第3章集成运算放大器000002.ppt
第3章 集成运算放大器,3.1 恒流源电路,3.1.1晶体管恒流源,3.1.2镜像电流源,3.1.3有缘负载放大器,3.2 差动放大电路,3.3.1运算放大器组成,3.3.2互补对称功放电路,3.3.3复合管,3.3 集成运算放大器简介,3.3.4简单运算放大器,5.4 集成运算放大器的类型和型号命名方法,5.4.1集成运算放大器的类型,5.4.2集成运算放大器的型号命名方法,5.5 集成运算放大器的主要性能参数,5.6.1理想运算放大器的主要技术指标,5.6.2理想运算放大器在线性时的特性,5.6.3理想运算放大器在非线性时的特性,5.6 理想运算放大器,本章重点:,1.集成运算放大器的组成,5.理想运算放大器的特性,2.差动放大器的工作原理,3.恒流源电路的工作原理,4.集成运算放大器的类型及参数,本章难点:,差动放大器的各种电路形式和工作参数的分析,本章主要介绍集成运算放大器的基本知识，首先介绍集成运算放大器的基本电路，集成运算放大器的基本组成，在此基础上介绍简单的集成运算放大器电路，以及集成运算放大器的分类，运算放大器的主要参数，最后提出理想运算放大器的概念和特点。,3.1 恒流源电路,恒流源电路为放大电路提供稳定的偏置电流，同时能作为放大电路的负载。本节主要介绍常用的恒流源电路。,3.1.1晶体管恒流源,该电路为具有分压式电压负反馈偏置的共射极电路，三极管处于放大状态，通过三极管输出曲线可知，三极管工作在放大区，其输出曲线近似平行于横轴，即Ib恒定时，Ic近似不变，其集射间的动态电阻rce很大。因此该电路可以作为输出恒定电流的电流源来使用，用如图(b)中的符号所示。如图(c)所示为二极管温度补偿恒流源电路。二极管D与三极管的发射结有相同的温度系数，当温度发生变化时，VD等比同步补偿VBE的变化，使Io更加稳定。,基准电流：,无论T2的负载如何变化，IC2的电流值将保持不变。,因为：,所以：,3.1.2镜像电流源,微电流源,（1）电流小（因为UBE小）。,微电流源的特点：,（2）电流稳定（电流负反馈）,多路电流源,3.1.3有源负载放大器,有源负载放大器是指在集成运算反照中用恒流源代替负载电阻组成有源负载从而形成的放大器。图示为有源负载单管共射放大电路。图中T3是放大管，T2是有源负载，T2与T1组成镜像电流源，作为T3的偏置电路。由于Ic2=I 保持恒定，T2的集电极电阻rce2很大，因此该放大器可取得较高的电压增益。,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,什么是集成运算放大器？,3.2 差动放大电路,直耦放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,若输出有1 V的漂移电压。,则等效输入有100 uV的漂移电压,假设,第一级是关键,3.减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差动放大电路,等效 100 uV,漂移 1 V,3.2 差动放大电路,即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb,差动放大电路又称差分放大电路，它的输出电压与两个输入电压之差成正比。它能较好地克服直接耦合放大器的零点漂移问题，是集成运算放大器的基本组成单元。,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.共模抑制比,2.差模信号和共模信号及电压放大倍数,.恒流源差动放大电路,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：,恒流源差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态：,恒流源等效电阻：,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,4.差动放大器输入、输出方式的接法,（1）双端输入双端输出,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,（2）双端输入单端输出,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,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：,（3）单端输入双端输出,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: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,（4）单端输入单端输出,计算同双入单出：,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。,差动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，只与输出方式有关：,(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,(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：,3.3 集成运算放大器简介,3.3.1运算放大器的组成,静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。,电路中增加 D1、D2,工作原理：,3.3.2互补对称功放电路,增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。,1 2,复合NPN型,3.3.3复合管,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,复合NPN型,复合PNP型,复合NPN型,复合PNP型,.原理电路：,3.3.4简单的运算放大器,2.集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,3.通用型集成运放F007,4.分析：,(1)偏置电路：,T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,(2)输入级：,T1、T2和 T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T5、T6、T7 和R1、R2、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,(3)中间级：,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。,T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,(4)输出级：,(5)相位分析：,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,3.4 集成运算放大器的类型和型号命名方法,3.4.1集成运算放大器的类型,集成运算放大器的种类很多，大致可以分为两类，一类为通用型运算放大器，如F741等；另一类为专用型运算放大器。现简要介绍如下。,通用型,3.4.2集成运算放大器型号命名方法,1.集成电路器件型号命名方式,根据国家标准GB 343082，我国集成电路器件型号由五部分组成。其符号和意义见课本表5-2。,2.集成运算放大器型号举例,这四种型号集成运算放大器的工作温度和封装可通过查课本表5-2得到。,CF0741MT：通用型运算放大器,CF1437CD：通用型双运算放大器,CF0124MJ：通用型单电源四运算放大器,CF7600CP：CMOS高精度运算放大器,3.4 集成运算放大器的主要参数,1.输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,4.输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,8.开环差模电压放大倍数 Aod：无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid：双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB带宽 f H：运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H。,12.转换速率S R(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,3.6 理想运算放大器,3.6.1理想运算放大器的主要技术指标,所谓理想运算放大器就是指集成运算放大器的各项技术指标理想化，这些指标主要有：,Aud=,Rid=,Ro=0,KCMR=,带宽BW,这些指标实际运算放大器是不可能达到的，但在实际分析运算放大器电路时，根据实际情况，采用理想化指标来分析，既可简化分析的过程，得到的结果与实际测量的结果之间误差不大，所以，在实际分析运算放大器电路，很多时候都把运算放大器当成理想运算放大器来分析。,3.6.2理想运算放大器在线性时的特性,理想运算放大器在线性时的特性是指理想运算放大器工作在线性区时显现的一些特点，运算放大器工作在线性区是指其输出电压与两个输入端电压之间存在线性放大关系即,Uo=Aud(U+-U-),式中：Uo表示输出端电压；,U+表示同相端输入电压，即从该端输入信号，输出信号与输入信号相位相同；,U反相输入电压，即从该端输入信号，输出信号与输入信号相位相反。,根据理想运算放大器的Aud，Uo/(U+U-)=Aud，相对一定值的Uo，U+U-0。,即：U+=U。这表明理想运算放大器两个输入端之间的电压近似为零，两端电位近似相等，这与电路中短路的情形类似，但由于在电路结构中，运算放大器两输入端并未真正短路，因此把这种情形称为“虚短”。,根据理想运算放大器的差模输入电阻rid，因此，流入两输入端的电流I+=I0。这如同电路被断开的情形，但又不是实际被断路，这种情形称为“虚断”。,“虚短”和“虚断”是理想运算放大器工作在线性区的两个重要特点。,3.6.3理想运算放大器在非线性时的特性,1.理想运算放大器在非线性时的特性是指理想运算放大器工作在非线性区时的特性,作为一个放大器，当输入信号足够大时，运算放大器中的三极管将工作在饱和状态，这时输出电压不随输入电压变化图中实线部分是运算放大器非线性的特性，虚线部分是理想运算放大器非线性的特性。,当U+U时，Uo=+Uom,当UU+时，Uo=-Uom),Uom为输出电压的最大值。,2.在非线性区，输入电流,式中U+U-0，但rid,所以，理想运算放大器工作在非线性区域时，输出电压只有两个数值+Uom、-Uom，输入电流为零。,因此I=I0,3.特殊集成运算放大器,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV,IIO/T 200PA,KCMR110dB。大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。,3.高速型,高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5.大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,
