这个电路有两个输入端和两个输出端,有四种电路形式:有四种电路形式:双端输入双端输入-双端输出双端输出 双端输入双端输入-单端输出单端输出3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理2、差分放大电路的工作原理、差分放大电路的工作原理单端输入双端输出单端输入双端输出单端输入单端输出单端输入单端输出理想情况下,单端输入只输入差模信号理想情况下,单端输入只输入差模信号3.2.1 差分放大电路的工作原理差分放大电路的工作原理 下面分析其工作原理下面分析其工作原理 1 1)静态分析)静态分析 当当i1i20时时iC1=iC2=IC=IO/23.2.1 差分放大电路的工作原理差分
13、放大电路的工作原理2)动态分析:)动态分析:差分放大器对差模输入信号具有放大作用差分放大器对差模输入信号具有放大作用对共模信号具有抑制作用对共模信号具有抑制作用3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 1、差分放大器的等效电、差分放大器的等效电路与半电路分析法路与半电路分析法双端输入双端输出双端输入双端输出差模输入信号电压作用下:差模输入信号电压作用下:REE可视为短路可视为短路负载电阻负载电阻RL两端的增量电压等值两端的增量电压等值反相,故负载中间的点对应的电反相,故负载中间的点对应的电位保持不变,即交流电位为位保持不变,即交流电位为0。3.2.2差分放大电路的基本性
14、能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法 3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(2).差分放大器的差模性能分析分放大器的差模性能分析差模输入电阻差模输入电阻 :2(Rs+rbe)差模输出电阻:差模输出电阻:双端输出:双端输出:2RC 单端输出:单端输出:RC3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(2).差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析差模电压增益:差分放大器的差差模电压增益:差分放大器的差模输出
15、电压对差模输入电压的比模输出电压对差模输入电压的比值值 双端输出时的差模电压增益与单双端输出时的差模电压增益与单个共发射极放大电路的增益相同个共发射极放大电路的增益相同3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 2.差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析(2).差分放大器的差模性能分析差分放大器的差模性能分析差模电压增益:差模电压增益:单端输出时单端输出时 若不接若不接RL则单端输出时的则单端输出时的电压增益为电压增益为 单端输出时的差模电压增益单端输出时的差模电压增益为单个共发射极放大电路的为单个共发射极放大电路的增益的一半增益的一半3.2.2差分放大电路的基
16、本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(3)差分放大器的共模性能分析)差分放大器的共模性能分析 流经流经REE的电流等于原静态电流的电流等于原静态电流Io与与2倍的增量电流倍的增量电流iC之之和和;半边电路三极管发射极相半边电路三极管发射极相当于接入当于接入2REE;双端输出的条件下,集电双端输出的条件下,集电极两端输出的交流电压大极两端输出的交流电压大小相等,方向相同,通过小相等,方向相同,通过RL的电流为零,的电流为零,RL等效为开路。等效为开路。3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析 2.差分放大器的差模性能分析差分
17、放大器的差模性能分析(3)差分放大器的共模性能分析)差分放大器的共模性能分析 共模电压增益共模电压增益Ac单端单端因因2(1)REERsrbe,故故双端双端3.2.2差分放大电路的基本性能分析1、差分放大器的等效电路与半电路分析法、差分放大器的等效电路与半电路分析法(3)差分放大器的共模性能分析)差分放大器的共模性能分析 共模输入电阻共模输入电阻Ric:Ric定义为共模输入电压定义为共模输入电压ic与一个输入端的共模输入电流与一个输入端的共模输入电流ibc之比。之比。共模输出电阻:共模输出电阻:是指从共模输出端口看进出的电阻是指从共模输出端口看进出的电阻 3.2.2 差分放大电路的基本性能分析
18、差分放大电路的基本性能分析 2、共模抑制比、共模抑制比 定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比定义为差分放大器的差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值的绝对值 双端输出时,共模增益为双端输出时,共模增益为0 0,其共模抑制比为无穷大;,其共模抑制比为无穷大;单端输出时,单端输出时,(RL开路)3.2.2差分放大电路的基本性能分析2、共模抑制比、共模抑制比提高共模抑制比的主要方提高共模抑制比的主要方法是增大法是增大REE 用恒流源来代替用恒流源来代替REE恒流源:直流电阻较小而恒流源:直流电阻较小而 动态电阻极大动态电阻极大3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分
19、析小结:小结:差模特性:差模特性:双端输出双端输出差模增益:差模增益:单端输出单端输出 差模输入电阻与输入端差模输入电阻与输入端 的连接方式无关。的连接方式无关。2(Rs+rbe)差模输出电阻差模输出电阻 双端输出双端输出:为两共发放大器输出为两共发放大器输出 电阻之和电阻之和 2RC 单端输出单端输出:为共发放大器的为共发放大器的 输出电阻输出电阻 RC3.2.2 差分放大电路的基本性能分析差分放大电路的基本性能分析小结:小结:双端双端共模性能:共模性能:共模电压增益共模电压增益 单端单端共模输入电阻共模输入电阻n共模输出电阻共模输出电阻举例举例P153例3213.2.3 差分放大电路的传输
20、特性差分放大电路的传输特性差差模模传传输输特特性性是是指指输输出出差差模模电电流流(双双端端输输出出电电流流或或单单端端输输出出电电流流)随随差差模模输输入入电电压压变变化的特性。化的特性。1.差模传输特性函数的引入差模传输特性函数的引入3.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性通过发射极的电流通过发射极的电流I0双端输出双端输出3.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性传输特性曲线传输特性曲线当当id=0时,为时,为Q点点(I02)当当|id|4VT=104mV时,一管时,一管将趋于截止,将趋于截止,I0几乎全部流入另几乎全部流入另一管,曲线进入限幅区。一管,曲线
21、进入限幅区。在在Q点附近点附近,曲线近似看曲线近似看成为一段直线,成为一段直线,线性的线性的范围范围3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性失调:失调:电路两边存在着不对称,使得零输入时电路两边存在着不对称,使得零输入时(即静态时即静态时)双端双端 输出不等于零。输出不等于零。1、输入失调电压、输入失调电压输入时输入时(即静态时即静态时)双端输出电压等于双端输出电压等于 2、输入失调电流、输入失调电流为使为使ICQ1=ICQ2,就必须在输入端引入电流,使相应的就必须在输入端引入电流,使相应的IBQ1IBQ2。这两个电流的差值就是输入的失调电流。这两个电流的
22、差值就是输入的失调电流。3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性 3、失调模型和调零电路、失调模型和调零电路 若取若取 3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性3、失调模型和调零电路、失调模型和调零电路3.2.4 差分放大电路的失调差分放大电路的失调 与温度漂移特性与温度漂移特性4、VIO和和IIO的温漂的温漂:当环境温度、当环境温度、电源电压等外界因素变化时电源电压等外界因素变化时,引起引起VIO和和IIO的漂移的漂移 VIO和和IIO随温度的变化率均分别随温度的变化率均分别与与VIO和和IIO成正比。成正比。调零电
23、路的调零不可能跟踪温调零电路的调零不可能跟踪温度的变化,因此,调零电路可度的变化,因此,调零电路可以克服失调,但不能消除温漂。以克服失调,但不能消除温漂。3.3 3.3 集成运算放大器的偏置与负载集成运算放大器的偏置与负载3.3.1 基本电流源基本电流源I0如同如同IR的镜像,所以此电路叫做镜像电流源。的镜像,所以此电路叫做镜像电流源。CH9CascodeStagesandCurrentMirrors46ConceptofCurrentMirrorThemotivationbehindacurrentmirroristosensethecurrentfroma“goldencurrentsou
24、rce”andduplicatethis“goldencurrent”tootherlocations.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors47BipolarCurrentMirrorCircuitryThediode-connectedQREFproducesanoutputvoltageV1thatforcesIcopy1=IREF,ifQ1=QREF.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors48BadCurrentMirrorExampleIWithoutshortingthecollectorandbaseofQREFtogeth
25、er,therewillnotbeapathforthebasecurrentstoflow,therefore,Icopyiszero.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors49BadCurrentMirrorExampleIIAlthoughapathforbasecurrentsexists,thistechniqueofbiasingisnobetterthanresistivedivider.CH9CascodeStagesandCurrentMirrors50MultipleCopiesofIREFMultiplecopiesofIREFcanbegen
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