补充2章第四章集成运算放大电路课件

1.41.4 场效应管场效应管(P39-53)(P39-53)2.62.6 场效应管放大电路场效应管放大电路(P116-123)一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析一、一、结型场结型场场效应管（以场效应管（以N N沟道为例沟道为例）场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（栅极（g）、）、漏极（漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管（N沟道沟道）符号符号结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极源极源极导电导电沟道沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作1.4 场效应管场效应管(P39-53)A A、栅、栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加必须加负电压？负电压？UGS（off）（1).结型场效应管（N沟道沟道）工作原理）工作原理）B B、漏、漏-源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流C、转移特性、转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻D、输出特性、输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：2.2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 （简称简称MOSMOS管管)A、uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高高掺杂掺杂反型层反型层增强型管增强型管大到一定大到一定值才开启值才开启（1）、增强型管工作原理）、增强型管工作原理增强型MOS管 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？iD随随uDS的的增增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻B、uDS对iD的影响（2 2）、耗尽型）、耗尽型 MOS管管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道MOS管的特性管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压3.场效应管的分类（详见P49）uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？工作在恒流区时工作在恒流区时g-sg-s、d-sd-s间的电压极性间的电压极性4.场效应管的主要参数（详见P50）5.应用举例：应用举例：例例1.4.1例例1.4.2例例1.4.3作业：1、思考题 2、练习：P71 习题：1.14;1.16二、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管静态工作点的设置方法(P116-118)根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源1.1.基本共源放大电路基本共源放大电路2.6 场效应管放大电路场效应管放大电路(P116-123)2.2.自给偏压电路自给偏压电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？3.3.分压式偏置电路分压式偏置电路为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即即典型的典型的Q点稳定电路点稳定电路三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析(P118-123)近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与与晶体管的晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.1.场效应管的交流等效模型场效应管的交流等效模型 （低频小信号）（低频小信号）2.2.基本共源放大电路的动态分析基本共源放大电路的动态分析若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则则与共射电路比较。与共射电路比较。应用举例：应用举例：P120 例例2.6.13.3.基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，则应用举例：应用举例：P122 例例2.6.2基本共漏放大电路输出电阻的分析基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?作业：1、思考题 2、练习：P142 习题：2.15;应用举例：应用举例：P122 例例2.6.22.7 2.7 派生电路派生电路 （P123-129P123-129）一、复合管一、复合管二、派生电路举例二、派生电路举例一、复合管一、复合管复合管的组成复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，不同类型的管子复合后，其类型决定于其类型决定于T1管。管。目的：增大目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。减小前级驱动电流，改变管子的类型。iB方向决定复方向决定复合管的类型合管的类型讨论一：判断下列各图是否能组成复合管判断下列各图是否能组成复合管 在合适的外加电压在合适的外加电压下，每只管子的电流都下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组有合适的通路，才能组成复合管。成复合管。Ri=?Ro=?讨论二清华大学 华成英 二、派生电路举例：组合的结果带来什么好处？组合的结果带来什么好处？第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3 4.3 集成运放集成运放的的电路分析电路分析及其性能指标及其性能指标4.14.1 概述一、一、集成运放的特点集成运放的特点二、二、集成运放电路的组成集成运放电路的组成三、三、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 一、一、集成运放的特点集成运放的特点（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。化并不带来工艺的复杂性。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。的大电阻。（4 4）采用复合管。）采用复合管。集成运算放大电路，简称集成运算放大电路，简称集成运放集成运放，是一个高性能的直接是一个高性能的直接耦合多级放大电路耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。因首先用于信号的运算，故而得名。二、集成运放电路的组成二、集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若若将将集成运放看成为一个集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为，则可等效为一个一个双端输入、单端输出的差分放大电路双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用1 1 1 1、输入级输入级输入级输入级：前置级，多前置级，多采用差分放大电路采用差分放大电路。要求。要求Ri大，大，Ad大，大，Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。2 2 2 2、中间级中间级中间级中间级：主放大级，多主放大级，多采用共射放大电路采用共射放大电路。要求有足。要求有足 够的放大能力。够的放大能力。3 3 3 3、输出级输出级输出级输出级：功率级，多采用准互补输出级功率级，多采用准互补输出级。要求。要求Ro小，小，最大不失真输出电压尽可能大。最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路：为各为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。几代产品中输入级的变化最大！几代产品中输入级的变化最大！几代产品中输入级的变化最大！几代产品中输入级的变化最大！三、三、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区在线性区：uOAod(uPuN)Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM,就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源一、镜像电流源一、镜像电流源二、微电流源二、微电流源三、多路电流源三、多路电流源四、有源负载四、有源负载一、镜像电流源一、镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负反电路中有负反馈吗？馈吗？基准电流基准电流二、二、微电流源微电流源 (P190)(P190)设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。三、多路电流源 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来确定集电结面积。确定集电结面积。根据所需静态电流，根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。来确定沟道尺寸。应用举例应用举例：P193 例例4.3.1四、四、有源负载有源负载 哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h22?1.1.1.1.用于共射放大电路用于共射放大电路2.用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。静态：静态：动态：动态：作业：1、思考题 2、练习：P215-216 习题：4.3;4.84.3 4.3 集成运放的电路分析集成运放的电路分析及其性能指标及其性能指标二、读图举例二、读图举例 (略）略）三、集成运放的性能指标三、集成运放的性能指标一、读图方法一、读图方法 (略）略）一、一、读图方法读图方法（1 1）了解用途：）了解用途：）了解用途：）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2 2）化整为零：）化整为零：）化整为零：）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3 3）分析功能：）分析功能：）分析功能：）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4 4）统观整体：）统观整体：）统观整体：）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5 5）定量计算：）定量计算：）定量计算：）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。二、举例：F007F007通用型集成运放通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路找出偏置电路双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路输入级的分析输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9，因，因IC10不变不变 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出输入级的分析输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源负的有源负载，而载，而T4又是又是T6的有源负载，增的有源负载，增大电压放大倍数。大电压放大倍数。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍数大、输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对并完成电平转换（即对“地地”输输出）。出）。中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级输出级的分析输出级的分析 D1和和D2起过流保护作用，未起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。过流时，两只二极管均截止。iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导导通，为通，为T14基极分流，从而保基极分流，从而保护护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。三、集成运放的主要性能指标三、集成运放的主要性能指标 （重点）（重点）指标参数指标参数指标参数指标参数 F007F007F007F007典型值典型值典型值典型值 理想值理想值理想值理想值开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 r ridid 2M 2M 共模抑制比共模抑制比 K KCMRCMR 90dB 90dB 输入失调电压输入失调电压 U UIOIO 1mV 1mV 0 0U UIOIO的温漂的温漂d d U UIOIO/d/dT T()()几几V/V/0 0输入失调电流输入失调电流 I IIOIO(I IB1B1-I IB2B2)20nA 020nA 0U UIOIO的温漂的温漂d d U UIOIO/d/dT T()()几几nA/nA/0 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 U UIcmaxIcmax 13V 13V最大差模输入电压最大差模输入电压 U UIdmaxIdmax 30V 30V-3dB-3dB带宽带宽 f fH H 10Hz 10Hz 转换速率转换速率 SRSR(=d(=du uO O/d/dt tmaxmax)0.5V/S )0.5V/S 20lgAod使使uO为为0在输入端所加的补偿电压在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大超过此值不能正常放大差模信号差模信号超过此值输入级放大管击穿超过此值输入级放大管击穿讨论1.输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？2.中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3.如何消除交越失真？如何消除交越失真？4.uI1、uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端积累电流放大积累电流放大系数系数超超管管清华大学 华成英