模拟电子技术基础5集成运算放大器单元电路chen.ppt

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1、,模拟集成电路中，以集成运算放大器应用最为广泛。集成运算放大器简称集成运放，是由多级具有较高增益的放大电路采用直接耦合的方式级联而成，广泛用于模拟信号的处理和产生电路中。本章将首先讨论组成集成运放的基本单元电路(电流源电路、差分放大电路及互补输出级功放电路)，然后介绍集成运放的组成及特点、典型集成运放内部电路分析，最后介绍集成运放的参数以及使用时的注意事项。,本章简介,5.1 电流源电路,5.3 互补输出级功率放大电路,5.2 差分放大电路,5 集成运算放大器单元电路,模拟电子技术基础,5.4 集成运算放大器概述,5.5 典型集成运放内部电路分析,5.6 集成运放的选用及注意事项,5.1.1

2、基本电流源电路1.基本镜像电流源电路 2.改进的镜像电流源3.电阻比例电流源电路4.微电流源电路5.多路电流源电路5.1.2 有源负载放大电路,本节内容,5.1 电流源电路,电流源电路:提供恒定输出电流1)作为各级电路的偏置电路，以提供合适的静态电流;2)作为放大电路的有源负载，提高电路的增益。,5.1.1 基本电流源电路,1.基本镜像电流源电路,V0 和 V1 特性完全相同。,电路中有负反馈吗？,基准电流,5.1.1 基本电流源电路,2.改进的镜像电流源电路,(1)带缓冲级的镜像电流源电路,(2)威尔逊电流源电路,5.1.1 基本电流源电路,3.电阻比例电流源电路,4.微电流源电路,要求提供

3、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IR和IO，然后选定R和Re1。,超越方程,5.1.1 基本电流源电路,5.多路电流源电路,（1）基于电阻比例的多路电流源电路,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值.,（2）改进的的多路电流源电路,射级缓冲器,【例5-1】,【例5-2】,引入负反馈,【例5-3】,有V3缓冲:,无V3时:,5.1.2 有源负载放大电路,5.2.1 差分放大电路的组成及特点1.电路组成 2.基本特点5.2.2 差分放大电路的工作原理及特性分析 1.静态分析2.动态分析3.差分放大电路抑制零漂的原理5.2.3 差分放大电路的4种应用方式1.双入单出2.单

4、入双出3.单入单出5.2.4 改进型差分放大电路.1.电流源偏置差放电路 2.有源负载差放电路3.场效应晶体管差分放大电路,本节内容,5.2 差分放大电路,零点漂移现象及其产生的原因,零点漂移：uI0，uO0的现象。,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,零输入零输出,若U与UC的变化一样，则输出电压就没有漂移,零点漂移,参数理想对称：Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，Re1=Re2;V1、V2在任何温度下特性均相同。,长尾式差分放大电路的组成,典型电路,长尾式差分

5、放大电路的组成,1.电路组成：由两个对称的共射放大电路组成,电路参数理想对称：Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc；V1、V2在任何温度下特性均相同。(1)克服零点漂移；(2)零输入零输出。,5.2.1 差分放大电路的组成及特点,长尾式差分放大电路,2.基本特点,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。,5.2.1 差分放大电路的组成及特点,2.基本特点,3)一般信号,差模分量,差模分量,单端、双端输入的输入端信号加入的等效表示完全相同，例：,则：,5.2.2 差分放大电路的工作原理及特性分析,1.静态分析,令uI1=uI2=0,5.2.2 差分放大电路的

6、工作原理及特性分析,2.动态分析（1）放大差模信号,令uIc=0,iE1=iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。,5.2.2 差分放大电路的工作原理及特性分析,2.动态分析（2）抑制共模信号,令uId=0,iEE=2 iE，Re等效为2 Re的作用。,共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。,5.2.2 差分放大电路的工作原理及特性分析,共模抑制比越高，电路性能越好，对共模干扰的抑制能力越强。，电路参数理想对称时，双端输出差放电路,3.差放电路抑制零漂的原理,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,如 T()ICQ1 I

7、CQ2 UE IBQ1 IBQ2 ICQ1 ICQ2,抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。,5.2.3 差分放大电路的4 种应用方式,1.双端输入单端输出差放电路,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)静态分析,5.2.3-,1.双端输入单端输出差放电路,(2)动态分析,1)对差模信号的作用,5.2.3-,1.双端输入单端输出差放电路,(2)动态分析,2)对共模信号的作用,5.2.3-,1.双端输入单端输出差放电路,ReKCMR放大电路抗干扰性能越好,讨论：（1）2的Rc可以短路吗？（2）什么情况下Aud为“”？（3）双端输出

8、时的Aud是单端输出时的2倍吗？,5.2.3-,2.单端输入双端输出差放电路,单端输入与双端输入等效,静态工作点以及动态性能指标的分析完全相同。,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,静态时的值,问题讨论：（1）UOQ产生的原因？（2）如何减小共模输出电压？,2.单端输入双端输出差放电路,5.2.3-,5.2.3-,3.单端输入单端输出差放电路,单入单出差放电路与双入单出差放电路等效。,5.2.3-,差分放大电路特点总结:,1)双端输入、单端输入效果相同，差分放大电路的性能指标仅跟输出方式有关；2)双端输出时差模电压增益与单管放大电路形式相同3)单端输出时差模电压增益形式上是双端输出时的

9、一半，4)4种连接方式的差模输入电阻相同差模输出电阻及共模电压增益同差分放大电路的输出方式有关。,5.2.改进型差分放大电路,1.电流源偏置差分放大电路,为什么要采用电流源？,Re 越大，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，得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源,5.2.改进型差分放大电路,1.电流源偏置差分放大电路,等效电阻为无穷大,5.2.改进型差分放大电路,2.有源负载差分放大电路,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。,电路的输入

10、、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？,静态：,动态：,5.2.改进型差分放大电路,3.场效应晶体管差分放大电路:输入电阻高,偏置电流小,例5-4,当RP滑动端在中点时:,例5-5,uI=10mV，则uId=10mV,uIc=5mV,例5-6,应减小Rc2,例5-6,5.3 互补输出级及功率放大电路,5.3.1 功率放大电路的特点1.功率放大电路研究的主要问题 2.提高效率的主要途径5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算 1.电路组成及基本工作原理2.功率和效率的分析计算3.功率晶体管的选择5.3.3 甲乙类互补对称功率放大电路5.3.4 单电源供电的互

11、补对称功率放大电路.5.3.5 集成功率放大电路1.集成OCL电路 2.集成OTL电路,本节内容,5.3 互补输出级及功率放大电路,功率放大电路:作为多级放大电路的输出级,尽可能提供足够大的输出功率(不失真).,对输出级的要求:,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。,5.3.1 功率放大电路的特点,1.功率放大电路研究的主要问题,（1）主要技术指标：,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，晶体管通过的最

12、大集电极或射极电流接近最大集电极电流，承受的最大管压降接近c-e反向击穿电压，消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率。称为工作在尽限状态。,（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）提高输出功率：在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。（2）减小损耗，提高效率：效率尽可能高，因而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ICQ近似为0。,晶体管的工作方式,5.3.1 功率放大电路的特点,2.提高效率的途径,晶体管的工作方式,1、电路组

13、成及基本原理,静态时V1、V2均截止，UB=UE=0,OCL电路特征：V1、V2特性理想对称。,（1）静态分析,V1的输入特性,理想化特性,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(2)动态分析,ui0，电流通路为+VCCV1RL地，uo=ui,两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。,ui0,电流通路为 地 RLV2-VCC，uo=ui,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(2)动态分析,ui0，uo=ui,ui0,uo=ui,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,V1、V2特性理想对称:,输入足够大,V1、V2极限应用:,2、功率和效率的分析计算,5.3

14、.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,ui0,ui0,ui=0,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(1)最大输出功率,2、功率和效率的分析计算,极限应用时:,2、功率和效率的分析计算,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(2)电源提供的直流功率,(3)效率,2、功率和效率的分析计算,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(4)晶体管集电极功耗,令,若,时,非极限应用时功率和效率的计算,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,输出功率,效率,3、功率晶体管的选择,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路的分析计算,(1)最大管压降,(2)集电极最大电流

15、,(3)集电极最大平均功率损耗,【例5-7】,(1)极限应用,【例5-7】,(2)非极限应用,5.3.3 甲乙类互补对称功率放大电路,乙类功率放大电路及其交越失真,消除失真的方法：设置合适的静态工作点。,信号在零附近两只管子均截止,开启电压,消除交越失真的互补输出级,对偏置电路的要求：有合适的Q点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个0.60.8V的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。,5.3.3 甲乙类互

16、补对称功率放大电路,消除交越失真常用电路,5.3.3 甲乙类互补对称功率放大电路,a)利用二极管消除失真,b)UBE倍增电路消除失真,静态：,动态：,【例5-8】,(1)极限应用,(2)非极限应用,【例5-9】,出现下列故障时，将产生什么现象?,V1集电极和发射极短路R1或R3开路；R1或R3短路；R2断、VD1、VD2支路开路；VD1 或VD2短路。,【例5-9】,静态：,若R3开路,负载较大,负载较小,5.3.4 单电源供电的互补对称功率放大电路（OTL）,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

17、流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。,电路组成和工作原理：,5.3.4 单电源供电的互补对称功率放大电路（OTL）,最大功率、效率的计算及功率晶体管的选择：以VCC/2代替OCL电路中相关公式的VCC,5.3.5 集成功率放大器,1.集成OCL电路的应用,5.3.5 集成功率放大器,2.集成OTL电路的应用,5.4 集成运算放大器概述,5.4.1 集成运放的电路结构特点5.4.2 集成运放的基本组成及电压传输特性 5.4.3 集成运算放大器的主要参数(自学),本节内容,5.4.1 集成运算放大器概述,（1）直接耦合方式，因硅片上不能制作大容量电容；（2）用有源器件替代无源元件，如用晶体管取

18、代难于制作的大电阻（有源负载）。（3）利用对称结构改善电路性能。如充分利用管子性能良好的一致性，采用差分放大电路（输入级）和电流源电路（偏置电路和有源负载）。（4）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。电压增益高,输入电阻大,广泛应用于信号的运算(加、减、乘、除、积分、微分等）。,5.4.1 集成运放的电路结构特点,5.4.2 集成运放的基本组成及电压传输特性,一个输出端,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。,集成运放电路的组成,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

19、大，Aud大，KCMR高，静态电流小。主要作用：减少零漂、噪声和失真。中间级：主放大级，要求有足够的放大能力，多采用复合管有源负载共射（或共源）放大电路。主要作用：提高电压增益。输出级：功率级，多采用准互补输出级或有源负载CC电路。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大（Po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。,5.4.2 集成运放的基本组成及电压传输特性,5.4.2 集成运放的基本组成及电压传输特性,电路符号及电压传输特性,由于Aud高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。,在线性区：uOAud(uPuN)

20、Aud是开环差模放大倍数。,非线性区,(uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM,就是UOM，即集成运放工作在非线性区。,uO=f(uP-uN),5.5 典型集成运放内部电路分析,5.5.1 简单集成运算放大器电路分析5.5.2 F007集成运放电路分析,本节内容,5.5 典型集成运放内部电路分析,读图方法,已知电路图，分析其原理和功能、性能。,（1）化整为零：按信号流通顺序将N级放大电路分为N个基本放大电路。（2）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有何特点。（3）统观总体：分析整个电路的性能特点。（4）定量估算：必要时需估算主要动态参数。,5.5.1 简单集成运算放大器电

21、路分析,第一级：双端输入单端输出的差放,第二级：以复合管为放大管的共射放大电路,第三级：准互补输出级,动态电阻无穷大,化整为零，识别电路,基本性能,输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。,5.5.1 简单集成运算放大器电路分析,整个电路可等效为一个双端输入单端输出的差分放大电路。,同相输入端,反相输入端,5.5.1 简单集成运算放大器电路分析,判断同相入端和反相输入端,5.5.1 简单集成运算放大器电路分析,交流等效电路,可估算低频小信号下的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。,5.5.1 简单集成运算放大器电路分析,交流性能指标,5.5.2

22、 F007集成运放电路分析,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,5.5.2 F007集成运放电路分析,找出偏置电路,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。,5.5.2 F007集成运放电路分析,简化电路分解电路,三级放大电路,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,5.5.2 F007集成运放电路分析,输入级的分析,V3、V4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基

23、形式频带宽。,共集-共基形式,Q点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8,IC9与IC8为镜像关系IC9,因为IC10不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2,V1和V2从基极输入、射极输出,V3和V4从射极输入、集电极输出,5.5.2 F007集成运放电路分析,输入级的分析,V7的作用：抑制共模信号,V5、V6分别是V3、V4的有源负载，而V4又是V6的有源负载。,放大差模信号,特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。,5.5.2 F007集成运放电路分析,中间级的分析,中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数

24、。,F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。,5.5.2 F007集成运放电路分析,输出级的分析,VD1和VD2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。,iO增大到一定程度，VD1导通，为V14基极分流，从而保护了V14。,准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。,特点：输出电阻小最大不失真输出电压高,5.5.2 F007集成运放电路分析,判断同相输入端和反相输入端,F007所具有的高性能,Ad较大：放大差模信号的能力较强Ac较小：抑制共模信号的能力较强rid较大：从信号源索取的电流小ro小：带负载能力

25、强Uom大：其峰值接近电源电压输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。uIcmax大：接近电源电压,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,集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值 UIO的温漂dUIO/dT()几V/0,UIO的温漂dUIO/dT()几V/0,输入失调电流 IIO 20nA 0,IIO的温漂dIIO/dT()几nA/0,使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。,集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值最大共模输入电压 UIcmax

26、 13V,-3dB带宽 fH 10Hz,转换速率 SR 0.5V/S,能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。,最大差模输入电压 UIdmax 30V,超过此值输入级差分管将损坏。,上限截止频率。,对大信号的反应速度,为什么这么低？,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 0UIO的温漂d UIO/dT()几nA/0 最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差

27、模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S,集成运放的种类,按工作原理,电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压,按可控性,可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大,集成运放的种类,按性能指标,高 阻 型：rid，可高于1012。用于测量放大器、信号发生器。高 速 型：fH和SR高，fH可达1.7GHz，SR可达 103V/S。用于A/D、D/A转换电路、视频放

28、大器。高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益，Aod高于105dB。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。低功耗型：工作电源电压低、静态功耗小，在100200W。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器,通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。,讨论一,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以下微弱信号的量测放大器，应选用。4.作内阻为10M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80的放大器，应选用。7.宇航仪器中所用的放大器，应选用。,讨论二,1.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,复合管共射放大电路,增大输入级的负载电阻,_,_,+,_,_,_,+,+,反相输入端,同相输入端,超管,