清华杨素行第三版模电第6章.ppt

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第一节集成放大电路的特点集成电路的发展集成电路的分类集成放大电路的主要特点下页总目录一集成电路的发展下页集成电路简称IC integratedcircuit 是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件它是在半导体制造工艺基础上将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的因此密度高引线短外部接线大为减少提高了电子设备的可靠性和灵活性同时降低了成本为电子技术的应用开辟了一个新的时代上页首页人们经常以电子器件每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志将1904年出现的电真空器件称为第一代 1948年出现的半导体器件称为第二代 1959年出现的集成电路称为第三代 1974年出现的大规模集成电路称为第四代随着集成工艺的发展电子技术已经日益广泛地应用于人类社会的各个方面下页上页首页二集成电路的分类下页上页 1 按功能的不同可分为数字集成电路输入量和输出量为高低两种电平且具有一定逻辑关系的电路模拟集成电路数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路 2 按模拟集成电路的类型可分为集成运算放大器集成功率放大器集成高频放大器集成中频放大器集成比较器集成乘法器集成稳压器集成数模和模数转换器以及锁相环等 3 按构成有源器件的类型可分为双极型和单极型首页三集成电路的特点参数精度不高受温度影响较大但对称性好电阻值范围有一定局限性一般在几十欧到几十千欧之间常用三极管代替电阻尤其是大电阻集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器放大级之间通常采用直接耦合方式一般情况下 PNP管只能做成横向的值较小 10 上页首页第二节集成运放的主要技术指标集成运放的符号集成运放的主要技术指标下页总目录一集成运放的符号下页下页由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成因此一般具有两个输入端和一个输出端反相输入端输入信号与输出信号的相位相反同相输入端输入信号与输出信号的相位相同输出端上页首页二集成运放的主要技术指标 1 开环差模电压增益Aod 下页下页 Aod是指运放在无外加反馈情况下的直流差模增益一般用对数表示单位为dB 分贝 Aod是决定运放精度的重要因素理想情况下希望Aod为无穷大实际集成运放一般Aod为100dB左右高质量的集成运放Aod可达140dB以上上页首页 2 输入失调电压UIO 下页下页 UIO的定义是为了使输出电压为零在输入端所需要加的补偿电压其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度在一定程度上也反映温漂的大小一般运放UIO的值为1 10mV 高质量的在1mV以下表示失调电压在规定工作范围内的温度系数是衡量运放温漂的重要指标上页首页 3 输入失调电压温漂它的定义是 4 输入失调电流IIO 下页上页 IIO的定义是当输出电压等于零时两个输入端偏置电流之差用以描述差分对管输入电流的不对称情况一般运放为几十至一百纳安高质量的低于1nA 代表输入失调电流的温度系数一般为每度几纳安高质量的只有每度几十皮安首页 5 输入失调电流温漂即的定义是 6 输入偏置电流IIB IIB 下页上页 IIB是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的值一般集成运放的输入偏置电流愈大其失调电流愈大 IIB的定义是当输入电压等于零时两个输入端偏置电流的平均值首页即 7 差模输入电阻rid 8 共模抑制比KCMR 9 最大共模输入电压UIcm 集成运放输入端所能承受的最大共模电压下页上页用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小用以衡量集成运放抑制温漂的能力首页 10 最大差模输入电压UIdm 11 3dB带宽fH 12 单位增益带宽BWG 13 转换速率SR 集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压 Aod下降3dB时的频率上页 Aod降至0dB时的频率在额定负载条件下输入一个大幅度的阶跃信号时输出电压的最大变化率单位为V s 首页第三节集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级输出级下页总目录向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数集成运放的基本组成部分下页上页首页一偏置电路镜像电流源是最简单最基本的电流源而比例电流源和微电流源都是在镜像电流源的基础上稍加变化发展而得到的 1 镜像电流源 IC2 IREF IREF 2IB 当 2时下页上页首页 UBE1 UBE2 2 比例电流源 UBE1 IE1R1 UBE2 IE2R2 IE1R1 IE2R2 下页上页首页 3 微电流源 UBE1 UBE2 IE2Re IC2Re UBE1 UBE2 IC2Re 下页上页首页例5 3 1 图示为集成运放LM741偏置电路的一部分假设VCC VEE 15V 所有三极管的UBE 0 7V 其中NPN三极管的 2 横向PNP三极管的 2 电阻R5 39k 下页上页估算基准电流IREF 分析电路中各三极管组成何种电流源估算VT13的集电极电流IC13 若要求IC10 28 A 试估算电阻R4的阻值首页下页上页 VCC 解由图可得 VT12与VT13组成镜像电流源 VT10 VT11与R4组成微电流源首页下页上页不能简单认为Ic13 IREF 可认为IC11 IREF 首页二差分放大输入级 1 基本形式差分放大电路电路结构对称在理想的情况下两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等两个输入两个输出两管静态工作点相同 1 电路组成下页上页首页温度变化时 uC1和uC2变化一致 uO保持不变 uO uC1 uC2 0 uo uC1 uC1 uC2 uC2 0 静态时 ui1 ui2 0 当温度升高时 IC VC 两管变化量相等对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用下页上页首页 2 差模输入电压和共模输入电压差模输入电压uId两个输入电压大小相等极性相反下页上页差模输入电压首页下页上页共模输入电压uIc两个输入电压大小相等极性也相同共模输入电压首页下页上页实际上在差分放大电路的两个输入端加上任意大小任意极性的输入电压uI1和uI2 都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为例5 3 2 uI1 5mV uI2 1mV 则 uId 4mVuIc 3mV 首页差模电压放大倍数Ad uO uC1 uC2 2 Au1 uId 牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制但不理想因电路不可能完全对称单端输出时失去对零点漂移的抑制能力下页上页 3 差模电压放大倍数共模电压放大倍数和共模抑制比首页共模放大倍数共模抑制比下页上页差模放大倍数共模放大倍数 KCMR越大说明差分电路分辨差模信号的能力越强而抑制共模信号的能力越强共模抑制比首页 2 长尾式差分放大电路引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比补偿Re上的直流压降提供静态基极电流下页上页 1 电路组成首页 2 静态分析 IBQR UBEQ 2IEQRe VEE VCC ICQRc IBQ IBQR UC UC UB 下页上页首页仿真 3 动态分析 Au1 Ro 2Rc uc2 uc1 下页上页 uo 2 uc1 ui uI1 uI2 2 uI1 首页例5 3 3 在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零如右图所示静态分析 IBQ VEE UBEQ R 1 2Re 0 5Rw UCQ VCC ICQRc ICQ IBQ UBQ IBQR IBQR UBEQ IEQ 2Re 0 5Rw VEE 下页上页首页动态分析 Ad uo uI Au1 Ad R rbe Ro 2Rc uI1 R rbe ib 0 5Rwie uc1 1 下页上页首页 3 恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re 既可有效抑制零漂又便于集成 1 电路组成下页上页首页 2 静态分析通常可从确定恒流三极管的电流开始 UBQ1 UBQ2 IBQ1R UCQ1 UCQ2 VCC ICQ1Rc 下页上页首页仿真 UB1 IB1R UC1 UC2 解静态工作点下页上页 UC1 VCC ICQRC 首页仿真解差模电压放大倍数下页上页恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数差模输入电阻和输出电阻均相同首页 4 差分放大电路的输入输出接法 1 双端输入双端输出下页上页首页 2 双端输入单端输出将双端信号转化为单端信号下页上页首页 3 单端输入双端输出将单端信号转化为双端输出下页上页首页 4 单端输入单端输出抑制零漂能力较强可使输入输出电压反相或同相下页上页首页仿真结论 1 双端输出时 Ad Au1 Ro 2Rc 理想情况下KCMR 2 单端输出时 Ro Rc KCMR不如双端输出时高可选择从不同的三极管输出使uI与uO反相或同相单端输入时两个三极管仍基本工作在差分状态下页上页首页三中间级 1 有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻向输出级提供较大的推动电流实现双端与单端信号间的转换放大管用三极管代替负载电阻Rc 组成有源负载获得较高的电压放大倍数下页上页首页 2 复合管集成运放的中间级采用复合管时不仅可以得到很高的电流放大系数以便提高本级的电压放大倍数而且能够大大提高本级的输入电阻以免对前级放大倍数产生不良影响根据基准电流IREF 即可确定放大管的工作电流下页上页首页下页上页 iC2 iC4 iC3 iC4 iC1 iC3 iC1 iC2 iO iC4 iC2 2 iC4 放大管足够大电路虽然采用单端输出接法却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量有源负载有源负载差分放大电路首页四输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要同时还应具有较低的输出电阻以增强带负载能力有较高的输入电阻以免影响前级的电压放大倍数一般不要求输出级提供很高的电压放大倍数应设法尽可能减小输出波形的失真应有过载保护以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧毁功率三极管下页上页首页 1 互补对称电路下页上页集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路为了避免产生交越失真实际上通常采用甲乙类的OCL或OTL互补对称电路当集成运放的输出功率比较大时常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路以免要求前级放大级提供的推动电流太大首页 2 过载保护电路 VD3 VD4和Re1 Re2组成过载保护电路工作电流正常时 VD3 VD4截止若VT1正向电流增大 VD3导通将VT1的基流分流若VT2反向电流增大 VD4导通将VT2的基流分流下页上页首页 VT3 VT4和Re1 Re2组成过载保护电路其工作原理与二极管过载保护电路类似下页上页首页第四节集成运放的典型电路双极型集成运放LM741 CMOS集成四运放C14573 下页总目录一双极型集成运放LM741 LM741是美国国家半导体公司的集成运放产品是一类应用比较广泛的通用型集成运放下页上页首页 1 偏置电路由VT8 VT13以及电阻R4 R5等元件组成流过R5的基准电流下页上页首页 VT11 VT10和R4组成微电流源由IC10提供VT9的集电极电流IC9和VT3 VT4的基流I3 4 1 偏置电路下页上页首页横向VT8 VT9组成镜像电流源产生I8 决定输入级VT1 VT2的集电极电流所以输入级工作在弱电流状态而且电流比较稳定横向VT12 VT13组成另一组镜像电流源产生IC13 提供中间级放大管VT16 VT17的静态电流 2 输入级下页上页由VT1 VT2 VT3和VT4组成共集共基差分放大电路 VT5和VT6构成有源负载代替电阻Rc 差分输入信号由VT1 VT2的基极送入从VT4的集电极送出单端输出信号至中间级首页 VT1 VT2 VT3 VT4 Rc Rc VCC VEE uI1 uI2 uO I8 I3 4 下页上页 3 中间级中间级电路的输入信号来自输入级VT4和VT6的集电极输出端接到输出级两个互补对称放大管的输入端中间级由VT16 VT17组成的复合管充当放大管组成单管共射放大电路 VT13作为其有源负载所以中间级不仅能够提供很高的电压放大倍数而且具有很高的输入电阻避免降低前级的电压放大倍数为了防止产生自激振荡在中间级放大管的基极和集电极之间接入一个30 F的校正电容首页下页上页 4 输出级输出级由NPN三极管VT14和PNP三极管VT20组成互补对称电路 VT19的作用是实现过载保护三极管VT15和电阻R7 R8的作用是为功率管提供静态基极电流使电路工作在甲乙类状态以减小交越失真在实际的互补对称功率输出级电路中两个功率管基极之间的电压差常常需要根据静态工作点的要求进行调节 LM741原理电路中两个功率管基极之间的电压即是UCE15 如果忽略VT15的基流这种电路称为UBE扩大电路首页下页上页 5 引脚和连接方法首页第五节各类集成运放的性能特点通用型集成运放的特点专用型集成运放的特点下页总目录一通用型集成运放的特点通用型集成运放已经经历了四代的更替各项技术指标不断得到改进第一代集成运放以 A709 我国的FC3 为代表基本上沿袭了数字集成电路的制造工艺但也开始少量采用例如横向PNP管等特殊元件采用了微电流的恒流源共模负反馈等电路它们大致能够达到中等精度的要求下页上页首页下页上页第二代以 A741 我国的F007或5G24 为代表它的特点是普遍采用了有源负载因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益由于放大级由三级减为两级使防止自激的校正措施比较简单电路中还有短路保护措施防止过流造成损坏首页下页上页第三代以AD508 我国的4E325 为代表它的特点是输入级采用了超管使IIB IIO和 IIO等项参数值大大下降在版图设计方面输入级采用热对称设计使超管产生的温漂得以抵消因此在失调电压失调电流开环增益共模抑制比和温漂等方面的指标都得到改善第四代以HA2900为代表它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平输入级采用MOS场效应管输入电阻高达100M 以上采取调制和解调措施称为自稳零运算放大器输入电压和温漂进一步降低一般无需调零即可使用首页 1 高精度型下页上页二专用型集成运放的特点主要特点是温漂和噪声很低而开环增益和抑制比很高从而大大减小集成运放的误差达到很高的精度 2 低功耗型低功耗型集成运放的静态功耗比通用型低1 2个数量级不超过毫瓦级要求的电源电压很低可用电池供电也可在标准电压范围内工作当在低电源电压下工作时不仅静态功耗低而且能保持良好的技术性能首页 3 高阻型高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级有的集成运放则全部用MOS工艺制成高阻型集成运放的输入电阻高达1012 4 高速型高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有优良的频率特性它们的转换速率可达每微秒几十至几百伏甚至高达1000V s 单位增益带宽可达10MHz 甚至几百兆赫下页上页首页上页 5 高压型某些应用场合需要集成运放能输出更高的电压此时应选用高压型集成运放这种集成运放的特点是输出电压动态范围大电源电压高因而集成运放的功耗也高 6 大功率型大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时还能给出较大的输出电流最后在负载上可以得到较大的输出功率首页第六节集成运放使用中的几个具体问题集成运放参数的测试使用中可能出现的异常现象集成运放的保护下页总目录一集成运放参数的测试当选定集成运放的产品型号后通常只要查阅有关器件手册即可得到各项参数值而不必逐个测试但手册中给出的往往只是典型值由于材料和制造工艺的分散性每个运放的实际参数与手册上给定的典型值之间可能存在差异因此有时仍需对参数进行测试参数的测试可以采用一些简易的电路和方法手工进行在成批生产或其他需要大量使用集成运放的场合也可以考虑利用专门的参数测试仪器进行自动测试下页上页首页二使用中可能出现的异常现象下页上页 1 不能调零出现这种异常现象的原因可能是调零电位器不起作用应用电路接线有误或有虚焊点反馈极性接错或负反馈开环集成运放内部已损坏等如果关断电源后重新接通即可调零则可能是由于运放输入端信号幅度过大而造成的堵塞现象为了预防堵塞可在运放输入端加上保护措施首页下页上页 2 漂移现象严重造成漂移过于严重的原因可能是存在虚焊点运放产生自激振荡或受到强电磁场的干扰集成运放靠近发热元件输入回路的保护二极管受到光的照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身已损坏或质量不合格等 3 产生自激振荡常用的消除自激振荡的措施主要有按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免反馈过强合理安排接线防止杂散电容过大等首页三集成运放的保护 1 输入保护下页上页限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过VD1 VD2的正向导通电压限制集成运放的共模输入电压不超过 V至 V的范围首页 2 电源极性错接保护下页上页若电源极性错接则二极管VD1 VD2不能导通使电源被断开首页上页 3 输出端错接保护若将集成运放的输出端错接到外部电压可能引起过流或造成损坏若放大电路输出端的电压过高时稳压管VDZ1 VDZ2将被反向击穿使集成运放的输出电压被限制在VDZ1或VDZ2的稳压值从而避免了损坏首页

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