集成運(yùn)算放大電路課件

第四版童詩白第四章集成運(yùn)算放大電路4.1

集成運(yùn)算放大電路概述4.2

集成運(yùn)放中的電流源電路4.3

集成運(yùn)放電路簡介4.5

集成運(yùn)放的種類及選擇4.4

集成運(yùn)放的指標(biāo)及低頻等效電路4.6

集成運(yùn)放的使用精品PPT第四版童詩白本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：1.集成電路的特點(diǎn)。2.偏置電路（電流源）的作用、分類及計(jì)算。3.理想集成運(yùn)算放大電路（IC）的性能指標(biāo)。本章教學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)

精品PPT4.1集成運(yùn)算放大電路概述集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)集成電路按其功能分?jǐn)?shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等。精品PPT集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式精品PPT4.1.1集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一.

對(duì)稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。二.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時(shí)，要在電路上另想辦法。三.在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。四.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。五.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10。常采用復(fù)合管的形式。精品PPT一、輸入級(jí)差分電路，大大減少溫漂。二、中間級(jí)采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。三、輸出級(jí)

互補(bǔ)對(duì)稱電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)四、偏置電路電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+uouid4.1.2集成運(yùn)放電路的組成及其各部分的作用實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。圖4.1.1集成運(yùn)算的基本組成精品PPT4.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性圖4.1.2集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性u(píng)O=

f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端分別為同相輸入端uP和反向輸入端uN。電壓傳輸特性精品PPT輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即uOuP-uN集成運(yùn)放的工作區(qū)域線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。+UOM-UOM精品PPT4.2集成運(yùn)放中的電流源電路集成運(yùn)放電路中的晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)電流;或作為有源負(fù)載取代高阻值電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。4.2.1基本電流源電路精品PPT一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基準(zhǔn)電流由于UBE1=UBE2，T1與T2

參數(shù)基本相同，則IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以當(dāng)滿足>>2時(shí)，則圖4.2.1精品PPT+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源R1R2由圖可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，則忽略基極電流，可得兩個(gè)三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。圖4.2.2比例電流源精品PPT三、微電流源

在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe

引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1

，即在Re

值不大的情況下，得到一個(gè)比較小的輸出電流IC2

。圖4.2.3微電流源精品PPT+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關(guān)系因二極管方程

若IC1和IC2

已知，可求出Re。圖4.2.3微電流源精品PPT4.2.2改進(jìn)型電流源電路問題：基本電流源電路在很小時(shí)，IR和IC2相差很大。

為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準(zhǔn)電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對(duì)基本電流源電路進(jìn)行改進(jìn)。一、加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2精品PPT

由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何證明）缺點(diǎn)：1.受電源波動(dòng)影響大；

2.電流最低至mA級(jí)。

IC2=IC1=IREF-IB3

=IREF-IE3/(β+1)如β＝10

IC2=0.982IREF

增加電阻Re2

目的是使IE3增大。圖4.2.4加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2精品PPT二、威爾遜電流源T1管的c--e串聯(lián)在T2管的發(fā)射極，其作用與典型的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的Re相同。圖4.2.5威爾遜電流源公式推導(dǎo)（略）當(dāng)β＝10

IC2=0.984IR可見，在β很小時(shí)，也可認(rèn)為IC2=IR

。IC2受基極電流影響很小。RIRIC2+VCCIC0IC問題：IR如何計(jì)算？精品PPT4.2.3多路電流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3電路圖公式推導(dǎo)

IC=IE

＝IREF

-∑IB/(β+1)當(dāng)β較大時(shí)IC=IREF由于各管的β，UBE相同，IERE≈IREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2≈IE2=IREFRE/RE2IC3≈IE3=IREFRE/RE3

IC1≈IE1=IREFRE/RE1所以ICT∑IBRIREFVCCT0ReIE圖4.2.6基于圖4.24的多路電流源精品PPT多集電極管構(gòu)成的多路電流源圖4.2.7多集電極管構(gòu)成的多路電流源當(dāng)基極電流一定時(shí)，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。MOS管多路電流源圖4.2.8

MOS管多路電流源設(shè)溝道寬長比W/L＝S漏極電流之比正比于溝道的寬長比。精品PPT例4.2.1圖4.2.9所示電路是F007(uA741)的電流源部分。其中T10與T11為縱向NPN管；T12與T13是橫向PNP管，它們的β為5，b-e間電壓值約為0.7V，VCC=15V，R5=39K，試求各管的電流。圖4.2.9

F007中的電流源電路解≈0.73mAIC10≈28uA≈0.52mA+VCCVT8-VCCVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13精品PPT4.2.4以電流源為有源負(fù)載的放大電路在集成運(yùn)放中，常用電流源電路取代RC或Rd

，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可獲得很大的等效RC或Rd的。晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管是有源元件，又可作為負(fù)載，故稱為有源負(fù)載。精品PPT一、有源負(fù)載共射放大電路1.電路圖2.靜態(tài)分析（求參考電流，略）3.動(dòng)態(tài)分析TRb1Rb2rce2精品PPT二、有源負(fù)載差分放大電路利用鏡像電流源可以使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出的情況。2.靜態(tài)分析1.電路圖3.動(dòng)態(tài)分析放大電路采用差分輸入、單端輸出；工作電流由恒流源I

決定；輸出電流io=ic4

-

ic2=2ic4

RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+圖4.2.11有源負(fù)載差分放大電路精品PPT4.3集成運(yùn)放電路簡介集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合放大電路。本節(jié)主要分析集成運(yùn)放電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理；重點(diǎn)不是設(shè)計(jì)和改進(jìn)集成電路,只是更好地理解集成電路的性能特點(diǎn)及主要參數(shù),以便合理地使用集成塊。相關(guān)預(yù)備知識(shí)點(diǎn)：1.BJT/FET的五種組態(tài)和各組態(tài)的特點(diǎn)；2.集成運(yùn)放四個(gè)組成部分;3.概念：差分放大電路、電流源電路、互補(bǔ)電路、復(fù)合管。精品PPT4.3集成運(yùn)放電路簡介典型的集成運(yùn)放雙極型集成運(yùn)放F007/uA741CMOS集成運(yùn)放C14573一、引腳4.3.1雙極型集成運(yùn)放F007

F007的引腳及連接示意圖(a)(b)連接示意圖12348765精品PPT二、電路原理圖偏置電路輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)精品PPT1.偏置電路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級(jí)至中間級(jí)基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級(jí)所需的偏置電流。各路偏置電流的關(guān)系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級(jí)鏡像電流源中間級(jí)輸出級(jí)圖4.3.1-1

F007的偏置電路精品PPT2.輸入級(jí)

T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2

基極接收差分輸入信號(hào)。T5、T6

有源負(fù)載；（加射極輸出器的比例電流源）

T4

集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。

uO

RW

調(diào)零電阻，R外接電阻。

T7

與R2組成射極輸出器。

+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖4.3.1-2uI2uI1精品PPT若暫不考慮T7

和調(diào)零電路則電路可簡化為：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO

(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。

(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負(fù)載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。

(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應(yīng)。

(4).該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。圖4.3.1.2

簡化示意圖精品PPT3.中間級(jí)圖4.3.1-3中間級(jí)示意圖+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來自T4

和T6集電極；輸出接在輸出級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱放大管的基極。中間級(jí)T16、T17

組成復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。

8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。精品PPT4.輸出級(jí)IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2圖4.3.1-4

F007輸出級(jí)原理電路

T14、T18

、T19

準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路；

D1、D2

、R9、R10

過載保護(hù)電路；

T15

、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流，消除交越失真。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個(gè)功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

倍增電路。精品PPT4.3.2.單極型集成運(yùn)放T2+vDD-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR一、電路結(jié)構(gòu)雙入雙出差分式放大電路耗盡型NMOSFET對(duì)管T1、T2有源負(fù)載增強(qiáng)型NMOSFET對(duì)管T3

T4偏置電路TREF、T5、T6T7組成。二、工作原理電路的基準(zhǔn)電流

IREF＝ID5＝ID6＝I0靜態(tài)分析

ID1＝ID2＝I0/2輸出電壓UoQ＝UoD1Q-UoD2Q＝0動(dòng)態(tài)分析

uo＝uoD1-uoD2差模電壓增益

AVD＝uo/uid＝-gm(rds1//rds3).精品PPT4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對(duì)數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod

為無窮大；實(shí)際情況Aod

為100~140dB。4.4.1集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)精品PPT二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。一般運(yùn)放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運(yùn)放：UIO

為1mV以下。定義：一般運(yùn)放為每度10~20V；高質(zhì)量運(yùn)放低于每度0.5V以下；精品PPT四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差，即定義：一般運(yùn)放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運(yùn)放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。精品PPT六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運(yùn)放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運(yùn)放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。精品PPT九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm

反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放fH只有幾赫至幾千赫。精品PPT十二、單位增益帶寬

fc

Aod

降至0dB時(shí)的頻率，此時(shí)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的SR

值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。精品PPT4.4.2集成運(yùn)放的低頻等效電路考慮各種失調(diào)因素時(shí)等效電路圖不考慮各種失調(diào)因素的電路圖精品PPT4.5集成運(yùn)放的種類及選擇4.5.1集成運(yùn)放的發(fā)展概況4.5.2集成運(yùn)放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型F007、F3242.電流放大型LM3900、F19003.跨導(dǎo)型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變?cè)鲆孢\(yùn)放2.選通運(yùn)放精品PPT1.高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)(不超過毫瓦級(jí))，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標(biāo)分類精品PPT3.高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測(cè)量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號(hào)源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）4.高速型大信號(hào)工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：精品PPT常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）5.高壓型性能特點(diǎn)：輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點(diǎn)：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。4.5.3運(yùn)放的選擇（略）精品PPT4.6集成運(yùn)放的使用一、集成運(yùn)放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號(hào)過大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因4.6.1使用時(shí)必做的工作精品PPT2.漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動(dòng)端接觸不良集成運(yùn)放本身損壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯(cuò)避免負(fù)反饋過強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過大精品PPT4.6.2保護(hù)措施一、輸入保護(hù)(a)防止輸入差模信號(hào)幅值過大(b)防止輸入共模信號(hào)幅值過大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFD1D2uI保護(hù)元件圖4.6.1輸入保護(hù)措施精品PPT二、電源極性錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：D1、D2三、輸出端錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI圖4.6.2利用穩(wěn)壓管保護(hù)運(yùn)放圖4.6.3電源接錯(cuò)保護(hù)精品PPT四、輸出限流保護(hù)+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保護(hù)元件：T1、T2(b)保護(hù)管工作特性正常工作時(shí)工作點(diǎn)在

A(飽和區(qū))工作電流過大，工作點(diǎn)經(jīng)B

移到C

或D

點(diǎn)(恒流區(qū))。(a)電路圖BCDAICUCEO圖輸出限流保護(hù)精品PPT4.6.3輸出電壓與輸出電流的擴(kuò)展一、提高輸出電壓采用在運(yùn)放輸出端再接一級(jí)由較高電壓電源供電的電路，來輸出電壓幅值。+uNuPA圖4.6.4提高輸出電壓的電路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1T2R1R2R3R4b1b2e1e2精品PPT二、增大輸出電流在運(yùn)放的輸出端加一級(jí)射極輸出器或互補(bǔ)輸出級(jí)。精品PPT復(fù)習(xí)1：1.集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？2.集成運(yùn)放的組成部分？輸入級(jí)常用什么結(jié)構(gòu)？輸出級(jí)常用什么結(jié)構(gòu)？3.集成運(yùn)放的二個(gè)工作區(qū)域？各自特點(diǎn)？精品PPT復(fù)習(xí)2:1.集成電路中電流源作用？2.集成電路中的基本電流源判斷？鏡像電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2比例電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB威爾遜電流源RIRIC2+VCCIC0IC多路電流源ICT∑IBRIREFVCCT0ReIET1IC1IC2IC3Re1Re