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.,第6章 集成運算放大電路及其應用,6.1 集成電路概述 6.2 集成運放的基本組成及各部分的作用 6.3 集成運放的典型電路及性能指標 6.4放大電路中的負反饋 6.5 集成運算放大器的線性應用,.,本章內(nèi)容提要 重點： （1）差動放大電路的結(jié)構(gòu)特點及功用； （2）集成運放的主要參數(shù)，理想運放的特點； （3）反饋的概念及負反饋對放大電路性能的影響； （4）集成運放的應用電路。 難點： （1）共模抑制比的物理意義； （2）“虛短”和“虛斷”的含義及應用； （3）滯回電壓比較器的原理與應用。,.,6.1 集成電路概述,,,6.1.1 集成電路及其發(fā)展,分立元件電路：所謂分立元件電路是指由單個電阻、電容、電感、二極管、三極管等元件連接起來組成的電路。分立元件的特點是電路中的元器件都裸露在外，體積大，工作可靠性差。,集成電路：集成電路簡稱IC（Integrated Circuits），是20世紀60年代初期發(fā)展起來的一種半導體器件。它是在半導體制造工藝的基礎(chǔ)上，將電路的有源器件（三極管、場效應管等）、無源器件（電阻、電感、電容）及其布線集中制作在同一塊半導體基片上，形成緊密聯(lián)系的一個整體電路。,集成電路的特點：與分立元件電路相比，集成電路具有突出特點：體積小，重量輕；可靠性高，壽命長；速度高，功耗低；成本低。,前面研究的內(nèi)容是分立器件的原理及其應用（放大器）電路。 是學習集成電路（IC）原理及IC電路應用的基礎(chǔ)。,1、集成電路,人們經(jīng)常以電子器件的每一次重大變革作為衡量電子技術(shù)發(fā)展的標志。,.,2、集成電路的發(fā)展：,摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）1965年提出來的。其內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。摩爾定律在發(fā)現(xiàn)后的50多年里產(chǎn)生了巨大影響，但隨著3D芯片等技術(shù)的耗盡，美物理學家加來道雄稱該定律將在10年內(nèi)崩潰，或許撐不到60歲。,摩爾定律：,.,IT（信息產(chǎn)業(yè)）,基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) IC芯片制造業(yè)（芯片設(shè)計、半導體和微電子技術(shù)） 應用產(chǎn)業(yè) 基于IC的應用，包括：電信、廣播電視和家電、計算機和網(wǎng)絡(luò)、控制和自動化等 EDA（電子設(shè)計自動化） 鏈接這兩個環(huán)節(jié)（屬電子線路設(shè)計的范疇）,4、集成電路（IC）應用電路,3、集成電路分類,數(shù)字集成電路,模擬集成電路,數(shù)/?；旌霞呻娐?.,集成運放（通用IC） 集成乘法器（通用IC） 集成鎖相環(huán) 集成功放 集成穩(wěn)壓器 集成寬帶放大器,其他應用種類繁多、門類齊全，如,另有：專用集成電路（電視機、收音機IC等）,通用電路的應用,.,1、集成運算放大器的特點,,集成運放是一種多級放大電路，理想的運放的性能具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點漂移小等特點。 電路的選擇及構(gòu)成形式上受到集成工藝條件的嚴格制約，所以集成運放在電路設(shè)計上具有以下特點： (1) 級間采用直接耦合方式。（大電容，大電阻等不容易集成） (2) 盡可能用有源器件代替無源元件。（代替大電阻） (3) 利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。（抑制溫度漂移及零點漂移）,輸入級,中間放大級,輸出級,偏置電路,6.2集成運放的基本組成及各部分的作用,2、集成運算放大器的組成,.,集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路。,采用具有兩個輸入端子的差動放大電路,提供增益，通常是共射組態(tài)的放大電路,由有較強帶負載能力的互補推挽電路組成,多數(shù)由恒流源電路組成,信號的輸入電路送來的信號,.,6.2.1偏置電路—電流源,1）為各級電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流,2）作為放大電路的有源負載，可提高單級放大器的增益。,一、鏡像電流源,如圖所示為鏡像電流源電路。由圖可知，參考電流Ir為,由于兩管的e結(jié)連在一起，所以IB相同，IC也相同。,由圖可知,電流源對提高集成運放的性能起著極為重要的作用，主要有以下兩個方面,下面介紹幾種電源,1）鏡像電流源的原理,.,,如果β1 >> 2,則IC2≈Ir?？梢?，只要Ir一定，IＣ2就恒定；改變Ir，IC2也跟著改變。兩者的關(guān)系好比物與鏡中的物像一樣，故稱為鏡像電流源。,只要電源VCC和電阻Rr確定，則IC1就確定。,.,在鏡像電流源中，T1的發(fā)射結(jié)對T2具有溫度補償作用，可有效地抑制IC2的溫漂,溫度↑,→使IB2減小 ↓,2）電路的溫度補償作用,,.,IE1≈Ir，IE2≈IC2,二、微電流電流源,,在集成電路中，有時需要微安級的小電流。如果采用鏡像電流源，Rr勢必過大。,由鏡像電流源可知,微電流電流源的原理,由上式可知，利用兩管發(fā)射結(jié)電壓差△UBE可以控制輸出電流IC2。由于△UBE的數(shù)值較小，這樣，用阻值不大的R2即可獲得微小的工作電流，故稱此電流源為微電流源。,由基爾霍夫電壓定律可知,.,雙端輸入、雙端輸出,雙端輸入、單端輸出,單端輸入、雙端輸出,單端輸入、單端輸出,6.2.2 輸入級--差動放大電路,差分放大電路常見的形式有三種：基本形式、長尾式和恒流源式。,根據(jù)電路輸入、輸出方式不同分為：,差動放大電路的種類,集成運放的輸入級一般采用差放電路----就是放大電路兩個輸入信號之差。,集成運放是高放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路，必須解決了零漂的問題----輸入信號為零輸出不為零的問題。,差放電路是利用的其對稱性，有效地抑制了零漂。,.,.,.,1、基本形式的差動放大電路,以雙端輸入、雙端輸出電路為例簡單分析電路的組成及原理,差動電路的兩種輸入信號,差模信號：大小相等，方向相反,共模信號：大小相等，方向相同,,1) 電路的組成,.,兩種共模信號接入方式,輸入端分開,兩輸入端連在一起,2）共模信號及共模電壓放大倍數(shù)Auc,,,.,差動放大電路對共模輸入信號的放大倍數(shù)叫做共模電壓放大倍數(shù)，用Auc表示，可以推出，當輸入共模信號時，Auc為：,上式表明：差分放大電路對共模信號沒有放大作用。,共模信號的電壓放大倍數(shù),溫度信號可看做是共模信號，所以抑制了溫度變化對放大電路的影響,.,在差分放大電路的兩個輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號，即ui1 = -ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸入方式下，差動放大電路兩輸入端總的輸入信號稱為差模輸入信號，用ui d表示，ui d為兩輸入端輸入信號之差，即,ui d = u i 1 –u i 2,ui1 = -ui2 = ui d,3） 差模輸入信號及放大倍數(shù),.,T1管的電壓放大倍數(shù)；,T2管的電壓放大倍數(shù),因為電路完全對稱, 所以,差模輸入信號的放大倍數(shù),上式表明：差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。,.,為什么？,差模放大倍數(shù),E,C,B,差模輸入信號的輸入電阻及輸出電阻,.,,如UI1=10V，UI2 =6V，則,共模輸入信號,差模輸入信號,于是，加在兩輸入端上的信號可分解為：,4） 任意輸入信號,加在兩輸入端上的信號可分解為：,.,UC1下降了ΔUC1，UC2下降了ΔUC2 由于電路對稱， ΔUC1=ΔUC2,溫度變化,雖差動放大電路的倍數(shù)等于單管的放大倍數(shù)，但抑制了零點漂移，這正是差動放大電路的優(yōu)點,.,如溫度變化，對兩只管子的影響完全相同，因此在兩輸入端產(chǎn)生的輸入信號也完全相同，是共模輸入信號,差放電路特點：,對共模信號沒有放大作用 ；,差模電壓放大倍數(shù)和單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同；,差分放大電路具有結(jié)構(gòu)完全對稱的特點，抑制零漂。,“輸入有差別，輸出才有變動”，差分放大電路由此得名。,.,5）差模信號的波形圖,T1管的電壓放大倍數(shù),T2管的電壓放大倍數(shù),.,6）具有調(diào)零電路的差動放大器,,,由于電路不可能做到完全對稱，所以增加了調(diào)零電路,.,在實際工作中一般不采用這種基本形式的差分放大電路，采用長尾式差分放大電路。,基本形式的差分放大電路存在的問題,內(nèi)部參數(shù)不可能絕對匹配，所以輸出電壓uO仍然存在零點漂移，共模抑制比很低。,每個三極管的集電極對地電壓來看，其零漂與單管放大電路相同，沒有得到改善,差放電路的共模抑制比用KCMR表示，它定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，用對數(shù)表示，單位分貝（dB），,共模抑制比描述差分放大電路對共模信號即零漂的抑制能力。,6）共模抑制比,KCMR愈大，抑制零漂的能力愈強。理想情況下，差放電路兩側(cè)的參數(shù)完全對稱，則共模放大倍數(shù)Auc = 0，共模抑制比KCMR =∞。,.,2、長尾式差動放大電路,1. 電路的組成,2、工作原理,.,由于電路參數(shù)的理想對稱性，溫度變化時管子的電流變化完全相同，故可以將溫度漂移等效成共模信號。,差分放大電路對共模信號的抑制，1)利用了電路參數(shù)對稱性所起的補償作用，使兩只晶體管的集電極電位變化相等；2)還利用了發(fā)射極電阻Re對共模信號的負反饋作用，抑制了每只晶體管集電極電流的變化，從而抑制集電極電位的變化。,在電路參數(shù)理想對稱的情況下，,,,,.,但對于差模輸入信號，由于兩管的輸入信號幅度相等而極性相反，所以iC1增加多少，i C2就減少同樣的數(shù)量，因而流過R e的電流總量保持不變，則△uE = 0，所以Re對差模輸入信號無影響。,由以上分析可知，長尾電阻Re的接入使共模放大倍數(shù)減小，降低了每個管子的零點漂移，但對差模放大倍數(shù)沒有影響，因此提高了電路的共模抑制比。 Re愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，隨著Re的增大，Re上的直流壓降將愈來愈大。 為此，在電路中引入一個負電源VEE來補償Re上的直流壓降，以免輸出電壓變化范圍太小。引入VEE后，靜態(tài)基極電流可由VEE提供，因此可以不接基極電阻Rb。,.,電路產(chǎn)生背景：在長尾式差分放大電路中，RE越大，抑制零漂的能力越強。但RE的增大是有限的。,3、恒流源式差分放大電路,在三極管輸出特性的恒流區(qū)，當集電極電壓有一個較大的變化量△uCE時，集電極電流iC基本不變。此時三極管C-E之間的等效電阻的值很大。,用恒流三極管充當一個阻值很大的長尾電阻RE，既可在不用大電阻的條件下有效地抑制零漂，又適合集成電路制造工藝中用三極管代替大電阻的特點，因此，這種方法在集成運放中被廣泛采用。,原因有兩個：,二是在同樣的工作電流下RE越大，所需VEE將越高。為此，可考慮采用一個三極管代替原來的長尾電阻RE 。,一是在集成電路中難于制作大電阻、大電容等器件；,.,通常不把恒流源式差分放大電路中恒流管V3的具體電路畫出，而采用一個簡化的恒流源符號來表示。,,.,4、差動放大電路的四種輸入、輸出接法,,,,.,雙端輸入、單端輸出電路,Q點分析,由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。 但是UCEQ1 ≠ UCEQ2。,,,,RC,.,1）差模信號作用下的分析,,,,動態(tài)分析：,.,2）共模信號作用下的分析,,.,差動放大電路電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān), 只要是雙端輸出, 它的差模電壓放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同; 如為單端輸出, 它的差模電壓放大倍數(shù)是單管基本電壓放大倍數(shù)的一半, 輸入電阻都是相同的，輸出電阻與輸出形式有關(guān)，雙端輸出為單端的2倍。,.,當輸入、輸出的接法不同時，放大電路的性能、特點也不盡相同。其性能比較如表6-1所列。,,表6-1 差分放大電路四種接法之性能比較,