第八章：集成运放放大电路课件.ppt

第8章集成运算放大电路,8.1集成运算放大电路简介,8.3集成运放中的电流源,8.4集成运放的主要技术指标和 集成运放的种类,8.2差分放大电路,8.5集成运放的使用注意事项,第8章集成运算放大电路8.1集成运算放大电路简介8.3,8.1集成运算放大电路简介,集成运算放大电路Integrated Operational Amplifier,简称集成运放,8.1.1 集成运放的电路特点：,很难制作大电容和大电感，所以集成运放电路多 采用直接耦合方式。(2)单个元件的精度不高，易受温度影响，但相邻元件 的性能参数比较一致，对称性好，所以集成运放中 大量采用差分放大电路和恒流源电路。(3)尽可能用有源器件代替无源器件，利用晶体管代替 较大的电阻。制作不同形式的集成电路只是掩模不同，所以集成 运放允许采用复杂的电路形式。,8.1集成运算放大电路简介集成运算放大电路Integra,8.1.2集成运放的方框图,实质上是一个具有高增益的直接耦合多级放大电路。,图 8-1集成运算的基本框图,uP,uN,uO,8.1.2集成运放的方框图实质上是一个具有高增益的直接,集成运放各组成部分的作用,输入级提供与输出同相和反相的两个输入端，并具有较高的输入电阻和抑制干扰及零点漂移的能力，因而采用差分放大电路。中间放大级是运放的主放大器，其主要作用是提供较高的电压放大倍数，通常由二、三级直接耦合的共射极放大电路组成。另外，中间放大级还具有将双端输出转换为单端输出的作用。输出级应具有输出电压线性范围宽、带负载能力强、非线性失真小等特点，一般采用互补对称放大电路。偏置电路的主要作用是为各级放大电路提供稳定合适的静态工作电流，集成运放的偏置电路一般由各种恒流源组成。,集成运放各组成部分的作用输入级提供与输出同相和反相的两个输入,8.2 差分放大电路,差分放大电路（Differential Amplifier）又称差动放大电路，简称差放，是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。它具有温漂小、便于集成等特点，常用作集成运算放大器的输入级。,8.2 差分放大电路 差分放大电路（Differe,8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象,零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时，会出现输出端的直流电位缓慢变化的现象，称为零点漂移，简称零漂。,图8-2 零点漂移现象的测试电路,8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 零点漂移现象及其,产生零点漂移的因素,电源电压波动、器件参数的改变、温度的变化等都可以产生零点漂移。其中温度的变化是产生零点漂移的主要原因。因此零点漂移又被称为温度漂移，简称温漂。在阻容耦合放大电路中，缓慢变化的零漂电压被电容等隔直元件阻隔，不会被逐级放大，因此影响不大；在直接耦合放大电路中，各级的零漂电压被后级电路逐级放大，以至影响到整个电路的工作，显然第一级的零漂影响最为严重。电源电压的波动可以通过采用高精度的稳压电源来解决；电阻、电容等元件可选用高质量的产品；半导体三极管参数受温度的影响产生的零漂是主要的因素。,产生零点漂移的因素 电源电压波动、器件参数的改变、温度的变化,2.抑制零点漂移的方法,（1）选用高稳定性的元器件；（2）元器件要经过老化处理再使用，以确保参数的稳定性；（3）采用稳定性高的稳压电源，减少电源电压波动的影响；（4）采用温度补偿电路，利用热敏元件来抵消放大管的变化；（5）在电路中引入直流负反馈；（6）采用差分放大电路，这是目前应用最广的电路，它常用作集成运放的输入级。,2.抑制零点漂移的方法（1）选用高稳定性的元器件；,图8-2 温度补偿电路,图8-2 温度补偿电路,8.2.2 基本差分放大电路,即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb,图8-4 基本差分放大电路,8.2.2 基本差分放大电路一.结构:对称性结构即：1=,1.差动放大电路一般有两个输入端：双端输入从两输入端同时加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号。,2.差动放大电路可以有两个输出端。双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对地输出。,几个基本概念,9/24/2022,1.差动放大电路一般有两个输入端：2.差动放大电路可,3.差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,3.差模信号与共模信号差模信号：共模信号：差模电压增益,抑制零漂的原理:,Uo=UC1-UC2=0,当ui1=ui2=0 时，,当温度变化时：,UC1=UC2,设T ic1,ic2 uc1,uc2 uo=uc1-uc2=0,抑制零漂的原理:Uo=UC1-UC2=0当ui1,1、差模输入-两个输入端的信号电压大小相等而极性相反，即ui1=-ui2，ui1=1/2*ui，ui2=-1/2*ui,ui1-ui2=ui,由于电路结构对称，故Au1=Au2=A,uo1=Au1ui1=Aui1=1/2*Aui,uo2=Au2ui2=Aui2=-1/2*Aui,uo=uo1-uo2=1/2Aui-(-1/2Aui)=Aui,对输入信号的作用,图8-5 差模输入的基本差分放大电路,1、差模输入-两个输入端的信号电压大小相等而极性相反，即u,用两个晶体管组成的差动放大电路对差模信号的电压放大倍数（称差模放大倍数Ad）与单管放大电路的电压放大倍数相同。实际上这种电路是牺牲一个管子的放大作用来换取对零点漂移的抑制。,图8-5 差模输入的基本差分放大电路,用两个晶体管组成的差动放大电路对差模信号的图8-5 差模输入,2、共模输入-两个输入信号大小相等且极性也相同，即ui1=ui2=uic,图8-6 共模输入的基本差分放大电路,共模电压放大倍数：,由于电路结构对称，两管集电极电位的变化量相等且极性相同，因而双端输出电压uoc=0,2、共模输入-两个输入信号大小相等且极性也相同，图8-6,1、温度对电路的影响相当于在电路输入端加入共模信号，因此差分放大电路对温度的影响有很强的抑制能力。2、在理想情况下，差分放大电路双端输出时共模电压放大倍数Ac等于零，即差分放大电路对共模信号无放大作用。如果电路的对称性不好，则在输出端会有输出电压，使共模电压放大倍数不为零，即uo0，Ac0。,1、温度对电路的影响相当于在电路输入端加入,共模抑制比,为了综合考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，引入了一个指标参数共模抑制比KCMR，差分放大电路的差模电压放大倍数Ad越大，共模电压放大倍数Ac越小，抑制温漂能力就越强。在电路参数理想对称情况下，KCMR=。,共模抑制比 为了综合考察差分放大电路对差模信号的放大能,3、任意输入信号：,当ui1=ui2=uic时，输入信号即为共模信号；当ui1ui2时，输入了差模信号的同时，还可能输入了共模信号。uo1=Adui1，uo2=Adui2uo=uo1-uo2=Ad(ui1-ui2）可见，输出电压与输入电压之差成正比,图8-4 基本差分放大电路,3、任意输入信号：当ui1=ui2=uic时，输入信号即为共,长尾式差分放大电路,1、在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，也就是说电阻Re对差模信号相当于短路。2、为了便于调节工作点，使电源和信号源能够“共地”，可将原接地端改为负电源-VEE,长尾式差分放大电路 1、在差模信号作用下Re中的电流变化为零,长尾式差分放大电路的基本工作原理,1.静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V,长尾式差分放大电路的基本工作原理 1.静态工,(1)加入差模信号,ui1=-ui2=uid/2，,2.电路的动态分析,所以，Re对差模信号相当于短路。,若ui1,ui2 ib1,ib2 ie1,ie2 IRe不变 UE不变,uic=0。,(1)加入差模信号 ui1=-ui2=uid/2，2.电,图8-8 差分放大电路加差模信号,图8-8 差分放大电路加差模信号,求差模电压放大倍数：,因为ui1=-ui2,设ui1,ui2 uo1,uo2。电路对称uo1=uo2 uo=uo1 uo2=2 uo1,差模电压放大倍数,求差模电压放大倍数：因为ui1=-ui2设ui1,差模输入电阻,输出电阻,思考：如果输出端接负载电阻RL，则以上求得的参数如何变化？,差模输入电阻输出电阻思考：如果输出端接负载电阻RL，,差模电压放大倍数,差模输入电阻:,输出电阻:,差模电压放大倍数 差模输入电阻:输出电阻:,(2)加入共模信号,ui1=ui2=uic，uid=0。,设ui1，ui2 uo1，uo2。因ui1=ui2，uo1=uo2 uo=0(理想化)。,共模电压放大倍数,(2)加入共模信号 ui1=ui2=uic，设ui1，,8.2.3 具有恒流源的差分放大电路,8.2.3 具有恒流源的差分放大电路,根据共模抑制比公式：,加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re。,等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。,恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。,恒流源的作用,根据共模抑制比公式：加大Re，可以提高共,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态：,恒流源等效电阻：,带恒流源的差动放大电路的计算：静态工作点：动态：,8.2.4 差分放大电路的四种接法,差分放大器共有四种接法:1.双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）3.单端输入、双端输出（单入双出）4.单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,8.2.4 差分放大电路的四种接法 差分放大器共有四,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,1.双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数（2）共模电压放,2.双端输入单端输出,（1）静态时输出端的直流电位不为零。,（2）输出信号只从一管的集电极取出，所以电压放大倍数仅为双端输出电路的一半。,（3）电路的零漂和共模抑制比KCMR指标要低于双端输出电路。,2.双端输入单端输出（1）静态时输出端的直流电位不为零。,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,这种方式适用(1)差模电压放大倍数（2）差,（4）共模电压放大倍数,ui1=ui2=uic，,设ui1，ui2 ie1，ie1。iRe（=2 ie1）,画出共模等效电路,（4）共模电压放大倍数 ui1=ui2=uic，设u,图 8-11 双端输入单端输出电路对共模信号的等效电路,图 8-11 双端输入单端输出电路对共模信号的等效电路,求共模电压放大倍数：,求共模电压放大倍数：,3.单端输入双端输出,图8-12 单端输入双端输出电路,3.单端输入双端输出图8-12 单端输入双端输出电路,单端输入等效双端输入:因为Re从T2发射极看进去的等效电阻，故 Re 可视为开路，于是有,ui1=ui2=ui/2,计算同双端输入双端输出：,单端输入等效双端输入:ui1=ui2=u,4.单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从uo2 输出为正号。,计算同双入单出：,4.单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差分放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(1)差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时，双端输出时，,(4)输出电阻,(3)差模输入电阻 不论是单端输入还,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：,(5)共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要,例8.1 电路如图8-8（a）所示，已知Rb=1 k，Rc=10 k，Re=5.3 k，VCC=12 V，VEE=6 V，晶体管的=100，rbe=2 k。（1）求晶体管发射极静态电流IEQ和静态管压降UCEQ；（2）计算Ad、Ri和Ro；（3）将负载电阻RL=5.1 k接于输出端，计算（2）中各参数。,解:(1),(2),例8.1 电路如图8-8（a）所示，已知Rb=1 k，R,（3）由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，相当于接地，所以RL被分成相等的两部分，分别接在T1管和T2管的c-e之间，其差模等效电路如图8-14所示。,图8-14带负载的差模等效电路,（3）由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，图8-14,例8.2 图8-15所示电路中，已知VCC=VEE=9 V，Rc=10 k，Rb=Rw=100，I=1.2 mA，Rw的滑动端位于中点，晶体管=50，rbe=2.5 k，求：（1）静态工作电流；（2）差模电压放大倍数Ad。解：（1）电路为恒流源差分放大电路，晶体管射极电流之和为 I=1.2 mA，故IEQ=ICQ=I/2=0.6 mA，IBQ=IEQ/(1+)12 A,例8.2 图8-15所示电路中，已知VCC=VEE=9,（2）Rw的中点在差模信号作用下相当于接地，等效电路如图8-15（b）所示，从图中可求得差模电压放大倍数,图8-15,（2）Rw的中点在差模信号作用下相当于接地，等效电路如图8-,8.3 集成运放中的电流源,电流源电路不仅能输出比较稳定的电流，而且具有较大的交流等效电阻，在集成电路中常常用它给放大电路提供偏置电流或作为有源负载。,在集成运算放大电路中，根据对称性的设计特点，常用的集成电流源有如下几种形式：1、基本电流源电路 镜像电流源,比例电流源,微电流源 2、多路电流源 3、改进型电流源,8.3 集成运放中的电流源 电流源电路不仅能输出比较稳定的电,1、镜像电流源,基准电流,所以,当满足 2 时，则,图 8-16,由于输出恒流IC1和基准电流IR基本相等，它们之间如同是镜像的关系，所以这种恒流源电路称为镜像电流源。优点：结构简单，具有一定的温度补偿作用。,8.3.1 基本电流源电路,1、镜像电流源基准电流所以当满足 2 时，则图,2、比例电流源,由图可得,UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1,由于由于晶体管特性完全对称，UBE1=UBE0，=0，所以,由此可得,两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。,图 8-17比例电流源,2、比例电流源由图可得UBE0+IE0Re0=UBE,3、微电流源,在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。,引入Re使 UBE1 UBE0，且 IC1 IC0，即在 Re 值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流 IC1。,图 8-17 微电流源,3、微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻 R,当 1时，,这是一个超越方程，不可能解出IC1，但对于微电流源电路的设计是有用的。在实际应用中常常采用图解法或试凑法解出电流IC1。,当 1时，这是一个超越方程，不可能解出IC1，但对于微,实际设计电路时，在IR和要求的IC1的数值给定时，可以选择Re，即就可以得到要求的电流IC1。,实际设计电路时，在IR和要求的IC1的数值给定时，可以选择R,8.3.2 多路电流源,由于集成运放是多级放大电路，需要给多个放大管提供偏置电流和有源负载，因此常用到多路电流源。多路电流源是用同一个基准电流，同时产生几路输出电流的电流源电路。,图8-19 基于比例电流源的多路电流源,8.3.2 多路电流源 由于集成运放是图8-1,当IR确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不同比例的输出电流。,图8-19 基于比例电流源的多路电流源,当IR确定后，改变各电流源射极电阻，图8-19 基于比例电流,8.3.3 改进型电流源,1.加射极输出器的电流源,所以，,8.3.3 改进型电流源 1.加射极输出器的电流源 所以,2、威尔逊电流源,图8-21 威尔逊电流源,2、威尔逊电流源 图8-21 威尔逊电流源,8.3.4 以恒流源作为有源负载的差分放大电路,T1、T2是放大管，T3、T4 构成镜像电流源作为T1、T2 集电极的等效负载电阻Rc。设电路两边的参数完全对称，对于差模信号来说，T1、T2集电极电流 大小相等且方向相反，即iC1=-iC2。若忽略T3、T4的基极电流，则iC3=iC1=iC4，io=iC4-iC2=iC1-(-iC1)=2iC1，可见，输出电流是单端输出的两倍，负载上得到如同双端输出的电流。对于共模信号，输出电流为零。可见，用镜像电流源作差分放大电路的有源集电极负载电阻，可以使单端输出具有与双端输出相同的差模放大倍数及共模抑制比。,图8-22 有源负载共射放大电路,8.3.4 以恒流源作为有源负载的差分放大电路 T1、T2,8.4 集成运放的主要技术指标和集成运放的种类,集成运算放大器的符号,一、开环差模电压增益 Aod,一般用对数表示，定义为,单位：分贝,Aod是决定运放精度的重要因素。理想情况 Aod 为无穷大；实际情况 Aod 为 100 140 dB。,8.4.1 集成运放的主要技术指标,8.4 集成运放的主要技术指标和集成运放的种类 集成运算,二、输入失调电压 UIO,三、输入失调电压温漂 UIO,定义：,为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。要求愈小愈好。,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V 以下；,表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。,二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂 UIO 定义,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,用以描述差分对管输入电流的不对称情况。,代表输入失调电流的温度系数。,四、输入失调电流 IIO五、输入失调电流温漂 IIO,六、输入偏置电流 IIB,七、差模输入电阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，一般用对数表示，即,衡量集成运放抑制温漂的能力，其值越大越好。多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标。,衡量集成运放向信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,六、输入偏置电流 IIB七、差模输入电阻 rid八、共模抑制,九、最大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。超过此值，集成运放的共模抑制性能将显著恶化。集成运放工作不正常,失去差模放大能力。,十、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。超过此值，输入级差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。,十一、-3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,九、最大共模输入电压 UIcm 输入端所能承受,十二、单位增益带宽 BWG,Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1。衡量增益带宽积的大小。,十三、转换速率 SR,额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V/s。描述集成运放对大幅度信号的适应能力。,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。,其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。,十二、单位增益带宽 BWGAod 降至 0 dB 时的,8.4.2 集成运放的种类,按性能指标分类 分为通用型和专用型两大类 2.按运放供电电源分类(1)双电源集成运放。(2)单电源集成运放。3.按运放制作工艺分类（1）双极型集成运放。（2）单极型集成运放。（3）双极-单极兼容型集成运放。,8.4.2 集成运放的种类 按性能指标分类,