集成电路运算放大器的术语

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1、第四章 集成运算放大电路第一节学习要求第二节集成运算放大器中的恒流源第三节差分式放大电路第四节 集成电路运算放大器第五节集成电路运算放大器的主要参数第六节场效应管简介第一节学习要求1. 掌握基本镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结构及基本特性。2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。3. 掌握基本型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输 入输出电压信号之间的相位关系。4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性， 共模抑制比。会计算 Avd Rd、Ric、Rod、Roc、Kcmr。5. 熟悉运放的主要技术指标及集成运算放大电路的

2、一般电路 结构。学习重点：掌握集成运放的基本电路的分析方法学习难点：集成运放内部电路的分析 集成电路简介集成电路是在一小块 P型硅晶片衬底上，制成多个晶 体管（或FET）、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。集成电路在结构上的特点：1. 采用直接耦合方式。2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象，采用了温度补偿的手段-输入级是差放电路。3. 大量采用BJT或FET构成恒流源，代替大阻值R ,或 用于设置静态电流。4. 采用复合管接法以改进单管性能。集成电路分为数字和模拟两大部分。返回第二节集成运算放大器中的恒流源一、基本镜象电流源0畑图d.l电路如图6.1所示。Ti,T2参数完全相同，即B 1

3、=2,1 CEO=I CE02,从电路中可知VbE=VbE2, I E1=I E2 , I C1=I C2当B2时,式中Ir=Iref称为基准电流，由上式可以看出，当R确定后，I R就确定，I C2也随之而定，我们把I C2看作是I R的镜像， 所以称图6.1为镜像恒流源。改进电路一:图6.2图6.2是带有缓冲级的基本镜象电流源 ，它是针对基本 镜象电流源缺点进行的改进，两者不同之处在于增加了三极管T3,其目的是减少三极管 Ti、T2的I b对Ir的分流作用， 提 高镜象精度，减少 B值不够大带来的影响。=冬1 + 2仏血 + 1）其中R丿玄改进电路二：图6-3图6.3是带有发射极电阻的镜象电

4、流源，其中Re1=Ft2 ,两管的输入仍有对称性，所以-J 如丁= B1tfl冷E F若此电路Fel不等于 艮2,贝U I C2与（艮1、艮2）的比值成比例， 因此，此电流源又称为比例电流源。二、微电流源图6A电路如图6.4所示，当I R一定时，I C2可确定为:可见，利用两管基-射电压差Vbe可以控制I 0。由于Vbe的数 值小，用阻值不大的 艮2即可得微小的工作电流-微电流源。例:电路如图6.5所示，若二=10 则：嵐=261nl0 用E 6.5已知：BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。三、电流源的主要应用-有源负载前面曾提到，增大R可以提高共射放大电路的电压增益。 但是，Rc不

5、能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太 高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替RC，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小。因而不致于减小输出 幅度呢？自然地，我们可以考虑晶体管恒流源。由于电流源 具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广 泛地把它作负载使用-有源负载，如图6.6所示。QVtcJ图6.6第三节差分式放大电路 基本概念：F;线性放大器ffl 6.7图6.7表示一个线性放大器，它有两个输入端，分别接V。在电路完全对称的理想有信号Vil和Vi2 ；输出端的信号为 情况下，输出信号电压可表示为式中Avd是差分放大

6、器的差模电压增益。可见电路的两个输入端所共有的任何信号对输出电压都不会有影响。但在一 般情况下，实际的输出电压不仅取决于两个输入信号的差模 信号Vid，而且还与两个输入信号的共模信号Vic有关，它们分别是唏=勺1 一帀苗2当用差模信号和共模信号表示两个输入信号时，有在差模信号和共模信号同时存在时，对于线性放大器而 言，可以利用叠加原理来求出总的输出电压，即叫=+AVic式中 0时，i cl增大，使i el也增大，Ve增大。由于T2的b极通过接地，则 VBE2=0-V e= -V e，所以有VBE2减小,i c2也减小。整个过程，在单 端输入Vi的作用下，两个BJT的电流为i ci增大,i C2

7、减少。所 以单端输入时，差分放大的、T2仍然工作在差分状态。单端输入与双端输入是一致的。小结:只要是双端出，不管是单入还是双入，其Avd、R、R.都是一样的血燈g 噜A = 2匕&皿Rd也是只要是单端出，不管是单入还是双入，其Avd R、一样的。(3)共模电压增益双端输出的A/co因为Vii =Vi2，此时变化量相等，即Vci=Vc2,因止匕仏+咖2A/c也实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样， 很小，放大电路的抑制共模能力还是很强的。单端输出的A/c对于共模信号，因为两边电流同时增大或同时减小 .因此 在e极处得到的是两倍的i eo Ve=2i eFt,这相当于每个BJT的 发射极分别

8、接2艮电阻，如图6.11所示。（这里的Re就是恒流 源交流等效电阻）因此有 = 1=2 =遅A尬 % 氐斗（1 +历2临2r0（4 ）共模抑制比&MRKcmr是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。定义为：字 或 岛虻肌字汹Ac出呛A/D越大,Avc越小.则共模抑制能力越强，放大器的性能越优良, 所以KcmR越大越好。理想情况下：双端输出的Kcm=b单端输出的共模抑制比为：Ar叫2% 邑双端输出电路的总输出电压:单端输出电路的总输出电压:例1 :集成运放BG305的输入级如图6.12所示，各BJT的B 1= B 2=30, B 3= B 4= B 5= B 6=50, 各 BJT 的 VbE

9、=0.7V , R）=100K, 艮=50K, Rf10K（滑动端调至中点），艮=1K, R即第二级的R 为 23.2K o求：（1）该放大级的静态工点；（2）差动放大倍数Avd；（3）差动输入电阻R，差动输电阻Roo解耳十隔禺十氐 1001鼻 +馆=辭=0 + 04 了心= 1氐冬4 *切（& 4 05阳 =15-0.15（50+5） 6.75K 切1 =厶s =越于二科 三菁三导=3jUA-1 *- = 0.1/1 = 100?az4A 30解（2）差动放大倍数A/DT 1瓦=0.7 ji = G =孑网知200 十(1 十饶)= 200+ (1 + 30)- 269ZQ3x10 33x1

10、0仏-g - 200 + (1+ 50)p - 1KQ中屜十 3/Vi疗 269 +31x9.1551卩怒队仪-30x50-1500Rl = R + 0.5|0 5 =(50 + 5)|0.5 23.2-9 6血150296551 *-26解（3）差动输入、出电阻 R、Ro& =込劝）也= 2x(269+31x9 1)1 1MQ& 2& +心=2x0 + 10 = 110 返回第四节集成电路运算放大器 模拟集成电路的分类模拟集成电路按功能大致可分为：线性放大器、功率放大器、比较器、乘法器、稳压器、（D/A、A/D）转换器、锁相环器件等。其中线性放大器按性能可分为通用型和专用型。线性放大器中，发

11、展最早、应用最广的是集成运算放大电路。 图6.13 示出部分运放的实物图。*rl1、集成运放的基本组成框图和符号（如图6.14所示）6.13、简单集成电路运算放大器厲t电時142、一个简单的集成运放（如图6.15所示）4-v +mvEZEL（1）直流分析：当片I十厂对，5=0L B i ASFn-如） &论1 = %厂N _ &尽_兀忍职二兀X* 鸟厶凤* %c 4（鸟丰瓦）放大电路总增益的计算九-加吃临略知鬆 %念/I十例张十甘0）坨 *=13.4毎.汝“邑垒一如一空2百 嗨切耳2砌 島电=鸟/鬲=禺论十（0）區怜+ 3砂= 5.1/f20800 5.1Q貝厂如 如 如-129x（-2.6）

12、x1- -335返回第五节集成电路运算放大器的主要参数1、输入失调电压Vio(1-10)诂2、输入偏置电流I IB4 （Sf + 4#耳匕。3、输入失调电流I io1讪_0.闵图6 164、温度漂移AE/Ar(10-20)/C3应几个刚5、 最大差摸输入电压Vidmax6、 最大共摸输入电压Vcmax7、最大输出电流 I Omax&开环电压增益A/o运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增益201k4po/1B/了 e 1*4 MHeL囚T皿Ln-r-.L &- 丄 -此 a a io 15*7a ic3他图6 179、开环带宽BWV( fH)10、单位增益带宽 BWV( fT)11、转换速率

13、&返回第六节 场效应管（FET）简介 一、结型场效应管（一） JFET的结构和特点1、结构G图613场效应管的结构如图 6.18所示，它是在一块N型半导体 的两边利用杂质扩散出高浓度的P型区域，用P+表示，形成两个P+N结。N型半导体的两端引出两个电极，分别称为漏极D和源极So把两边的P区引出电极并连在一起称为 栅极G 如果在漏、源极间加上正向电压，N区中的多子（也就是电子）可以导电。它们从源极 S出发，流向漏极D。电流方向N型的，故D/w A |袒先断轨迹毛 0-8r JZI区 5)=叱一吃mV胪由D指向S,称为漏极电流Id.。由于导电沟道是 称为N沟道结型场效应管。2、特点V GS 0,

14、R很咼; 电压控制器件; 单极性器件；3、N沟道JFET的输出特性相应的I D0.6048 10 121620 WV图6 19在VgS=0时，沟道电阻最小，I d达到最大。当Vg 0时，耗尽层变大，沟道电阻变大， 下降。因此形成图6.19所示的特性曲线。4. JFET与BJT的特点比较 (1)场效应管是电压控制器件:通过Vgs控制i D。从输出特性看，各条不同输出特性曲线的参变量是 乂8在恒流区，i D与Vds基本无关。并通过跨导 gm=i D V gS Vds描述场效应管的放大作用。而晶体管是通过i b控制i c。参变量是i b。放大区，i c与Vce基本无关。通过电 流放大系数B = C

15、i b描述放大作用。(2) i G=0O所以，直流、交流 R都很高。而晶体管b极和e极 处于正偏状态，be间R较小：几千欧。(3) 场效应管利用的是一种极性的多子导电(单极型器件)， 具有噪声小，受外界 T及辐射的影响小等特点(温度稳定性 好)。(4) 由于场效应管对称，有时 D-S极可互换使用。各项性能基本不受影响。应用时较方便、灵活。但若制造时已将S和衬底连在一起，则 D-S不能互换。(5) 场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成，且所占面积小，集成度高。(6) M0S场效应管R高，G极的感应电荷不易泄放。SiO2层薄，G极与衬底间等效电容很小，感应电荷少量即可形成高电压，将S02击穿而

16、损坏管。存放管子时，应将G-S短接，避免G极悬空。焊接时，烙铁外壳应接地良好，防止因烙铁漏电而 击穿管子。(7) 场效应管的应用场效应管在恒流区内工作时，当GS电压变化AV gs时，D极电流相应变化d。若将d通过较大的R_,从R_上取出 的厶Vo=4dR_，可能比AV gs大许多倍，即AV gs得到了放大。 所以场效应管和晶体管一样在电路中可起放大的作用。FEIBJT电压控制器件 gm=i d/ V gS电流控制器件 B =) c/ VSDi B IV CE输入端PN结反偏，iG=0，R 很大输入端PN结正偏，i bZ 0, r be 较小单极型器件，一种载流子：噪 声小，温度稳疋性好双极型器

17、件，两种种载流子： 噪声较大，温度稳疋性较差结构对称，D-S极可以互换结构非对称，C-E极不能互换可以作为性能较好的压控电 阻器线性效果差场效应管的制造工艺简单具 有对称性，有利于大规模集 成，且所占面积小，集成度咼三极管的结构非对称，制造工 艺较场效应管复杂，集成度不 够咼。、MOS型场效应管邃极占 栅极g 灑供HIj耗尽盘 p里磺衬麻&疔衬底引线增强型耗尽型ffl (5,20JFET的输入电阻可达107欧姆，但就本质而言，这是 PN结的反向电阻，而反向偏置时总有反向电流存在，这就限制了在某些工作条件下对阻值的更高要求。同时，从制造工艺 看，把它高度集成化还比较复杂。绝缘栅型场效应管由金属-氧化物-半导体场效应管 制成，称为 Metal-Oxide-Semiconductor ，简称为 MOSFET 这种场效应管的栅极被绝缘层（例如S2）隔离，因此R更高，可达109欧姆以上。MOSf与JFET的不同之处在于它们的导电机构和电流控制原理不同。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制Id，OSFET则是利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。MOSf分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型 和耗尽型：增强型：当VgfO,无导电沟道,1 D= 0耗尽型：当VgfO,有导电沟道,1片0返回