集成电路原理与应用第1章课件

集成电路原理及应用集成电路原理及应用电子工业出版社电子工业出版社谭博学谭博学 主编主编考核方式考核方式 平时考核及作业。（平时考核及作业。（10%）课后实验。（课后实验。（10%）期末考试形式：期末考试形式：闭卷闭卷。（。（80%）联系方式联系方式任课教师：任课教师：杨杨 艳艳答疑地点：答疑地点：10#10#电信教研室电信教研室答疑时间：每周一答疑时间：每周一 第二大节第二大节电邮：电邮：参考教材参考教材 模拟集成电路原理与应用模拟集成电路原理与应用 王可恕王可恕 电子工业出版社电子工业出版社使用教材使用教材 集成电路原理及应用集成电路原理及应用（第（第3版）版）谭博学主编谭博学主编 电子工业出版社电子工业出版社第第1 1章章 集成运放的基础知识集成运放的基础知识 集成运算放大器集成运算放大器实质上是一种实质上是一种高增益直接耦合高增益直接耦合放大器。放大器。集成运放工作在放大区时，其输入与输出呈线性关系，集成运放工作在放大区时，其输入与输出呈线性关系，所以所以又称线性集成电路又称线性集成电路。集成运放的概念集成运放的概念1.1 1.1 集成运放的基本组成电路集成运放的基本组成电路1.1.1 1.1.1 差动输入电路差动输入电路1.1.2 1.1.2 恒流源电路恒流源电路1.1.3 1.1.3 有源负载电路有源负载电路1.1.4 1.1.4 双端变单端电路双端变单端电路1.1.5 1.1.5 直流电平位移电路直流电平位移电路1.1.6 1.1.6 互补推挽输出电路互补推挽输出电路图图1-1-1 差动放大电路差动放大电路 的基本形式的基本形式 由两个基极输入由两个基极输入双入双入由两个集电极输出由两个集电极输出双出双出电路特点：对称电路特点：对称T1、T2特性完全相同特性完全相同 Rc1=Rc2=Rc集电极负载集电极负载差放的性能特点：差放的性能特点：放大差模，抑制共模，放大差模，抑制共模，能有效抑制零点漂移。能有效抑制零点漂移。1.1.差动放大电路的基本特性差动放大电路的基本特性IB1IB2IC1IC21.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 差动输入电路差动输入电路差动输入电路差动输入电路（1 1）输入差模信号）输入差模信号差模电压增益：差模电压增益：双入、双出双入、双出接入接入负载时 双入、双入、单出出 跨导跨导 双极型三极管的跨导双极型三极管的跨导 三极管输出电流变化量与对应的三极管输出电流变化量与对应的e-be-b结电压之比。结电压之比。差动放大器的跨导差动放大器的跨导 其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。三极管射极电流与三极管射极电流与e-b结电压的关系式结电压的关系式差动放大器的跨导差动放大器的跨导为温度的电压当量为温度的电压当量可得可得差动放大器电压增益差动放大器电压增益的近似式的近似式r roeoe为三极管开路时的输为三极管开路时的输出电导的倒数出电导的倒数晶体管的跨导晶体管的跨导（2 2）输入共模信号）输入共模信号共模电压增益：共模电压增益：共模电压增益越小，放大电路的共模电压增益越小，放大电路的性能越好。性能越好。共模抑制比：共模抑制比：共模抑制比是差分放大器的一共模抑制比是差分放大器的一个重要指标。个重要指标。2.2.差动放大器的输入失调及其漂移差动放大器的输入失调及其漂移(1)(1)差动放大器的输入失调差动放大器的输入失调输入失调电压：输入失调电压：在实际的差动放在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的输入端所加的直流补偿电压直流补偿电压的大的大小。小。失调的根本原因失调的根本原因：晶体管参数的：晶体管参数的不对称性。不对称性。输入失调电压表达式输入失调电压表达式：输入失调电流输入失调电流Ios：差动放大器的输出直流电压等于零差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入端所时，两输入端所加偏置电流加偏置电流的差值。的差值。引起引起Ios的原因：的原因：晶体管的晶体管的 不对称，使基极注入电流产生偏差；不对称，使基极注入电流产生偏差；集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流将发生偏差。将发生偏差。输入失调电流表达式输入失调电流表达式：（2 2）差分放大器的温度漂移）差分放大器的温度漂移失调漂移：放大器的失调随着失调漂移：放大器的失调随着环境温度、电源电压环境温度、电源电压等外界因等外界因素的变化而变化。素的变化而变化。3.3.集成运放的输入级集成运放的输入级 集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。输入级输入级的改进的改进便成为各代集成运放的重要标志。便成为各代集成运放的重要标志。(1)(1)普通差动放大电路普通差动放大电路(2)(2)共集共基差动放大器共集共基差动放大器(3)(3)超超 管差动放大电路管差动放大电路(4)(4)场效应管差动放大电路场效应管差动放大电路1.1.2 1.1.2 恒流源电路恒流源电路 作用：作为集成运放中各级电路的作用：作为集成运放中各级电路的恒流偏置恒流偏置和和有源负载有源负载。1.镜像恒流源基本电路镜像恒流源基本电路图图1-1-9 镜像恒流源镜像恒流源 的基本电路的基本电路VT1、VT2是匹配对管是匹配对管 即即 足够大时有足够大时有Io Ir，所以称为电流镜电路。，所以称为电流镜电路。2.2.改进型镜像恒流源电路改进型镜像恒流源电路图图1-1-10 减小减小对对Io影影响的恒流源响的恒流源输出电流为：输出电流为：1 3 (1)减小减小 对对Io影响的恒流源影响的恒流源与基本电路相比，此处与基本电路相比，此处 的的变化对变化对Io的影响要小得多。的影响要小得多。（2 2）I Io o与与I Ir r不同比例的恒流源不同比例的恒流源图图1-1-11 Io与与Ir不同不同 比例的恒流源比例的恒流源即即 当当VT1、VT2中电流是同中电流是同数量级时，其数量级时，其UBE可认为可认为近似相等，故有（假设三近似相等，故有（假设三极管的极管的 足够大）：足够大）：调节调节R1、R2的比值，可的比值，可获得不同的获得不同的Io输出。输出。3.3.多路输出的恒流源多路输出的恒流源图图1-1-12 多路输出的恒流源多路输出的恒流源 当当VT1、VT2、VTn等各三极管完全等各三极管完全对称时，输出电流对称时，输出电流I1、In等等各电流近似相等。各电流近似相等。1.1.3 1.1.3 有源负载电路有源负载电路1.有源集电极负载电路有源集电极负载电路图图1-1-13 有源集电极有源集电极负载放大器负载放大器单管共发射极放大器单管共发射极放大器电压增益表达式为电压增益表达式为 利用三极管恒流源来利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻。代替集电极负载电阻。2.2.有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路图图1-1-14 有源负载有源负载 差动放大器差动放大器VT3、VT4组成镜像恒流源。组成镜像恒流源。它们的集电极电位均可以浮它们的集电极电位均可以浮动，所以动，所以Ic3、Ic4均可变化，均可变化，但始终保持相等。但始终保持相等。常由常由VT4集电极输出，集电极输出，rCE4作为差动放大器的负载，作为差动放大器的负载，由于由于rCE4很高，所以差动放很高，所以差动放大器增益也很高。大器增益也很高。1.1.4 双端变单端电路双端变单端电路图图1-1-15 双端变单端电路双端变单端电路1.1.5 1.1.5 直流电平位移电路直流电平位移电路图图1-1-16 恒流源电平位移电路恒流源电平位移电路 1.1.采用恒流源完成电平采用恒流源完成电平位移位移由于恒流源的直流由于恒流源的直流内阻内阻Ro很小，交流很小，交流内阻内阻ro很大，当很大，当R1 Ro和和R1 ro时，时，输出端的直流电平输出端的直流电平U2比输入端的直流电平比输入端的直流电平U1降低降低很多，即很多，即U2 80dBCMRR80dB6.6.最大差模输入电压最大差模输入电压U UidMidM 集成运放两输入端所允许加的最大电压差。集成运放两输入端所允许加的最大电压差。当差模输入电压超过此电压值时，集成运放当差模输入电压超过此电压值时，集成运放输入级的三极管将被反向击穿，甚至损坏。输入级的三极管将被反向击穿，甚至损坏。1.3.2 1.3.2 集成运放的主要交流参数集成运放的主要交流参数1.1.开环带宽开环带宽BWBW 集成运放的开环电压增益下降集成运放的开环电压增益下降3db(3db(或是相或是相当于运放的直流增益的当于运放的直流增益的0.707)0.707)所对应的信号频所对应的信号频率。率。2.2.单位增益带宽单位增益带宽GWGW 集成运放在集成运放在闭环增益为闭环增益为1倍倍状态下，当用正状态下，当用正弦小信号驱动时，其弦小信号驱动时，其闭环增益下降至闭环增益下降至0.707倍时倍时频率。频率。3.3.转换速率转换速率(或电压摆率或电压摆率)S SR R转换速率转换速率S SR R的定义的定义 定义：运放接成闭环条件下，将定义：运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。得运放的输出上升速率。转换速率对于大信号处理是一个转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标很重要的指标.一般运放转换速率：一般运放转换速率：SR=10V/sSR10V/sSR10V/s高速运放最高转换速率高速运放最高转换速率SRSR达到达到 6000V/s6000V/s。4.4.全功率带宽全功率带宽BWBWP P 在额定负载条件下，集成运放闭环增益为在额定负载条件下，集成运放闭环增益为 1 倍倍时，当输入正弦大信号后，使集成运放输出电压时，当输入正弦大信号后，使集成运放输出电压幅度达到最大（在一定的失真条件下）的信号频幅度达到最大（在一定的失真条件下）的信号频率，即为率，即为功率带宽。功率带宽。5.5.建立时间建立时间t tS S 集成运放闭环增益为集成运放闭环增益为1倍时，在一倍时，在一定的负载条件下当输入阶跃大信号定的负载条件下当输入阶跃大信号后，集成运放输出电压达到某一特后，集成运放输出电压达到某一特定值的范围时所需的时间称为定值的范围时所需的时间称为建立建立时间。时间。1.3.3 1.3.3 集成运放的分类集成运放的分类1.1.高输入阻抗型高输入阻抗型2.2.低漂移高精度型（低漂移高精度型（OP27OP27）3.3.高速型和宽频带型高速型和宽频带型 高速运放一般要求转换速率高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏大于几十伏微秒，单位增微秒，单位增益带宽益带宽BW 10MHZ。4.4.低功耗型低功耗型 要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。伏以下。典型产品有典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。等。5.5.大功率型大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。安培，输出功率为几十瓦左右。典型产品有典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。等。1.4.1 集成运放的实际等效模型集成运放的实际等效模型图图1-4-1 集成运放的等效模型集成运放的等效模型1.4 1.4 集成运放的等效模型集成运放的等效模型Uos 输入失调电压，可加在运放同相端，输入失调电压，可加在运放同相端，也可加在反向端；也可加在反向端；eN 等效输入噪声电压；等效输入噪声电压；iN 等效输入噪声电流；等效输入噪声电流；IB+、IB 分别是输入偏流；分别是输入偏流；Zic共模输入阻抗；共模输入阻抗；Zd 差模输入阻抗，它是差模输入电阻差模输入阻抗，它是差模输入电阻Rd和差和差模输入电容模输入电容Cd的并联阻抗；的并联阻抗；Zo 输出阻抗，它是共模输出电输出阻抗，它是共模输出电阻阻RcM和共模输出电容和共模输出电容CcM的并联的并联阻抗，通常只考虑输出电阻；阻抗，通常只考虑输出电阻；Eod经差模放大经差模放大的输出电压；的输出电压；EocM由共模引起的输出电压；由共模引起的输出电压；1.4.2 理想集成运放的等效模型理想集成运放的等效模型差模电压增益为无限大，即差模电压增益为无限大，即Aud=。输入电阻为无限大，即输入电阻为无限大，即Rid=。输出电阻为零，即输出电阻为零，即ro=0。共模抑制比为无限大，即共模抑制比为无限大，即CMRR=。转换速率为无限大，即转换速率为无限大，即SR=。具有无限宽的频带。具有无限宽的频带。失调电压、失调电流及其它们的温漂均为零。失调电压、失调电流及其它们的温漂均为零。干扰和噪声均为零。干扰和噪声均为零。1.理想集成运放的基本条件理想集成运放的基本条件2.2.理想集成运放的两个重要特性理想集成运放的两个重要特性或或 理想集成运放有理想集成运放有两个重要特性：虚短和虚断。两个重要特性：虚短和虚断。(1)虚短虚短 两输入端的电位相等两输入端的电位相等 u+=u 由于集成运放的输出电压为有限值，而理想集成运放的由于集成运放的输出电压为有限值，而理想集成运放的Auo=，则，则(2)(2)虚断虚断即集成运放两输入端的输入电流为零即集成运放两输入端的输入电流为零 i+=i 由于集成运放的输入电阻为无穷大，因而流入两个输由于集成运放的输入电阻为无穷大，因而流入两个输入端的电流为零，即入端的电流为零，即1.5 1.5 实际运放与理想运放的误差实际运放与理想运放的误差 实际集成运放不能达到实际集成运放不能达到“理想条件理想条件”，只，只能趋近于这些能趋近于这些“理想理想”条件。实际运放和理想条件。实际运放和理想运放总存在偏差。运放总存在偏差。1.5.1 1.5.1 A Ad d为有限值时实际运放和理想运放的为有限值时实际运放和理想运放的误差误差 当当AdAd为有限值，其它条件均为理想条件时，集为有限值，其它条件均为理想条件时，集成运放的输出电压为成运放的输出电压为实际运放和理想运放存在误差，实际运放和理想运放存在误差，“虚地点虚地点”要移动。要移动。图图1-5-1 考虑考虑Ad影响后影响后 的实际运放模型的实际运放模型图中图中 整理得整理得 实际运放的虚地点不在实际运放的虚地点不在M点，而是移动到点，而是移动到Q点。点。1.5.2 Ac为有限值时实际运放和理想运放的误差为有限值时实际运放和理想运放的误差代入上式得代入上式得将将当当Ad为有限值、为有限值、Ac不为零时，集成运放输出电压为不为零时，集成运放输出电压为令令则则图图1-5-2 考虑考虑Ad、Ac影响影响 的实际运放模型的实际运放模型求虚地点的位置求虚地点的位置得得虚地点不在虚地点不在M点和点和N点，而是移动到了点，而是移动到了P点。点。1.5.3 Uos不为零时实际运放和理想运放的误差不为零时实际运放和理想运放的误差如果再假定如果再假定Ad为无穷大，则有为无穷大，则有 当当Uos不为零、同时考虑不为零、同时考虑Ad为有限值时，集成运为有限值时，集成运放的输出电压为放的输出电压为当同时考虑当同时考虑A Ad d为有限值、为有限值、A Ac c不为零、不为零、U Uosos不为零时，不为零时，实际运放的等效电路如图所示。实际运放的等效电路如图所示。考虑考虑Ad、Ac、Uos影响后的实际运放模型影响后的实际运放模型p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日