模拟电子技术基础第三章课件.ppt

1、 集成电路的特点 多级放大电路的分析 差分放大电路的分析和计算模拟集成电路一般是由一块厚约0.20.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。它上面可以做出包含有几十个或者更多的BJT或FET、电阻和连接电路。和分立元件相比，模拟集成电路有如下几个方面的特点：（1）电路结构与元件参数具有对称性。（2）电阻和电容值不易做太大，电路结构上采用直接耦合方式。（3）为克服直接耦合的零点漂移，常采用差分放大电路。（4）采用半导体三极管（或者场效应管）来代替电阻、电容和二极管等元件。1三极管电流源由三极管构成的电流源如图（a）所示。当UCC、Rb1、Rb2、Re确定后，基极电位固定，在一定范围内I

2、C基本恒定。CCb2b1b2BURRRU2镜像电流源 镜像电流源如图所示，设T1、T2的参数完全相同，则IE1IE2，IC1IC2，当三极管的较大时，基极电流IB可以忽略。则IC2IC1IREF2IBIREF RUUBECC RUCC3微电流源在上图的电路中的T2加上一个发射极电阻，就可以构成集成电路中常用的一种微电流源，如图所示。e2BEe2BE2BE1E2C2RURUUII3.2.1 级间耦合方式3.2.2 多级放大电路的基本性能指标分析 常见的耦合方式有三种，即阻容耦合、直接耦合和变压耦合。不管采用何种耦合方式，都必须保证：前级的输出信号能顺利传递到后一级的输入端；各级放大器都有合适的静

3、态工作点。多级放大电路内部各级间的连接方式称为放大器级间耦合方式。1阻容耦合阻容耦合 信号源US经耦合电容Cb1与第一级的输入电阻Ri1联系起来，经第一级放大后的信号又经耦合电容Cb2与第二级的输入电阻Ri2联系起来，信号是通过电阻和电容的连接进行传递的，这种方式为阻容耦合方式。2变压器耦合变压器耦合 变压器Tr1将第一级的输出信号传送给第二级，Tr2将第二级的输出信号传送给负载。两级放大器均为共射组态，实现信号的放大。3直接耦合直接耦合 为了避免耦合电容或耦合变压器对缓慢变化信号带来的不良影响，可以把前级的输出端直接或通过电阻接到下级的输入端，这种连接方式称为直接耦合。直接耦合存在的问题：（

4、1）级间直流电位匹配问题 在直接耦合电路中，前后级之间直接连接，造成各级静态工作点互相影响。即前级的静态输出电压便是后级的偏置电压，该电压的大小既要保证前级晶体管的Q点合适，又要给后级提供合适的偏置电流。常采用提高后级的射极电位的方法，实现级间电位匹配，使两级工作点都满足要求。（2）零点漂移问题 如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但是，实际输出电压将随时间变化而偏离初始值作缓慢的随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。为了抑制零漂，常用的措施有：引入直流负反馈稳定静态工作点，减小零点漂移。利用温敏元件补偿放大管的零漂。采用差分放大电路作为输入级

5、。3.2.2 多级放大电路的基本性能指标分析1电压放大倍数 在多级放大电路中，由于各级之间是互相串联起来的，前一级的输出就是后一级的输入，所以，多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。2输入电阻和输出电阻 一般来说，多级放大电路的输入电阻Ri就是第一级放大电路的输入电阻，而多级放大电路的输出电阻Ro就是末级放大电路的输出电阻。多级放大电路的第一级常称为输入级，多级放大电路的最后一级又称为输出级。因此，在考虑输入级和输出级的电路形式和参数时，常常需要考虑实际工作对输入电阻和输出电阻的要求，而把放大倍数放在次要地位，至于放大倍数可主要由中间各放大级来提供。例3.2.1 共射-共集两

6、级阻容耦合放大电路 如图。1.求各级的静态工作点;50210.7VUBE200rrbb2bb1+)12(VUcc F10+-+-C1suF10I51C31T2TF10ouk1+-C2F471BIk51A2R1R4Rk115Rk1.5k150k3.3k1.5O3R6R7RLR2.求电路的输入电阻和输出电阻；3.试分别计算接在第一级输出端和第二级输出端时，电路的电压放大倍数。解：（1）各级静态工作点彼此独立，可分级计算。第一级：2VV51111112RRRUU212CCB11.24mA0.051)K(10.7)V(2RRUUI54BEB1E1E1C1IIA8.42501.24mAIIC1B14.3

7、7V1)k0.0511.24mA(5.112V)RR(RIUU543CCCCE1第二级：0.035mA3.3)K51(1500.7)V(12)R(1RUUI726BECCB21.75mAIIIB2E2C16.23V3.3)V1.75(12RIUU7E2CCCE2(2)电路的输入电阻和输出电阻1.27k12691.242651200(mA)I26(mV)(1200rE11be1前一级的输出电阻是后一级的信号源内阻，即 0.96k957.71.752651200(mA)I26(mV)(1200rE22be22.66k)R(1r/RRR41be121is23o1RRR0.11k51(150/5.1)

8、0.963.3/1)/R(Rr/RR236be27o输入电阻输出电阻接在第一级的输出端A、O点之间时(3)分别计算接在第一级输出端和第二级输出端时电路的电压放大倍数。32.950.051)K51(1.27K(5.1/5.1)50)R(1r)/R(RAA4L3U1Ube1负载改接在第二级输出端时 U2U1UAAA61.11k(3.3/5.1)510.96150/)/R)(R(1r/RRL7be26i2电压放大倍数 这种共射-共集电路具有输出阻抗小，带负载能力强的优点。0.99)k(3.3/5.1)51(0.94k(3.3/5.1)51)/R)(R(1r)/R)(R(1AL7be2L7U260.8

9、20.051)k51(1.271)k(5.1/61.150)R(1r)/R(RA4be1i23U160.210.9960.82AAAU2U1U电压放大倍数为3.3.1差分放大电路的基本概念 3.3.2 基本差分式放大电路3.3.3其他接法的差分放大电路.差模输入信号和共模输入信号 差分式放大电路就其功能来说，就是放大两个输入信号之差。由于它在电路和性能方面的许多优点，使得它成为当今模拟集成运算放大器的主要组成单元。在电路理想的情况下，输出信号电压可以表示为uoAUD（ui1ui2）AUDuid 通常称差模信号是两个输入信号之差，共模信号是两个输入信号的算术平均值；分别表示为uidui1ui2u

10、ic（ui1ui2）/2共模抑制比对于差分放大电路来说，其放大有用的差模信号和抑制有害的共模信号的能力越强，即AUD 越大，AUC 越小，它的性能越好。因此，通常用一个综合指标共模抑制比KCMR来衡量差动放大器的性能，它定义为KCMR UCUDAA3.3.2 基本差分式放大电路1电路组成右图所示是一个基本的差分放大电路，它由两个特性相同的T1和T2组成对称电路，电路参数也对称，即外接电阻大小相等，各元件温度特性相同。由于此电路有两个输入端和两个输出端，故称为双端输入双端输出电路。2静态分析当输入信号电压为零时，即ui1ui20，则基极电位为零。IE IC eBERU2UEEUCC（-UEE）I

11、CRC+2IERe+UCE UCE)2R(RIUUeCCEECC3抑制零点漂移的原理 静态时，ui1ui20，即uid=0，由于电路完全对称，UC1UC2，所以，uo=0，实现了零输出。当电源电压波动或者环境温度发生改变时，两管的集电极电流和集电极电压将同时发生同样的改变。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性，在理想的情况下，输出电压仍然保持不变，从而抑制了零点漂移。4主要技术指标的计算（1）差模信号电压放大倍数 电路的交流通路如图所示。当从两个管子的集电极做双端输出时，由分析可知，其差模电压放大倍数与单管的电压放大倍数相同：AUDAUD1 beCi1o1i2i1orRuu

12、uuu 如果电压输出取自其中的一个三极管的集电极，则称为单端输出，此时由于只取一个管子的集电极的电压变化量，电压放大倍数只有一个管子时候的一半，即 AUD1AUD=beC2rRRi2rbe Ro=RC 输入电阻和输出电阻由差模信号时微变等效电路可以求得 Ri2rbe Ro=2RC 当输入信号只从一个输入端接入，而另外的输入端接地，这种输入方式称为单端输入。Re支路相当于开路，输入信号ui1近似均匀的分布在两个管子的输入回路上，两个管子的be结上的信号分量大小一致，变化方向刚好相反，单端输入时电路的工作状态与双端输入时一致。（2）共模信号 若输入信号为共模信号，即ui1ui2uic，称为共模信号

13、输入，由于两管的电流的变化方向一致，对电阻Re而言，相当于每个管子发射极上面接了2Re的电阻，双端输出时，由于电路对称，uouc1uc20，电压放大倍数为 0uuAicoUC（3）共模抑制比KCMR 在双端输出时，共模电压放大倍数，所以KCMR是一个无穷大的数值，在单端输出时，可以得到：KCMR=beeUC1UD1rRAA 在单端输出的情况下，电压放大倍数为两个管子的任何一个集电极输出与输入的共模信号比，即ebeCicoc1UC1)2R(1rRuuA3.3.3 其他接法的差分放大电路 上节中的长尾式差分放大电路，Re越大，对共模抑制的能力越强，但同时发射极电位-UEE也要增大，这在集成电路中不

14、易实现；为了克服这种困难，可以采用一个电流源来代替Re。即可以有效的抑制零点漂移，提高共模抑制比，同时发射极又不要求过高的负电压，因此在集成电路中广为采用。3.4.1.简单的集成电路运算放大器3.4.2 CMOS型集成运算放大器简介3.4.3 集成运放的主要参数 集成电路运算放大器具有高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻等优点，是一种性能良好的的多级直接耦合放大电路。大多数的集成运放都由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。CMOS型集成运放采用N沟道与P沟道互补的场效应管。可以根据系统对运放的要求，有针对性地设计电路结构。因此，这种电路结构相对较简单，电路形式也灵活多样。具有线性特性

15、好、功耗低，电源适用范围宽等优点。CMOS型集成运放的一个原理电路 3.4.3 集成运放的主要参数 在集成运算放大器的手册上，给出了几十种参数。大体上可分为五类：输入失调参数，开环差模特性参数，开环共模特性参数，大信号特性参数，电源特性参数。1输入偏置电流IIB 集成运放的两个输入端一般必须有一定的直流电流IBN和IBP才能工作。通常定义输入偏置电流为2BPBNIBIII2输入失调电压UI0 理想的集成运放，当输入电压为零时输出电压也为零。但实际上它的差动输入级很难做到完全对称，一般在uI=0时，uo0。我们设想在uI=0时，在输入端人为地外加一电压UIO，可使uo=0。3输入失调电流IIO

16、这是反映运放两输入端输入电流不对称程度的参数，以IIO=|IBP-IBN|表示。4开环放大倍数Auo和带宽BW 5最大差模输入电压UIDmax6差模输入电阻rid7共模抑制比KCMR8转换速率SR 转换速率也叫电压摆率，是表征运放在时域中的大信号特性，反映运放输出对于高速变化的输入信号的响应情况。9温度漂移 温度漂移是造成运算放大器静态工作点不稳定的重要因素。实际上，UIO和IIO都是随温度变化的，因此，常要研究其温度系数。3.5.1 专用集成运放简介3.5.2 集成运放的选择及使用1低输入失调电压型 无信号时，运算放大器正、负输入端之间产生的电压称为失调电压，在理想状态下应为零。2高精度、低

17、漂移型 这种类型的运放，在电路结构上除采用低噪声差分输入级外，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻，或者在电路加入自动控温系统电路以减小温度漂移。3高速型 高速型运放是指输出端能对输入端信号的变化做出快速反应，一般通过转换速率来描述其性能，4低功耗型 通常运算放大器的静态功耗在50mW以上。如果在电源电压15V时，最大功耗低于6mW；或是工作在低电源电压（如1.54V）时，具有较低的静态功耗并能保持良好的电气性能，这类运放为低功耗型运放。5高压型 普通运放的工作电压为V，而工作电压在V以上的运算放大器为高电压型，这种运放的动态范围较宽。6低输入偏流型 运算放大器的输入偏流为零时是理想情况。7

18、可编程序型 对这种类型的运算放大器，通过调整控制端电流Iset，使输入电压、输入偏置电流和静态功耗等参数达到给定的值。如LM4250等。8 单电源型 在正、负两电源下工作的运算放大器为普通的运算放大器，而只用单电源工作的运算放大器为单电源型，通常它自0V起也能放大信号。1运放的选择 当采用集成运放设计电子电路时，应该首先理解设计说明书和产品说明书介绍的运算放大器的参数的含义，了解其参数是否满足电路的要求，然后对电路作必要的修改，找出所选运放的外部接线图进行连接。若有相同类型的集成运放，应选择失调电压小、调零效果好、补偿电容小、输出幅度合适又不产生失真的运放，同时还要考虑信号源的性质、负载的性质

19、、环境条件影响等其他因素。2运放使用注意事项(1)运放的调零 调零的作用是实现运放零输入-零输出的要求，运放调零有两种方法，一种是通过运放本身的调零端子外加调零电位器调零；另一种是通过给运放的输入端加偏移电压调零。(2)自激的消除 自激振荡是运放工作时产生的一种现象，如果电路出现自激现象，应该判断是哪种原因造成的，尽量增加地线的面积，在运放供电脚附近，一般是在附近增加高频退耦电容，采用高频屏蔽等方法消除自激，减小干扰。(3)运放的保护 运放在实验、调试中容易出现电源极性接反、电源电压过高或输出端短路等现象，将造成运放的损坏。因此在使用运放时。可以加一保护电路，如图所示。3运放的简单测试 在维修

20、工作中，可以使用万用表或者集成运放参数测试仪对集成运放进行简单的测试，以确定质量的好坏。方法如下：（1）用万用表的电阻档测量集成运放各引脚对负电源端及对正电源端的正、反向电阻，将测得的阻值与同型号的质量良好的运放进行比较，若比较接近，则说明运放正常；若阻值差别很大，则说明运放损坏。使用万用表时候注意量程。（2）将集成运放接成电压跟随器形式，如图所示，将万用表置于直流电压档。当电位器RP滑动点至UCC时，输出电压为最大值，接近于UCC，再将RP滑动点至地端，输出电压为最小值，接近于零，表明运放性能良好，否则说明运放已经损坏。1集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高放大倍数的直接耦合多级放大电路。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。2电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。3多级放大电路常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。它的放大倍数等于各级的放大倍数的乘积。4差分式放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。5集成运算放大器是模拟集成电路的典型组件，其类型多种多样。对于它内部电路的分析和工作原理只要求作定性的了解，目的在于掌握它的主要技术指标，做到根据电路系统的要求，正确地选择元器件。