6集成运算放大电路.ppt
模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic,第六章 集成运算放大电路,第六章 集成运算放大电路,6.1 多级放大电路,6.2 集成运算放大电路简介,6.6 集成运放原理电路,6.7 集成运放的主要性能指标,6.3 差分放大电路,6.4 功率放大电路,6.5 集成运放中的电流源电路,6.1 多级放大电路,一、多级放大电路的耦合方式,二、多级放大电路的动态分析,三、多级放大电路的频率响应,一、多级放大电路的耦合方式,Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。,1.阻容耦合,为满足性能的多方面要求，需采用多级放大电路。,2.直接耦合,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，Q点相互影响，存在零点漂移现象。,当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。,直接连接,求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,3.变压器耦合,理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,从变压器原边看到的等效电阻,Q点相互独立，能够实现阻抗变换。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。,二、动态参数分析,1.电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,对电压放大电路的要求：Ri大，Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,2.分析举例,三、多级放大电路的频率响应,1.讨论：一个两级放大电路每一级（已考虑了它们的相互影响）的幅频特性均如图所示。,0.643fH1,fL fL1，fH fH1，频带变窄！,2.多级放大电路的频率响应与各级的关系,对于n级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为fL、fH，则,由于,求解使增益下降3dB的频率，经修正，可得,1.1为修正系数,讨论一 失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路,共射放大电路,共射放大电路,饱和失真？截止失真？,首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。,比较Uom1和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。,在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。,讨论二：放大电路的选用,按下列要求组成两级放大电路：Ri12k，Au 的数值3000；Ri 10M，Au的数值300；Ri100200k，Au的数值150；Ri 10M，Au的数值10，Ro100。,共射、共射；共源、共射；共集、共射；共源、共集。,注意级联时两级的相互影响！,讨论三已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问题：,1.该放大电路为几级放大电路?2.耦合方式?3.在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移？4.在 f 105Hz 时，附加相移？5.画出相频特性曲线；6.fH？,讨论四：电路如图所示,1.若所有的电容容量都相同，则下限频率等于多少？2.信号频率为0时电压放大倍数的表达式？,若电容值均相等，则e 1、2,信号频率为0时电压放大倍数的表达式,6.2 集成运放电路简介,一、集成运放电路的特点,二、集成运放的方框图,一、集成运放的特点,（1）集成电路中不能制作大电容，故采用直接耦合方式。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（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）集成运放相邻元件参数具有很好的一致性，故可构成较理想的差分放大电路和电流源电路。（5）采用复合管。,集成运算放大电路，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。,二、集成运放电路的方框图,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。,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，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Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,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。,几代产品中输入级的变化最大！,6.3,6.4,6.5,6.3 差分放大电路,一、零点漂移现象及其产生的原因,二、基本差分放大电路,三、具有恒流源的差分放大电路,四、差分放大电路的四种接法,五、差分放大电路的改进,一、零点漂移现象及其产生的原因,1.什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,2.产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。,克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路,二、基本差分放大电路,在理想对称的情况下：1.克服零点漂移；2.零输入零输出；3.抑制共模信号；4.放大差模信号。动态参数：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR,1.电路组成:对称性,Rb1=Rb2Rc1=Rc2在任何温度下T1和T2的特性和参数均完全相同。,2.Q点分析,晶体管输入回路方程：,通常，Rb较小，且IBQ很小，故,选合适的VEE和Re就可得合适的Q,3.抑制共模信号,共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即,3.抑制共模信号：Re的共模负反馈作用,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,对于每一边电路，Re=?,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。,4.放大差模信号,iE1=iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。,差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即,在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。,三、差分放大电路的四种接法,1.双端输入单端输出,由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1 UCEQ2。,（1）Q点分析,差模输入电阻,输出电阻,（2）双端输入单端输出的动态分析,（3）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,求共模电压放大倍数：,2.单端输入双端输出,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,2.单端输入双端输出,问题讨论：（1）UOQ产生的原因？（2）如何减小共模输出电压？,测试:,静态时的值,(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：,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：,3.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下,(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,(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：,四、具有恒流源的差分放大电路,Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的Ac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，设置合适的IEQ，并得到得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源取代Re！,具有恒流源差分放大电路的组成,等效电阻为无穷大,近似为恒流,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,恒流源等效电阻：,A,B,五、差分放大电路的改进,1.加调零电位器 RW,2.场效应管差分放大电路,若uI1=10mV，uI2=5mV，则uId=？uIc=？,uId=5mV，uIc=7.5mV,讨论一,讨论二,1、uI=10mV，则uId=?uIc=?2、若Ad=102、KCMR103用直流表测uO，uO=?,uO=Ad uId+Ac uIc+UCQ1,=?,=?,=?,uId=10mV，uIc=5mV,6.4 功率放大电路,一、概述,二、OCL电路,三、其它类型的功率放大电路,一、概述,1.功率放大电路研究的问题,（1）性能指标：输出功率和效率。若已知Uom，则可得Pom。,最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。（2）分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。（3）晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM。称为工作在尽限状态。,2.对功率放大电路的要求,（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态,（1）输出功率尽可能大:即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。（2）效率尽可能高:即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。,3.晶体管的工作方式,甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。,甲乙类：介于甲类和乙类之间，导通角大于180小于 360。,乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内导通。,互补输出级是直接耦合的功率放大电路。对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。,二、OCL电路,符合要求吗？,1.输出级的要求,2.基本电路,静态时T1、T2均截止，UB=UE=0,(1)特征：T1、T2特性理想对称。,(2)静态分析,T1的输入特性,T1、T2两个管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随，在负载上得到完整的正弦波。,（3）动态分析,ui正半周，电流通路为+VCCT1RL地，uo=ui,ui负半周，电流通路为 地 RL T2-VCC，uo=ui,死区电压,4.交越失真,开启电压,信号在零附近两只管子均截止,消除失真的方法：设置合适的静态工作点。,静态时T1、T2处于临界导通状态，有信号时至少有一只导通；偏置电路对动态性能影响要小。,5.消除交越失真的互补输出级,6.复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,7.准互补输出级,为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。,然后求出电源的平均功率，,效率,在已知RL的情况下，先求出Uom，则,8.OCL电路输出功率和效率的分析计算,求解输出功率和效率的方法：,最大不失真输出功率Pomax,(1)输出功率,大功率管的UCES常为23V。,(2)效率,在半个周期内提供的平均电流为：,两个电源提供的总功率为：,最高效率max,（3）管耗PT,一个管子的管耗：,(4)三极管的最大管耗,问：Uom=？PT1最大,PT1max=？,在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。,(4)晶体管的极限参数,因此，选择晶体管时，其极限参数:,例6.4.1,解：,（1）,（2）,1、变压器耦合乙类推挽功率放大电路,三、其它类型集成功率放大电路,OTL:Output TransformerLess,2.OTL 电路,单电源供电、零输入时零输出，最大不失真输出电压峰-峰值接近电源电压。,输入电压的正半周：VCCT1CRL地 C 充电。,输入电压的负半周：C 的“”T2地RL C“”C 放电。,C 足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。,OCL:Output CapacitorLess,3.OCL 电路,4.BTL 电路,输入电压的正半周：VCC T1 RL T4地,输入电压的负半周：VCC T2 RL T3地,是双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。管子多，损耗大，使效率低。,单电源供电、零输入时零输出、最大不失真输出电压峰值比OTL电路更大，低频特性好。,OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。,5.几种功率放大电路的比较,应当注意：以上最大输出功率和效率的分析仅从功率放大电路自身角度考虑，而在实用电路中功放总是多级放大电路的末级电路，因而最大输出功率还与前级电路是否能够提供足够大信号有关。,变压器耦合乙类推挽：单电源供电，能够输出特大功率，笨重，效率低，低频特性差。,6.5 集成运放中的电流源,一、镜像电流源,二、微电流源,三、多路电流源,四、有源负载,一、镜像电流源,T0 和 T1 特性完全相同。,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,基准电流,二、微电流源,要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。,超越方程,三、多路电流源,三、多路电流源,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,根据所需静态电流，来确定集电结面积。,根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。,四、有源负载,1.用于共射放大电路,2.用于差分放大电路,电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？静态时iO约为多少？动态时iO约为多少？,使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。,静态：,动态：,4.3 集成运放的电路分析,一、读图方法,二、原理电路的分析,三、集成运放的性能指标,一、读图方法,（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。,已知电路图，分析其原理和功能、性能。,二、原理电路的分析,若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。,微电流源,按信号流通顺序分析放大电路部分,双端输入、单端输出差分放大电路,以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路,用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级,三、集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0UIO的温漂d UIO/dT()几V/0输入失调电流 IIO(IB1-IB2)20nA 0IIO的温漂d IIO/dT()几nA/0 最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S,使uO为0在输入端所加的补偿电压,超过此值不能正常放大差模信号,超过此值输入级放大管击穿,讨论一,1.输入级采用什么措施增大放大倍数？2.中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3.如何消除交越失真？4.uI1、uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？,有源负载,有源负载,反相输入端,同相输入端,超管,讨论二根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。已知现有集成运放的类型是：通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高压型 大功率型 高精度型,（1）作低频放大器，应选用。（2）作宽频带放大器，应选用。（3）作幅值为1V以下微弱信号的测量放大器，应选用。（4）作内阻为100k信号源的放大器，应选用。（5）负载需5A电流驱动的放大器，应选用。（6）要求输出电压幅值为80V的放大器，应选用。（7）宇航仪器中所用的放大器，应选用。,
