1、第6章集成電路運(yùn)算放大器集成電路：把整個(gè)電路中的元器件，制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，這樣的“硅片”，稱為集成電路。集成電路特點(diǎn)：體積小，性能很好。集成電路分類：模擬集成電路和數(shù)字集成電路。9/21/20222模擬集成電路：運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源、和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路。此類集成電路中，集成運(yùn)算放大器(集成運(yùn)放)應(yīng)用最為廣泛。9/21/20223本章主要內(nèi)容：集成運(yùn)放的基本單元電路及其分析方法(掌握)，典型集成運(yùn)放及性能指標(biāo)(了解)，幾種專用型集成運(yùn)放(了解)。9/21/20224序1.模擬集成電路：一

2、般是由一塊厚度為0.20.25mm的P型硅片上，制作成具有一定功能的電路，這樣的P型硅片，就稱為集成電路。它可分為：9/21/20225小規(guī)模集成電路：十幾十個(gè)元件；中規(guī)模集成電路：幾十個(gè)幾百個(gè)元件元件；大規(guī)模集成電路：幾百個(gè)幾千個(gè)元件；超大規(guī)模集成電路：幾千個(gè)以上元件；美國(guó)預(yù)計(jì)，到2010年集成度將達(dá)到10億個(gè)。9/21/202262.模擬集成電路的特點(diǎn)：(1).電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性；(2).用有源器件代替無(wú)源器件；如：電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值一般為幾十歐20k,高阻值電阻多用BJT或FET等有源器件組成的恒流源來(lái)代替。9/21/20227(3).采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路；多采用

3、復(fù)合管、共射共基、共集共基等組合電路。(4).級(jí)間采用直接耦合方式；電路中的電容不大，約在幾十pF，常用PNJ的結(jié)電容構(gòu)成，誤差也較大。電感制造更困難，級(jí)間都采用直接耦合。9/21/20228(5).二極管大都采用BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。集成運(yùn)放的基本單元電路：電流源和差分放大電路。9/21/202296.1電流源電路1.鏡像電流源電路如圖所示。設(shè)電路完全對(duì)稱，即T1、T2的參數(shù)完全相同(12，ICEO1ICEO2，VBE1VBE2， IE1 IE2 ，IC1IC2)，圖中IREF為基準(zhǔn)電流。當(dāng)BJT的值較大時(shí)， IB可以忽略，有：轉(zhuǎn)129/21/2022109/21/202211由()式可以看出

4、，當(dāng)R確定以后，IREF也就確定，IC2隨之確定， 可把IC2看作是I REF的鏡像，所以稱圖為鏡像電流源。9/21/202212由于T1管對(duì)T2管有溫補(bǔ)作用，IC2的穩(wěn)定性也較好。但由于受電源的影響較大，故要求電源十分穩(wěn)定。當(dāng)不夠大時(shí)， IC2 與IREF就存在一定的誤差，可采用圖所示電路。9/21/2022139/21/202214該電路利用T3的電流放大作用，減小IB對(duì)IREF的分流作用，從而提高了IC2與IREF 互成鏡像的精度。為了避免T3 的電流過(guò)小而使3下降， T3 的射極常加一電阻Re3，使IE3增大。9/21/202215適用范圍：該電流源適用于工作電流較大的場(chǎng)合(mA級(jí))。

5、工作電流較小時(shí)(A級(jí))的電流源，應(yīng)采用微電流源。2.微電流源如圖所示。9/21/2022169/21/202217與圖相比，在T2的發(fā)射極回路串接了一個(gè)發(fā)射極電阻Re2,當(dāng)基準(zhǔn)電流IREF確定以后，IC2可確定如下：VBE1VBE2VBEIE2Re2所以，IC2IE2 VBERe2()9/21/202218由式()可知，利用兩管基射極電壓差VBE可以控制輸出電流IC2 。由于VBE 的數(shù)值小，用阻值不大的電阻Re2，即可獲得微小的工作電流，故稱之為微電流源。Re2 一般為數(shù)k， IC2 約為A級(jí)。9/21/202219例多路電流源如圖所示。已知各BJT的參數(shù)、VBE數(shù)值相同，求各電流源IC1、

6、IC2、IC3與基準(zhǔn)電流IREF的關(guān)系。解：由IREF ICIB0IC IB0 轉(zhuǎn)229/21/2022209/21/202221得IC IREF IB0當(dāng)較大時(shí)， IC IREF由于BJT的參數(shù)、VBE數(shù)值相同，則：IERe IREFRe IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 (6.1.3)9/21/202222所以當(dāng)IREF確定以后，改變各電流源的射極電阻，可獲得不同的輸出電流。9/21/2022233.有源負(fù)載如圖所示。T1為放大管，T2、T3組成鏡像恒流源，作為T1管的交流負(fù)載。由于晶體管c、e間的交流電阻很大，以提高T1管的放大倍數(shù)。轉(zhuǎn)269/21/2022249/21/2022

7、256.2差分放大電路差分放大電路功能：放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分放大電路是集成運(yùn)放的主要組成單元。如圖(所示)9/21/202226在電路完全對(duì)稱的理想情況下，輸出信號(hào)電壓可表示為：voAVD(vi1vi2)()9/21/202227式中AVD是差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)。由式中可以看出， vi1、vi2中所共有的任何信號(hào)對(duì)輸出電壓都不會(huì)產(chǎn)生影響，但在一般情況下，實(shí)際的輸出電壓不僅與兩個(gè)信號(hào)的差(差模信號(hào))有關(guān)，而且與兩個(gè)信號(hào)中的共有信號(hào)(共模信號(hào))有關(guān)。9/21/2022281.差模信號(hào)差模信號(hào)：大小相等，極性相反的一對(duì)信號(hào)，稱之為差模信號(hào)?？捎孟率奖硎荆簐idvi1vi2 ()或9/

8、21/2022292.共模信號(hào)共模信號(hào)：大小相等，極性相同的一對(duì)信號(hào)，稱之為共模信號(hào)?？捎孟率奖硎荆?)或vic1vic2 vic9/21/2022303.兩輸入信號(hào)的表達(dá)式4.輸出電壓的表達(dá)式voAVDvidAVCvic()9/21/202231式中AVDvodvid為差模電壓放大倍數(shù)(差模電壓增益);AVC vocvic 為共模電壓放大倍數(shù)(共模電壓增益)。9/21/202232由()式可知，如果有兩種情況的輸入信號(hào)：一種：vi1+50V，vi250V；另一：vi11050V，vi2950V；盡管這兩種情況下的差模信號(hào)vid100V是相同的，但其共模信號(hào)卻不一致，前者vic0，后者vic1

9、000V。因而差分放大電路的輸出電壓是不相同的。9/21/202233基本差分放大電路如圖所示，是一個(gè)基本差分放大電路。1.電路組成它由兩個(gè)特性相同的BJT T1、T2組成對(duì)稱電路，電路參數(shù)也完全對(duì)稱，即Rc1Rc2Rc等。電路中有兩個(gè)電源+VCC和 VCC(一般情況下，兩電源的大小相等)。轉(zhuǎn)369/21/202234轉(zhuǎn)419/21/2022352.工作原理(1)靜態(tài)分析當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)，即vi1vi20時(shí)，由于電路完全對(duì)稱， Rc1Rc2Rc，VBE1 VBE20.7V，9/21/202236這時(shí)， iC1 iC2 ICI 0 / 2，IC1Rc1 IC2Rc2 ICRc ， VC1VC2 VC

10、C ICRc，vovC1vC20。由此可知，vidvi1vi20時(shí)，輸出信號(hào)電壓vo也等于零。9/21/202237(2)動(dòng)態(tài)分析當(dāng)在電路的輸入端輸入一對(duì)大小相等，極性相反的(差模)信號(hào)時(shí)，兩管的電流：一管增加，另一管減小，vovC1 vC20，這一對(duì)信號(hào)就是前述的差模信號(hào)。這種輸入方式稱之為差模輸入。差分放大電路對(duì)差模信號(hào)具有放大能力。9/21/2022382.抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移(零漂)：當(dāng)差分放大電路輸入信號(hào)等于零時(shí)，輸出電壓偏離原來(lái)的初始值(參考電壓)而上下漂動(dòng)的現(xiàn)象。如溫度的變化而引起某放大電路輸入級(jí)Q點(diǎn)變化，經(jīng)后級(jí)放大而出現(xiàn)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)輸出電壓不為零的現(xiàn)象，這就是零點(diǎn)漂移

11、。9/21/202239在差分放大電路中,無(wú)論是溫度的變化還是電源電壓的波動(dòng)，都會(huì)引起兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)于在兩輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路是對(duì)稱，共模輸出電壓voc0，從而抑制了零點(diǎn)漂移。實(shí)際情況，兩管完全對(duì)稱是不可能的，但抑制零漂的能力還是優(yōu)于其他電路的。9/21/2022403.主要性能指標(biāo)的計(jì)算(1)差模電壓放大倍數(shù)(增益)a.雙入雙出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)在圖中，若輸入為差模輸入，即vi1vi2 vid / 2，由于一管的電流增加時(shí)，另一管的電流減小，在電路完全對(duì)稱的情況下，iC1的增加量等于另一管iC2的減小量，所以流過(guò)恒流源的電流I0不變，ve0，

12、故圖的交流通路如圖所示。9/21/2022419/21/202242當(dāng)雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)為：當(dāng)c1、c2兩點(diǎn)接入負(fù)載電阻 RL時(shí)，9/21/202243其中，RLRcRL/2。這是由于一管的電流增加時(shí)，另一管的電流減小，而c1、c2兩點(diǎn)的電位向相反方向變化，即一邊增量為正時(shí)，另一邊增量為負(fù)，且大小相等，由此可見(jiàn)，負(fù)載電阻的中點(diǎn)是交流地電位，所以在差分放大電路的半邊等效電路中，負(fù) 載電阻是 RL/2。9/21/202244綜上所述：在電路完全對(duì)稱，雙入雙出的情況下，圖的電壓放大倍數(shù)(增益)與半邊電路的電壓放大倍數(shù)(增益)相等?？梢?jiàn)，該電路是以成倍的元器件來(lái)?yè)Q取抑制零漂的能力的。9/2

13、1/202245b.雙入單出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)如果從某一個(gè)管的集電極輸出電壓(vo1或vo2 )，則稱之為單端輸出(如圖)所示。此時(shí)，電路的電壓放大倍數(shù)(增益)只有雙出時(shí)的一半，(當(dāng)RL )時(shí)，即轉(zhuǎn)489/21/2022469/21/202247當(dāng)RL )時(shí)其中，RL RcRL 。9/21/202248c.單入時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)(如圖所示。)圖中ro為恒流源的交流電阻，其阻值一般很大，容易滿足rorbe的條件，這樣可以認(rèn)為ro對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路，輸入信號(hào)vid近似地平分在兩管的輸入回路上。轉(zhuǎn)519/21/2022499/21/202250圖與圖相比可知：兩電路中作用于be結(jié)上的信號(hào)分量基

14、本上是一致的。即單端輸入時(shí)電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致。如ro足夠大，則電路由雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)(增益)與式()近似一致；而由單端輸出時(shí)與式()近似一致；其他指標(biāo)也基本一致。9/21/202251(2)共模電壓放大倍數(shù)(增益)a.雙出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)，如圖所示。當(dāng)vi1vi2vic時(shí)，由于vocvo1vo20，所以轉(zhuǎn)549/21/2022529/21/202253實(shí)際上，電路完全對(duì)稱是不容易的，即使這樣，這種電路抑制共模信號(hào)的能力還是很強(qiáng)的。共模電壓放大倍數(shù)越小，放大電路的性能越好。9/21/202254b.單出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)(增益)單出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)(增益)

15、表示兩個(gè)集電極任一端對(duì)地的共模輸出電壓與共模輸入電壓之比，即一般情況下，(1+)2rorbe，1，故式()可簡(jiǎn)化為9/21/202255由上式可以看出，ro越大，恒流源 I0越接近理想情況，AVC1越小，說(shuō)明電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，電路性能越好。9/21/202256(3)共模抑制比KCMRKCMR式用來(lái)衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)能力的一個(gè)物理量，其定義式為差模電壓放大倍數(shù)(增益)越大，共模電壓放大倍數(shù)(增益)越小，共模抑制能力越強(qiáng)，放大電路性能越優(yōu)良，因此希望KCMR值越大越好。9/21/202257KCMR有時(shí)也用分貝(dB)來(lái)表示：對(duì)于基本差分放大電路，在電路完全對(duì)稱，雙出時(shí)：9/

16、21/202258單出時(shí)，由式()和()得：(4)頻率響應(yīng)a.低頻特性：由于差分放大電路采用了直接耦合，差放電路所以具有良好的低頻特性，如下圖所示。9/21/2022599/21/202260b.高頻特性由于差分放大電路是由兩個(gè)共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，其高端頻率特性與共發(fā)射極放大電路相似，如上圖所示。(5)差分放大電路的差模輸入、輸出電阻a.差模輸入電阻Rid由圖所示，9/21/202261轉(zhuǎn)419/21/202262由于I0對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路，所以RidVi / I i2rbe可證，對(duì)于雙入、單入的輸入方式，Rid均為2rbe。b.差模輸出電阻Ro雙端輸出方式：Ro2Rc單端輸出方式：RoRc9/21/202263(6)差分放大電路的性能比較(見(jiàn)表)。9/21/2022646.3集成運(yùn)算放大器一、組成如圖()所示，9/21/202265集成運(yùn)算放大電路主要由差