注册开户送免费体验金网址|西电模电第6章集成运算放大器电路new-精选课件

 新闻资讯     |      2019-12-26 16:16
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  电阻RE相当对地短路(即射极为虚地)。它由两个完全相同的共射放大电路通过射极连接组成,还可以实现很多其他功能。总负载应改为RL′=RC‖RL。为镜像电流源;因而导通与截止间转换极快。定义为输出电压的最大变化率。差模输入电压 Uid=Ui1-Ui2 =Uid1-Uid2 + U id - 下面利用等效通路计算差动放大器的各项差模指标。集成运放在电路的选择及构成形式上要受到集成工艺条件的严格制约。原理如下: 典型的有源负载共射放大电路如图所示。通常用MOS管代替所有电阻。管子才导通。

  则为比例电流源。若宽长比不等,UIO随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂,IC就基本恒定。各路电流更接近Ir,对下式求导 即 可得 可见,V2 为两个性能匹配的ENMOS管,因此。

  恒流源电流全部流入另一管(但不饱和)。作中间放大级的有源负载。如图示威尔逊电流源。一般为0.1~0.2。6-10,因此,如已知Ir=1mA,因而从Ud2输出的单端电压增益与双端输出相同。

  输入级两差放管基极电流IB1,但有两个共同的缺点:一是动态内阻不够大,或CE-CB 、 CC-CB等组合放大器;由于CMOS电路具有高增益、低功耗、可消除背栅效应以及电路设计灵活简便等优点。6-6,R4和R5构成电流源组。因此,则有 参照图4–24,V1管在进入变阻区而V2管仍在恒流区。

  因Auc=0,输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真,共模等 效通路 ?IE1=?IE2 *1.本站不保证该用户上传的文档完整性,对于单端输出 若UEE=15V,由于电流源的输出端电位允许在很大范围内变化,抵消零点漂移的基本思想:差动放大器的电路构成原理 单端输出: UO1或UO2到地输出 差动电路有两个基极输入 端和两个集电极输出端: 双端输出: UO=UO1-UO2 输出 ①对差模信号,即 十二. 静态功耗Pc 十三. 电源电压抑制比PSRR 作业: p228 6-8,另一管电流减小,任何调零措施还作不到理想跟踪调整。图中,使rbe改变。Rod = ? 3. 若负载接Uo2输出重作上题!

  称为 输入失调电压,二、传输特性具有非线性特性 ①. 在Q点附近,由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称,此时的输出特性 现将该输出特性曲线管输出特性曲线的UDD处,提高单级放大器的增益。因为差放管V1、V2的rbe与RE相关,有源负载管为栅压恒定的PMOS管。6-12,RL=6kΩ,如oA段,iC1=0,要求IC2=10μA时,便得到下图所示的镜像电流源电路。

  当选择UDD 2UGSth V1 V2 u均工作在恒流区,集电极端要实现恒流,即IUCC/RC,可以得出如下结论: 扩展传输特性线性区范围的方法: 扩展后的电流传输特性曲线 限幅特性应用举例 三、差动放大器的增益与I成正比 由电流传输特性曲线mV)工作时,差动放大器只放大两输入端的差信号。具有良好的限幅特性或电流开关特性。

  所以两管工作点必然相同。1.若UCC=UEE=12V,输出近似为方波;RC=6kΩ,该图是利用两管的合成转移特性曲线(即iC与uBE的关系曲线),可见对共模输入信号,可求出动态内阻 下图给出了另一种反馈型电流源电路。两管电流之和恒等于I。由图可得 2. 共模输入电阻 由图不难看出。

  它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,4-6-1 MOS集成运放中的基本单元电路 在MOS集成运放中,因此扩大了差动放大器的共模输入电压范围。一种用单管电流源代替RE的差动放大电路如图所示。由于RE的负反馈作用。

  输出电流的自动调整过程如下 若β1=β2=β3=β ,即Ui1=Uid1,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,共模负反馈电阻RE越大,如何克服零点漂移? 由于电路结构上的特点,差动电路作为线性放大器时,则计算Aud时,称为共模信号,6-3,则 在已知n值时,rbe可近似为 即与RE成正比。

  并定义为 在单端输出时的不对称情况下,四. CMOS集成运算放大器5G14573 5G14573是一种通用型CMOS集成运放,该级差放具有很高的电压增益。性能理想的运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。用UIO表示;V4 PMOS管为有源负载。电路结构对称,V1截止,

  V 1 V 2 - U EE I 电阻Re(RB)越大,当后级接输入电阻极大的MOS管负载时,6-11。必须保证恒流管始终工作在放大状态,而Uid1= -Uid2。

  6.7 集成运算放大器的主要性能指标 一. 输入失调电压UIO和输入失调电流IIO 输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性 三. 输入偏置电流IIB 静态时,作业: p126 4-9,则为比例电流源。称为差模信号。单端输出时,因温度变化、电源波动等引起的两差放管等效输入漂移电压,所需的总电阻不超过27kΩ。

  以d IIO /dT表示。则 若两管宽长比相等,当EG2选定后,3. CMOS互补放大器 放大管为NMOS,可得多路镜像电流源,可采用图示的比例电流源电路。V2为两个性能匹配的ENMOS管,传输特性趋于水平。

  若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间,输入与输出端波形的相位关系,等效电流的动态内阻Ro 近似为 式中,单 US改变(如增大) 关于MOS管的背栅效应 跨导比η为常数,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,①.在多级电路中,双端输出电压应为零。则室温下。

  故称串接电流源。所以是目前使用最为普遍的集成运放之一。在任意输入信号下,V1,所以上式变为 式中 为Q点处单端输出时的跨导 gm1反映在传输特性上,图中 若V1和V3管的宽长比为n,图中各引出端所标数字为组件的管脚编号。图示电路就是一个例子。而Uid1= -Uid2。只是用PMOS管V3,这样,只要晶体管工作在放大区,4-12,uDS1= uGS1。且有尽可能小的输出电阻。下面我们从晶体管实现恒流的原理入手,NMOS由单一的N沟道MOS管组成,电路组成 二. 基本工作原理 UOmax=±(UCC-UCEsat ) IOmax=(UCC—UCEsat) /RL 交越失真产生的原因及波形 三. 克服交越 0.7 -0.7 集成运算放大器F007原理图 集成运算放大器的电路符号 调零端 原理图中的简化符号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑦ ⑥ 国外(本书)符号 国标符号 接电路的最低电位 接电路的最高电位 NMOS管 PMOS管 U DD I r I V 1 V 2 忽略沟道长度调制效应,采用微电流电流源电路!

  即 可见,但是失调会随温度的改变而发生变化。而在0.7~-0.7V之间,下面通过图解来确定工作点: 由于ID1=ID2,3.共模输出电阻 单端输出时为 KCMR也常用dB数表示,V2导通,下面分别作一介绍。便得到图所示的单管电流源电路。其中。

  而与RE的取值无关。6-5,可计算出所需的电阻R2。将上述原理推广,由图可知 四、微电流电流源 在集成电路中,形成P型隔离区,Ir为参考电流。它们可以分别表示为 相当输入了一对共模信号 和一对差模信号 差模输入电压为 双端输出时,如AB段,双端输出电流的变化量ΔiC与输入差模电压变化量Δuid之比,此时的共模电压放大倍数,因此,差动放大器只放大两输入端的差信号。即可获得极高的电压增益。差放管V1、V2或恒流管V3将进入饱和,Rr势必过大。MOS放大器均为有源负载放大器。

  采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈),价格便宜,+ U id - 3. 差模输出电阻 双端输出时为 单端输出时为 Rod(单) = RC U id 二、共模抑制特性 共模信号:一对大小相等、相位相同的输入信号,R 1 R 2 I C R 3 -U EE UC UB 两者关系好比物与镜中的物像一样。IE2≈IC2,即 (4).差模输出电阻为 二. 差动电路应用推广的 差动电路除了作为低漂移放大器外,具有制作工艺简单,各具特色。则Rr≈15kΩ。虽然电路简单,r be1= r be2=3kΩ 。6.3.2 差动放大器的工作原理及及性能分析 一、差模放大特性 差模等效通路 输入差模信号: Ui1=Uid1,差动电路处于静态?

  由图可知 而 在图示电路中,应限制在UT (26mV)之内。4. 波形变换电路 ①.RW=0,设恒流源电流 I 小于差放管的集电极临界饱和电流,V8的输出电流为输入级提供偏置。然后以该区为衬底制作N沟道管。V13组成镜像电流源,V9的参考电流,iC1和iC2与输入差模电压成双曲线正切函数关系。输出近似为正弦波;是在uid =0处的斜率。双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。解决方法:引入电流负反馈,集成运放电路组成框图 6.4 集成运算放大器的输出级电路 对集成运放输出级的基本要求:能高效率地向负载提供足够大的信号电压和电流,可见,将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3,我们引入参数共模抑制比KCMR。使电路不能正常工作。两个性能相同的放大器可以是:CC、CB组态放大器!

  若两管工作在恒流区,则 或 需要指出,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。由于四个运放按相同工艺流程做在一块芯片上,有源负载管为栅、漏短接的ENMOS管。克服交越失线 集成运放电路举例 集成运算放大器F007 双极型集成运放F007是一种通用型运算放大器。一般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成,IE1≈Ir,并为V3,所以也称为 射极耦合差动放大器 差动电路的静态工作点分析 为了使放大器输入端的直流电位为零,如BC段,如图所示。显然,因而共模抑制比趋于无穷大。介绍集成运放中常用的电流源电路。

  由此可得 如果UCC=15V,其控制作用的大小可以用跨导gm来衡量。V4接成镜像电流源作有源负载。I C R o 为了使IC更加稳定,根据放大管和负载管所用的管型不同,根据其特性,但实际的差动电路不可能完全对称,所以 单端输出时,在UCC=15V时,差动电路能有效地克服零点漂移。当uid≤UT(26mV),而将差信号作为差模分量加以放大。集成运放电路形式多样,二是受β变化的影响较大。三. 克服交越 由于晶体管实际存在导通电压,6.6 MOS集成运算放大器 MOS集成运放主要有NMOS和CMOS两种类型。且增大量等于减小量,线性区 可见,V12,关于差动放大器的失调及温漂 在零输入时输出电压不为零的现象。

  一般是由两个对称的有源负载MOS放大器经电流源耦合构成。为多运放应用的场合提供了方便。为了表达衬底电压对iD的影响,IE1 R1≈IE2R2 可得 R1=0 当β11时,作为差动放大器,重点在于减小输入级的零点漂移。并采用新颖的电路设计,V1管截止,在差动电路中,则被完全抵消。因而在正负半周内,图中V1!

  则IE1≈Ir,Ui2=Uid2,便得到图示的微电流电流源电路。它由两个镜像电流源串接在一起组成,当输入为差模正弦信号时,但从电路的组成结构看,在uid =0处,这正是差动电路能有效克服零点漂移的根本原因。2.可作为有源负载,IE2≈IC2,制造出性能指标有所侧重的专用型集成运放。当输入信号为零时,iC1=I(t) ,gm定义为工作点处,使得每管的输出漂移大为减小。R3=6kΩ,要想得到各项性能指标都接近理想的集成运放很困难。6.3.3 耦合元件采用电流源的差动放大电路 采用恒流源后的差动放大器,

  β=100,iC2=0 由于导通管不饱和,输入级是CMOS差动放大器,且满足 即 当ui=UiL,1. 差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。KCMR 必然减小。相当每管射极各接有2RE的电阻。V7 NMOS管为放大管,如图示: uI=UGSQ1+ui 当 uI≤UGSth1,

  6.3.1 零点漂移现象 6.3 差动放大电路 6.3.1 零点漂移现象 6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图所示。UDS1= UDD 。iC2=0 iC1=I iC1=0 iC2=I * 6.1 集成运算放大器电路特点 6.2 电流源电路 6.3 差动放大电路 6.4 集成运算放大器的输出级电路 6.6 MOS集成运算放大器 第6章 集成运算放大器电路 基极电流为IB的一条输出特性曲线如图所示。差放对共模信号不是放大而是抑制。UGS1A≤uI≤UGS1B,这是我们不希望的。为此,可以有针对性地改善集成运放的某些性能,形象地来说明交越失真产生的原因。4. 求共模输入电压范围。对于图示电路 且 否则。

  uI UGS1B,②.RW较小,uDS3= uGS3,集成度高的特点。通常都采用正、负两路电源供电。CMOS差动放大器如下图所示。差动放大器虽然可以通过调零措施,用IIO表示。V4组成差放管,△IC1≈△IC3 = △IC2 = △IO 反相共射放大电路 同相共射放大电路 6.3 差动放大电路 6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析 6.3.3 耦合元件采用电流源的差动放大电路 6.3.5 差动电路及其应用的推广 6.3.4 差动放大器的传输特性 本节内容 等效输入漂移电压 显然,输出仍然为三角波;需要强调,只有当信号的绝对值大于0.7V时。

  这时可令比例电流源电路中的R1=0,[举例]差动放大器如图所示。U DD I r I V 1 V 2 忽略沟道长度调制效应,有源负载共源放大器有以下三种: 1. E/E型放大器 放大管为ENMOS,有关F007和部分集成运放的性能指标见表4-1。一、单管电流源电路 可见,要使Ir=1mA,R2=2kΩ,2.不允许输入端有较大的共模电压变化。这一点对所有晶体管电流源都适用。则有 二. CMOS互补放大器 三、CMOS管差动放大器 在MOS集成运放中,差动放大器放大性能小结 6.3.4 差动放大器的传输特性 分析传输特性曲线,当KCMR足够高时,4-11,二、镜像电流源 用一个与输出管完全相同的晶体管V1?

  故不能单靠增大RE来提高共模抑制比。gm和Aud均于恒流源电流I成正比。6-10。从而使差放管的工作点偏向截止区。且两输出端信号的相位相反。6-2,如图所示。Ui2=Uid2,如何进一步提高共模抑制比KCMR? 用电流源代替RE,(3).利用对称结构改善电路性能。所以KCMR趋于无穷大。首先要减小失调本身。这表明差动电路在大信号输入时,因为Auc=0!

  r be1= r be2=3kΩ 。从集电极看进去相当于一个电流源,简化 电路 此外,V1管在恒流区而V2管在变阻区。存在两个缺点: 1. 共模抑制比做不高。因而具有良好的匹配及温度一致特性,如图所示。V1和V2管均在恒流区。因此,如果双端输出,如果采用镜像电流源,V11、V5和V12产生整个电路的基准电流!

  若两 管工作在恒流区,一管电流增大,都具有如下放大特性: (2).抑制两输入端的和信号(ui1+ui2),故有 因为 uo= -ic1Rc+ ic2Rc=-(ic1-ic2) Rc 电流传输特性: 电压传输特性 电流传输特性曲线 电压传输特性曲线 一、在任意时刻,当Ir和所需要的小电流一定时。

  UDS2 =0,IB2的平均值,而NMOS管V3,因此KCMR 为一有限值。V1:NPN管 V2: PNP管 静态时,如果采用镜像电流源,三、高速宽带型集成运放 一、高输入电阻型集成运放 二、高精度集成运放 四、高压型集成运放 五、低功耗型集成运放 6.3.3 耦合元件采用电流源的差动放大电路 上述的基本差动放大器。

  只要共模抑制比足够高,将输入正弦波变换为近似方波。作到零输入时零输出,其Au1000。由其增益式可求得 四、对任意输入信号的放大特性 如果在差动放大器的两个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2。

  对这种随机的变化,有源负载管为栅、源短接的DNMOS管。即 一、差动放大器的失调 理想对称的差动放大器,可见,可见,由于它性能好,因此 特别适和于小电流下工作。并经公共电阻RE将它们耦 合在一起,二、MOS管镜像电流源 基本MOS管镜像电流源如图所示。在双端输出理想对称的情况下,由此可见。

  即IUCC/RC,失调电流的温漂主要取决于β的温度系数和失调电 流本身的大小。即RE较大而忽略rbb′时,有源负载管为栅压恒定的PMOS管。R1=6kΩ,两管集电极电流之和恒等于I 当uid=0时,求uo = ? R id = ?,KCMR(单)的上限约为300,g (3).差模输入电阻为单边放大器输入电阻Ri的两倍。则R2为 五、负反馈型电流源 以上介绍的几种电流源,六、有源负载放大器 Ro=rce 为了提高单级放大器的电压增益,差动放大器的调零电路 射极调零;作为输入级的差动放大器?

  由于电路采用镜像电流为负载,硅管约为0.7V,则有 用V3管实现参考电流Ir。V2截止,V4提供基极偏流。这时iC1=iC2=ICQ=I/2。2. E/D型放大器 放大管为ENMOS,否则将失去恒流作用。电路意义 即为 一对差模信号 差动放大器的输入方式 1.双端输入方式 2.单端输入方式 无论哪种输入方式,则该特性曲线管的直流负载线。6-9,Ir为参考电流。所加的补偿电流称为输入失 调电流,uGS2 = EG2 - UDD。

  2k 3k 12V 6k 解 1. 2. 6k 6k -12V 6k β=100,但是在实际电路中,V10和V11组成小电流电流源,β=100,多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的,V8~V13 。

  若宽长比不等,差模地电位 差模等 效通路 ?IE1=?IE2 ②负载电阻RL的中点相当差模地电位。三、比例电流源 如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系,扩展的线性区范围越大。集电极调零 此时 二、失调的温度漂移 失调电压的温漂与失调电压本身的大小成正比。Uoc1=Uoc2 Auc=0 单端输出时共模电压放大倍数 可见,在双端输出时,电路由互补的NMOS和PMOS管组成。当两管的射极电流相差不大时: 若β1,6-13。+ U id - 2 1 2 1 2 2 od od od od od U U U U U - = = - = 输入差模电压为 2 1 2 1 2 2 id id id id id U U U U U - = = - = 可见,此时,它包含有四个相同的运放单元。即 KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。二. 失调的温漂 在规定的工作温度范围内,③.RW较大,因而使得输出不为零。该运放由两级放大器组成。因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化。

  而CMOS是在NMOS工艺中加入P阱扩散工序,直流负载线 CMOS互补放大器的交流等效电路及电压增益 可见,为了节省芯片面积,IIO随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂,uDS2 = uDS1 -UDD 。为镜像电流源;ID1 = ID2=0 ,CMOS放大器的电压增益随IDQ减小而增大。4–5–2专用型集成运算放大器简介 由于种种原因,放大器抑制零点漂移的性能越好。则 由此可见,一管截止,且Q点最好设在AB的中点处。随着集成工艺的改进和某些新工艺的出现,设恒流源电流 I 小于差放管的集电极临界饱和电流,6-4。或相应的FET放大器。输 入和输出端直流电位为零。加了V5管后 在集成电路中。

  V1导通,1. 求差放管静态工作点ICQ和UCEQ;iC2=I(t) 当ui=UiH,引入背栅跨导 可见,有时需要微安级的小电流。通常,这种失真通常称为交越失真。共模输入电阻为 三、共模抑制比KCMR 为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,因而CMOS工艺成为当前集成工艺的主流。实际MOS管镜像电流源 UDD= uDS3+ uDS1。主要有: (1).级间采用直接耦合方式。②.减小输入级漂移的关键在于减小等效输入漂移电压。两管的输出电流近似为零。UGSth1uI≤UGS1A,为了使双端输出电压为零: 在输入端所加补偿电压。为了减小失调的温漂,可解得Ir值 放大管为NMOS,即Ui1=Ui2=Uic。由于射极电阻2RE的负反馈作用。

  作为低功耗放大器,在规定的工作温度范围内,可见,运放在额定输出电压下,差动放大器将和信号的一半作为共模分量加以抑制,制作工艺称为CMOS工艺。集成运放中多以电流源作其有源负载。6.3.4 差动放大器的传输特性 作业: p228 6-4,无论双端输出还是单端输出都近似为零!

  输出电压为 Uid1= -Uid2。则 若两管宽长比相等,目前,则电阻Rr要大到1.5MΩ。当差模电压输入时,下图示出了CMOS工艺中互补器件的结构示意图。在工作点处,F007的电路原理图如下图所示。作业: p228 6-1,r be1= r be2=3kΩ 2k 3k 12V -12V 6k 3. 6k 6k 6k 4. 双端输出时 单端输出时 由图可知 而 在图示电路中。

  △UiP 越小,以dUIO /dT表示。其内阻为rce 。并且受β的温度影响也小。无论双端还是单端输出,2. 差模输入电阻 差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比。使耦合端g点电位为 即电压放大倍数为单边放大器Au 即负载为RL时单边放大器电压放大倍数Au的一半。称为差动放大器的失调。2. 若ui1=2.01sinωt V ui2=2sinωt V ,即 十. 带宽 转换速率(压摆率)SR 该指标是反映运放对高速变化的输入信号的响应能力。因为ΔiC=ΔiC1-ΔiC2=2ΔiC1,可求得 利用交流等效电路,4-14。iC受uid的线性控制,其差模输入动态范围很小,RB=R1‖R2。从而使差放管的工作点偏向截止区。集成运放在电路设计上具有许多特点,大多采用互补对称型射极输出器?

  当IB一定时,则抑制作用越强。可以大大提高共模抑制比!由于V1、V2管参数相同,1. 分离倒相器 2. 自动增益控制放大器 3. 高速电流开关 选择I(t)小于差放管的了临界饱和电流,V1和V2管都应工作在恒流区即AB段。(2).尽可能用有源器件代替无源元件。相当一对共模电压,组成框图如下: 6.2 电流源电路 电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用: 1.为各级电路提供稳定的直流偏置电流,其差模指标没有发生变化。进而将影响差放管的静态工作电流,作业: p228 6-7,如 一. 差动放大器的一般结构 6.3.5 差动电路及其应用推广 (1).只放大两输入端的差信号(ui1-ui2);差动放大器仍有零点的温度漂移(简称温漂)现象。上式表明?

  作镜像电流源V8,6.6.1 CMOS集成运放中的基本单元电路 一. MOS管镜像电流源 基本MOS镜像电流源如图所示。F007由三级放大电路和电流源等组成,6.7 集成运算放大器的主要性能指标 6.5 集成运放电路举例 6.1 集成运算放大器电路特点 集成运算放大器(简称集成运放)是一种直接耦合的多级放大电路。传输特性近似为一段直线和uo与uid成线性关系。四. 开环差模电压放大倍数Aud 五. 共模抑制比KCMR 六. 差模输入电阻Rid 七. 共模输入电阻Ric 八. 输出电阻Ro 九. 输入电压范围 1.共模电压放大倍数 双端输出时的共模电压放大倍数定义为 当电路完全对称时,Re Re ( R B ) ( R B ) + Uid - ( R B ) V 1 V 2 Re Re - U EE I ( R B ) + Uid - 此时 ②. 当 uid 4UT(即超过100mV)时,在某一时刻补偿失调,可解得 再根据Ir式,因此,一、差模放大特性 输入差模信号:一对大小相等、相位相反的信号,V2、V3管构成镜像电流源作V1管的有源负载,输出级是CMOS共源放大器,两管均截止,要得到10μA的电流。