模擬電子技術(shù)課件04.ppt

1、第四章 集成運算放大器,本章目錄,點擊即可進(jìn)入學(xué)習(xí),4.1 集成運算放大電路概述,4.2 電流源電路,4.3 集成運放簡介,4.4 集成運放的性能指標(biāo),4.5 使用集成運放的注意事項,習(xí)題解答,集成運算放大電路高放大倍數(shù)的直接耦合的集成的多級放大器。簡稱為運放。,集成電路的工藝特點： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。 （2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負(fù)載。 （4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。 （5）不能制造電

2、感，如需電感，也只能外接。,4.1 集成運算放大電路概述,集成運放的總體結(jié)構(gòu),中間級,簡單的集成運放,原理電路：,通用型集成運放F007,集成運算放大器符號,國際符號：,國內(nèi)符號：,集成運放的特點：,開環(huán)電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,Aod105,Rin約為1M幾十M,Ro約為100左右,注意：在以后教學(xué)中，這兩種符號都會出現(xiàn)，兩者畫法不同，但都表示集成運放。,理想運算放大器：,開環(huán)電壓放大倍數(shù) A= 輸入電阻 Rin= 輸出電阻 Ro=0,理想運算放大器符號：,Aod,理想運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),實際運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),uo,輸出,同相 輸入,反相 輸入,信號傳 輸方向,凈輸入,u

3、i凈輸入，ui = u+ u-,uo= Aod ui,Aod,理想運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),實際運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),uo,輸出,同相 輸入,反相 輸入,三角形箭頭 表示信號傳 輸方向,凈輸入,ui凈輸入，ui = u+ u-,uo= Aod ui,一、鏡像電流源,基準(zhǔn)電流：,因為：,所以：,在集成運放中，常利用電流源電路為各級提供合適的靜態(tài)電流，或用來替代大電阻。,兩管對稱,4.2 電流源電路,基準(zhǔn)電流：,可見：無論T2的負(fù)載如何變化， IC2的電流值將保持不變。,解得：,鏡像電流源自身有一定的溫度補償作用,鏡像電流源,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單,缺點：大電流會使得電阻R的功耗大，小電流需要電阻R阻值大

4、，很難集成。,VB,兩管對稱,二、比例電流源,IC1與IR成比例關(guān)系，可以通過改變電阻Re0與Re1的比值來實現(xiàn)電流的大小變化，從而克服了鏡像電流源的缺點。,與鏡像電流源一樣，比例電流源自身也有一定溫度補償作用。此外，根據(jù)靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的原理，電阻Re0、Re1都是電流負(fù)反饋電阻，能起到穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用，所以比例電流源比鏡像電流源具有更好的溫度穩(wěn)定性。,ln,ln,三、微電流源,超越方程，可用圖解法、累試法求解，也可借助計算機(jī)軟件求解。,例：電流源電路如圖所示，各管的=5，UBE=0.7，是求各管的集電極電流。,解：先求出參考電流IR,F007中的電流源電路,例：電流源電路如圖所示，各

5、管的=5，UBE=0.7，是求各管的集電極電流。,解：先求出參考電流IR,F007中的電流源電路,例：電流源電路如圖所示，各管的=5，UBE=0.7，是求各管的集電極電流。,解：先求出參考電流IR,F007中的電流源電路,鏡像電流源,微電流源,比例電流源,分析這些電路時都忽略了IB，近似認(rèn)為ICIR，所以 這種近似程度的好壞，直接影響電流源的精度，這三 種電流源電路的精度都不夠高，需要改進(jìn)。,四、改進(jìn)型電流源,（一）加射極輸出器的電流源,鏡像電流源,加入射極輸出器 （緩沖管）,由于對稱,解得：,鏡像電流源,可見：,加入射極輸出器后精度大大提高,在實際應(yīng)用中，有時引入電阻Re2,Re2,使得T2

6、管的工作電流增大，以提高T2管的電流放大系數(shù)，從而提高電流電路的精度。,（二）威爾遜電流源,解得：,由于對稱,解得：,威爾遜電流源,基于比例電流源的多路電流源,五、多路電流源,用一個參考電流IR，再由若干個比例電流源性質(zhì)獲得多個電流源輸出。,多集電極管構(gòu)成的多路電流源,多集電極三極管有多個集電極，且各集電極電流的大小與其集電區(qū)面積成正比，令各集電區(qū)面積分別為S0、S1、S2。,MOS管多路電流源,各管的漏電流與其導(dǎo)電溝的寬長比成正比,六、以電流源為有源負(fù)載的放大電路,有源負(fù)載差動放大電路,T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負(fù)載。 同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。,靜態(tài)

7、時 （直流以及共模）,由鏡像電流源,對差模輸入,由鏡像電流源,可見，以電流源作負(fù)載后單端輸出電流約增大為原來的兩倍。,使單端輸出的電壓放大倍數(shù)約增大一倍，近似為雙端輸出的電壓放大倍數(shù)。,可見，以電流源作負(fù)載后單端輸出電流約增大為原來的兩倍。,使單端輸出的電壓放大倍數(shù)約增大一倍，近似為雙端輸出的電壓放大倍數(shù)。,通用型集成運放F007,雙極型（三極管）,雙電源（需正負(fù)電源）,4.3 集成運算放大器簡介,T1 、T2和 T3 、T4管組成共集共基復(fù)合差動輸入電路。 其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。 T3 和T4是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達(dá)到30V以上,T5 、

8、T6 、T7 和R1 、R2 、R3組成具有基極補償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。 它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。,T12、R5和T11構(gòu)成主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：,其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān),T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。,T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負(fù)載。A路為輸出級提供偏置。,T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負(fù)載。,T14和T20管組成互補對稱輸出級，T18

9、、T19和 R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。 T15和 R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。 T21、T23管和 R10保護(hù) T20管在負(fù)向電流過大時不致燒壞。,F324電路原理圖,單極型集成運放（場效應(yīng)管）,C14573原理圖,1.輸入失調(diào)電UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。,2.輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,一、集成運算主要性能指標(biāo),4.4集成運算放大器的性能指標(biāo),4.輸入失調(diào)電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管

10、基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。,3.輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。,5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO /DT: 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,6.最大差模輸入電壓Uidmax 運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。,7.最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。,8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ： 無反饋時的差模電壓增

11、益。 一般Aod在100120dB左右，高增益運放可達(dá)140dB以上。,9.差模輸入電阻rid ： 雙極型管輸入級約為105106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。,11.3dB帶寬 f H ： 運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬 f H 。,12.轉(zhuǎn)換速率S R (壓擺率)： 反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為,反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不

12、必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集成運放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。,二、集成運放的種類,通用型運放,電壓放大型（輸入電壓輸出電壓） ：,如F007、F324、C14573,電流放大型（輸入電流輸出電流） ：,如LM3900、F1900,跨導(dǎo)型（輸入電壓轉(zhuǎn)化為輸出電流）：,互阻型（輸入電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓） ：,如LM3080、F3080,如AD8009、AD8011,高輸入阻抗型,這種類型的集成運放差模輸入電阻往往大于109W，輸入

13、偏置電流通常為pA數(shù)量級。 這種類型的集成運放，輸入級經(jīng)常采用結(jié)型場效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動輸入級，稱為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動輸入級。 其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,特殊型運放,高精度、低漂移型,要求集成運放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV, IIO/T 200PA, KCMR110dB。 大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、AD707

14、、OP-77、OPA177等。 另外，還有的運放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。,高速型,高速運放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏微秒，單位增益帶寬BW 10MHZ。 主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速AD和DA轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏微秒。 高速型運放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,低功耗型,要求其功耗為微瓦數(shù)量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。 典型產(chǎn)品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,大功率型,大功率型集成運

15、放的電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。 典型產(chǎn)品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,可控型,可變增益型,如VCA610、AD526,可選通型,如兩通道選通控制運放OPA676,三、 集成運放低頻等效電路,簡化集成運放低頻等效電路,一、使用時必做流程,查閱有關(guān)手冊，弄清運放的引腳，以便正確接線,測量運放各引腳的好壞，以避免使用壞運放,為運放設(shè)置合理的靜態(tài)偏置電路和調(diào)零電路,為運放輸入端設(shè)置合適的去耦電容以消除自激震蕩,4.5 使用集成運放注意事項,選擇集成運放時注意的問題：,不要盲目追求指標(biāo)先進(jìn)。,應(yīng)盡量選擇通用型運放,應(yīng)考慮能避免沖擊電壓和電流的保護(hù)措施,要注意單元之間的輸出電平配合問題,要注意性能指標(biāo)的測量條件,在弱信號條件下使用時，應(yīng)注意噪聲系數(shù)不能太大,輸入保護(hù),二、運放的保護(hù)措施,二極管的鉗位作用，使差模輸入不超過- 0.7V0.7V范圍。,有效防止共模輸