第七章 模拟集成电路及其应用电路

模拟集成电路及其应用电路
7.1.2 集成运放的电压传输特性和等效模型
一、电压传输特性
U+ UuO uO
+
图 4.1.2
Aod
U+-u-
集成运放的符号和电压传输特性
集成运放的两个输入端分别为同相输入端u+和反向输入端u-。
电压传输特性
uo f (u u )
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集成运放的工作区域 线性区域：
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第七章
模拟集成电路及其应用电路
模拟集成电路及其应用电路
7.1
Байду номын сангаас
集成运算放大器概述
集成电路简称 IC (Integrated Circuit),是一种将 “管”和“路”紧密结合的器件，以半导体材料为底 片，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元 件及其他们之间的连线组成的完整电路制作在一起， 使之具有特定的功能。
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等效电阻 为无穷大
R2 VEE U BEQ R R2 I 2 I B3，I E3 1 R3
近似为 恒流
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7.3 集成运算放大器的线性应用
集成运放工作在线性区时主要用于实现各种信 号的比例、求和、积分微分等运算； 还包括有源滤波、信号检测和采样保持等。
集成电路按 其功能分
数字集成电路 模拟集成电路 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/数转换器等。
模拟集成 电路类型
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集成电路的外形
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世界上的第一个半导体二极管
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集成电路的内部结构示意图
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集成电路设计的实际版图
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2009年中国集成电路应用领域分布图
汽车电子
电池管理系统
模拟集成电路及其应用电路 驱动控制系统
汽车电子
充电系统
安全报警系统
汽车照明、电 动转向、空调 、音响、雨刷 、电动门窗 …….
机
机械 机
电
电
电 子
I EQ VEE U BEQ 2Re
I BQ
I EQ 1
，U CEQ VCC I CQ Rc U BEQ
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2. 抑制共模信号
共模信号：数值相等、极性相同的 输入信号，即
uI1 uI2 uIc
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2
7.3.1 比例运算电路
1. 反相比例运算电路
iN=iP=0， uN=uP=0－－虚地 +
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_
uI 在节点N： iF iR R
uO iF Rf Rf uI R
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2. 同相比例运算电路
u N uP uI Rf uO (1 ) uN R Rf uO (1 ) uI R
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汽车电子
• 电源： • 发动机控制：点火装置、燃油喷射控制、 发动机电子控制… • 行驶控制：车速控制、间歇刮水、防雾 装置、车门紧锁… • 报警与安全装置：安全带、车灯未关报 警、速度报警、安全气囊… • 旅居性：空调控制、动力窗控制
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• 仪表：里程表、数字式速度表、出租车 用仪表… • 娱乐通讯：收音机、汽车电话、业余电 台…. • 未来汽车发展的方向是什么呢？
RL ( Rc ∥ ) 2 Ad Rb rbe
Ri 2( Rb rbe ) ，Ro 2Rc
uId iB 2( Rb rbe ) RL uOd iC 2( Rc ∥ ) 2
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4. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
集成运放的线性工作区
uO＝Aod(uP－ uN)
无源网络 电路特征：引入电压负反馈。 因为uO为有限值， Aod＝∞， 所以 uN－uP＝0，即 uN＝uP…………虚短路
因为rid＝∞，所以 iN＝iP＝0………虚断路
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集成运放在线性区的应用需要研究的问题 （1）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输 入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、 开方、积分、微分、对数、指数等。 （2）描述方法：运算关系式 uO＝f (uI) （3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发 点。
uI1 uI2 uId / 2
iB1 iB2 iC1 iC2 uC1 uC2 uO 2uC1
△iE1=－△ iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。
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差模信号作用时的动态分析
为什么？ 差模放大倍数
uOd Ad uId
uO uC1 uC2 (uCQ1 uC1 ) (uCQ2 uC2 ) 0
uOc 共模放大倍数 Ac ，参数理想对称时 Ac 0 uIc
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2. 抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用
uOc 共模放大倍数 Ac uIc 参数理想对称时 Ac 0
输出电压与其两个输入端的 电压之间存在线性放大关系， 即
uO
+UOM
U+-u-UOM
u O Aod (u u )
Aod为差模开环放大倍数，值很大
非线性区域：
输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM
UOM为输出电压的饱和电压。
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二、集成运放的线性区等效模型
＋
性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑 制比很高，误差小。（F5037）
2.低功耗型
性能特点： 静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量 级(不超过毫瓦级)，要求电压很低， 有较高的开环差模增益和共模抑制比。 （TLC2552）
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3.高阻型
性能特点： 通常利用场效应管组成差分输入级，输 入电阻高达 1012 。 高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持 电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些 信号源内阻很高的电路中。（F3130）
I IO I B 1 I B 2
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
4、输入偏置电流 IIB
定义： 输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的 平均值。 1 I IB ( I B1 I B2 ) 2
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5、最大差模输入电压 UIdm
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。
共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号 的能力和抑制共模信号的能力。
K CMR Ad Ac
在参数理想对称的情况 下， K CMR 。
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四、具有恒流源的差分放大电路
为什么要采用电流源？
Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的Auc 越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，Re 越大，VEE越大，以 至于Re太大就不合理了。 需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。 解决方法：采用电流源！
信号特点？ 能否放大？
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二、长尾式差分放大电路的组成特点
典型 电路
信号特 点？
在理想对称的情况下： 1. 克服零点漂移； 2. 零输入零输出。
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三、长尾式差分放大电路的分析
1. Q点：令uI1= uI2=0
I BQ1 I BQ 2 I BQ I CQ1 I CQ 2 I CQ I EQ1 I EQ2 I EQ U CQ1 U CQ 2 U CQ uO U CQ1 U CQ 2 0
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集成运放的特点如下：
（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采 用差分放大电路和电流源电路。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂 并不增加制作工序。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制 作的大电阻。 （4）开环增益大。 （5）可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、能耗低。
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同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器
uO uN uP uI
7.3.2 加减运算电路
1. 反相加法运算电路
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方法一：节点电流法
u N uP 0 iF iR1 iR 2 iR 3 uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
＋
ro Aud uid
＋
uid
-
rid
-
uo
-
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7.1.3 集成运放的理想化模型
开环电压放大倍数（增益）：Aud 差模输入电阻：rid
输出电阻：r0 0
共模抑制比： KCMR
＋
＋
ro
＋
uid -
Aud uid -
uo -
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7.1.4 常用集成运放及其主要参数
2、输入失调电压 UIO
单位：分贝
理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。 一般运放：UIO 为 1 ~ 10 mV； 高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。
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3、输入失调电流 IIO
定义： 当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流 之差，即
VEE I BQ Rb1 U BEQ 2 I EQ Re 因为Rb小，且I BQ 很小，所以 VEE U BEQ 2 Re
Rb是必要的吗？
I EQ
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晶体管输入回路方程：
VEE I BQ Rb1 U BEQ 2I EQ Re
通常，Rb较小，且IBQ很小，故
4.高速型
性能特点： 大信号工作状态下具有优良的频率特性， 转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至 高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。
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常用在A / D 和 D / A 转换器、有源滤波 器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和 精度比较器等电路中。（F3554）
一、分类 （一）、按工作原理分类 1.电压放大型F007、F324 2.电流放大型LM3900、F1900 （二）、按可控性分类 1.可变增益运放 2.选通运放
3.跨导型LM3080、F3080
4.互阻型AD8009、AD8011
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（三）、按性能指标分类 分通用型和特殊型两类，特殊型在某一方面功能 特别突出，如下所述： 1.高精度型
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集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。 采用电流源电路。 输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求输入电阻 大，差模放大倍数大， 共模放大倍数小，静态电流小。 中间级：主放大器，多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求输出电阻 小，最大不失真输出电压尽可能大。
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这是纽约的曼哈顿么？
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7.1.1
集成运放放大器的组成及特点
集成运算放大器，简称集成运放，是一个高性能的直接 耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
两个 输入端
一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为 一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
6、最大共模输入电压 UIcm
输入端所能承受的最大共模电压。
7.2 差分放大电路 一、 典型差分放大电路
零点 漂移
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零输入 零输出
若V与UC的 变化一样， 则输出电压 就没有漂移
参数理想对称： Rb1= Rb2，Rc1= Rc2， Re1= Re2; T1、T2在任何温 度下特性均相同。
5.高压型
性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高， 功耗大。
6.大功率型
性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电 流，负载上可得到较大的输出功率。
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二、主要参数 1、开环差模电压增益 Aod
一般用对数表示，定义为
ΔU O Aod 20 lg Δ(U U )
对于每一边 电路，Re=?
Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号
如 T(℃)↑→IC1↑ IC2 ↑→UE↑→ IB1 ↓IB2 ↓→ IC1 ↓ IC2 ↓ 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。
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3. 放大差模信号
差模信号：数值相等，极性相反 的输入信号，即