模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程課件：第四章　集成運(yùn)算放大電路

1、第四章集成運(yùn)算放大電路,4.1集成放大電路的特點(diǎn),4.2集成運(yùn)放的基本組成部分,4.3集成運(yùn)放的典型電路,4.4集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo),4.5理想運(yùn)算放大器,4.6各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn),4.7集成運(yùn)放使用中的幾個(gè)具體問題,4.1集成放大電路的特點(diǎn),集成電路簡稱 IC (Integrated Circuit),集成電路按其功能分,數(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)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。,集成電路的外形,圖 4.1.1集成電路的外形,(a)雙列直插式,(b)圓殼式,(c)扁平式,

2、集成運(yùn)算放大電路特點(diǎn)：,1. 對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。,2. 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。,3. 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)。,4. 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。,5. 集成電路中的 NPN 、 PNP管的 值差別較大，通常 PNP 的 10 。,4.2集成運(yùn)放的基本組成部分,實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。,圖 4.2.1集成運(yùn)算的基本組成,4.2.1偏置電路,向各放大級提供合適的偏置電路，確定各級靜態(tài)工作點(diǎn)。,一、鏡像電

3、流源 (電流鏡 Current Mirror),基準(zhǔn)電流,由于 UBE1 = UBE2，VT1與 VT2 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 4.2.2,二、比例電流源,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 4.2.3比例電流源,三、微電流源,在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻 Re。,引入Re使 UBE2 UBE1，且 IC2 IC1 ，選擇合適的元器件參數(shù)值，可以得到

4、一個(gè)比較小的輸出電流 IC2 。,圖 4.2.4 微電流源,基本關(guān)系,因二極管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,圖 4.2.4微電流源,4.2.2差分放大輸入級,輸入級大都采用差分放大電路的形式。,電路形式,基本形式,長尾式,恒流源式,一、基本形式差分放大電路,1. 電路組成,假設(shè)電路完全對稱,當(dāng) uId = 0，時(shí),UCQ1 = UCQ2,UO = 0,圖 4.2.6差分放大電路的基本形式,2. 電壓放大倍數(shù),VT1 和 VT2 基極輸入電壓大小相等，極性相反，稱為差模輸入電壓(uId)。,在差模信號作用下：,差模電壓放大倍數(shù)與單管電路相同，即,3. 共模抑制比,差模輸入電壓

5、 uId,共模輸入電壓 uIc (uIc大小相等，極性相同),共模電壓放大倍數(shù)：,Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好,圖 4.2.7共模輸入電壓,(溫漂或干擾信號),共模抑制比 KCMR,(1) KCMR 描述差分放大電路對零點(diǎn)漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈強(qiáng)； (2) 理想情況下，電路參數(shù)完全對稱，Ac = 0， KCMR = 。(實(shí)際電路參數(shù)不可能完全對稱) (3) 對于基本形式差放電路，從每個(gè)三極管的集電極對地電壓來看，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒有改善。,二、長尾式差分放大電路,可減小每個(gè)管子輸出端的溫漂。,1. 電路組成,Re 稱為“長尾電阻”。且引入共模負(fù)反饋。,

6、Re 愈大，共模負(fù)反饋愈強(qiáng)。Ac 愈小。每個(gè)管子的零漂愈小。 對差模信號無負(fù)反饋。,圖 4.2.8長尾式差分放大電路,2. 靜態(tài)分析(用UBEQ),當(dāng) uId = 0 (uId /2= 0,短路 )時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)對稱，故：,IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ， 1= 2= ,IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE,則,ICQ IBQ,(對地),圖 4.2.8長尾式差分放大電路,3. 動態(tài)分析(用rbe),則,同理,圖 4.2.8長尾式差分放大電路的交流通路,圖中Re

7、為什么沒了？,輸出電壓為,差模電壓放大倍數(shù)為,差模輸入電阻為,差模輸出電阻為,注意有R存在,圖4.2.10接有調(diào)零電位器的長尾差分電路,怎樣考慮Rw的影響？P191,三、恒流源式差分放大電路,用三極管代替“長尾式”電路的長尾電阻，即構(gòu)成恒流源式差分放大電路,1. 電路組成,VT3：恒流管,作用：,能使 iC1、iC2基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號的變化。,圖 4.2.13恒流源式差分放大電路,2. 靜態(tài)分析,當(dāng)忽略 VT3 的基極電流時(shí)， Rb1 上的電壓為,于是得到,圖 4.2.13恒流源式差分放大電路,3. 動態(tài)分析,由于恒流三極管相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的長尾電阻(參見圖5.3.

8、12)，它的作用也是引入一個(gè)共模負(fù)反饋，對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，所以與長尾式交流通路相同。,差模電壓放大倍數(shù)為,差模輸入電阻為,差模輸出電阻為,差模rce3無影響,共模rce3很大,四、差分放大電路的輸入、輸出接法(P195),有四種不同的接法,差分輸入、雙端輸出；,差分輸入、單端輸出；,單端輸入、雙端輸出；,單端輸入、單端輸出。,1. 差分輸入、雙端輸出,圖 4.2.16(a)差分輸入、雙端輸出,2. 差分輸入、單端輸出,uO 約為雙端輸出的一半，即,若由 VT2 集電極輸出， uO 為“正”。,圖 4.2.16(b)差分輸入、單端輸出,3. 單端輸入、雙端輸出,單端輸入,(等效Re大,

9、Re所在支路可看成開路),當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，,三極管仍然基本工作在差分狀態(tài)，所以,圖 4.2.16(c)單端輸入、雙端輸出,4. 單端輸入、單端輸出,若改從 VT2 集電極輸出，則,這種接法比一般的單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。,圖 4.2.16(d)單端輸入、單端輸出,結(jié)論,(1) 雙端輸出時(shí)，Ad 與單管 Au 基本相同；單端輸出時(shí)，Ad 約為雙端輸出時(shí)的一半。 雙端輸出時(shí)，Ro = 2Rc；單端輸出時(shí)， Ro = Rc 。 (2) 雙端輸出時(shí)，理想情況下，KCMR ；單端輸出時(shí)，共模抑制比不如雙端輸出高。 (3) 單端輸出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓

10、反相或同相。 (4) 單端輸入時(shí)，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個(gè)管子仍基本工作在差分狀態(tài)。 (5) 單端輸出時(shí)， Rid 2(R + rbe)。,雙端輸出時(shí)不能與后級共地,差分放大電路四種接法的性能比較,Ad,Rid,Ro,差分放大電路四種接法的性能比較,特 性,1. Ad 與單管放大電路基本相同。 2.在理想情況下，KCMR。 3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號及負(fù)載的兩端均不接地的情況。,1. Ad 約為雙端輸出時(shí)的一半。 2. 由于引入共模負(fù)反饋，仍有較高的KCMR。 3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。,1. Ad 與單管放大電路基本相同。 2.在理想情況下，KCMR。 3.適用于

11、將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。,1. Ad 約為雙端輸出時(shí)的一半。 2.比單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。 3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。 4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。,4.2.3中間級,任務(wù)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。,要求：本身具有較高的電壓增益；具有較高的,一、有源負(fù)載（rce大）,圖 4.2.17有源負(fù)載單管共射放大電路,VT1：放大三極管； VT2：有源負(fù)載； VT3、VT2 鏡像電流源。,輸入電阻；能向輸出級提供較大的推動電流。,基準(zhǔn)電流,有源負(fù)載的差分放大電路,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；有信號時(shí)，輸出電流:

12、因 ic2 =- ic1= - ic3 = - ic4 io = ic4 - ic2 = 2ic4 即，相當(dāng)于雙端輸出的電流變化量,該電路有相當(dāng)于雙端輸出時(shí)的 io ，在集成運(yùn)放中的應(yīng)用十分廣泛。,圖 4.2.18有源負(fù)載的差分放大電路,二、復(fù)合管,優(yōu)點(diǎn),可以獲得很高的電流放大系數(shù) ； 提高中間級的輸入電路； 提高了集成運(yùn)放總的電壓放大倍數(shù)。,復(fù)合管的構(gòu)成：,iB1,由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管組成。,復(fù)合管共射電流放大系數(shù) 值,由圖可見,圖 4. 2.19,則,三極管輸入電阻 rbe,其中,所以,顯然，、rbe 均比一個(gè)管子 1、rbe1 提高了很多倍。,圖 4. 2.19,構(gòu)成復(fù)合管時(shí)注意,1.

13、 前后兩個(gè)三極管連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級輸出電流與后級輸入電流實(shí)際方向一致。 2. 外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)管子均為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，使管子工作在放大區(qū)。,復(fù)合管的接法,(a) NPN 型,(b) PNP 型,圖 4. 2. 20復(fù)合管的接法,圖 4. 2. 20復(fù)合管的接法,結(jié) 論,1. 兩個(gè)同類型的三極管組成復(fù)合管，其類型與原來相同。復(fù)合管的 1 2，復(fù)合管的 rbe = rbe1 (1+1)rbe2 。 2. 兩個(gè)不同類型的三極管組成復(fù)合管，其類型與前級三極管相同。復(fù)合管的 1 2，復(fù)合管的 rbe = rbe1 。 3. 在集成運(yùn)放中，復(fù)合管不僅用于中間級，也常用于輸入級和輸出

14、級。,4.2.4輸出級,一、互補(bǔ)對稱電路,工作原理： VT1及 VT2微導(dǎo)通,當(dāng)輸入正弦電壓 uI 時(shí),uI 0，VT1 導(dǎo)通，VT2 截止 iC1：+VCC VT1 RL 地,uI 0，VT2 導(dǎo)通，VT1 截止 iC2：地 RL VT2 -VCC,當(dāng) uI 為正弦電壓時(shí)，iL 與 uO 基本上也是正弦波。,圖 4. 2. 21互補(bǔ)對稱輸出級,說明：,1. 互補(bǔ)對稱電路工作在射極輸出器狀態(tài)，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 2. R1、R、R2、VD1、VD2 支路能夠減小失真，改善波形。,圖 4.2.22交越失真,二、由復(fù)合管組成的功率輸出級,圖 4.2.3由互補(bǔ)對稱電路,圖 4.2.24準(zhǔn)互補(bǔ)

15、對稱電路,改進(jìn)：,缺點(diǎn)：由于 VT3、VT4 類型不同，互補(bǔ)性差。,改進(jìn)的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路管子類型均為NPN，對稱性好,三、過載保護(hù)電路,二極管保護(hù)電路,保護(hù)元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,輸出電流正常， VD3、VD4 截止，保護(hù)不起作用；,若 VT1 正向 IC1， URe1 ，VD3 導(dǎo)通， IB1 ，IC1 。輸出電流無法增大，保護(hù)功率管 VT1 。,若 VT2 反向電流IC2， URe2 ，VD4 導(dǎo)通， IB2， IC2 。避免 VT2 電流過大。,圖 4. 2. 25過載保護(hù)電路,三極管保護(hù)電路,保護(hù)元件：,工作原理與二極管保護(hù)原理類似。,VT3、VT4、Re1、Re2。

16、, Re 愈大，則 IEm 愈??；, 溫度升高， UD、 UBE 降低，IEm 減小。更有利于保護(hù)在高溫下的集成運(yùn)放。,圖 4. 2. 25過載保護(hù)電路,4.3集成運(yùn)放的典型電路,典型的集成運(yùn)放,雙極型集成運(yùn)放 F007,CMOS 集成運(yùn)放 C14573,一、引腳,4.3.1雙極型集成運(yùn)放 F007,圖 4.3.1F007 的引腳及連接示意圖,(a),(b)連接示意圖,二、電路原理圖,圖 4.3.2F007 電路原理圖,1. 偏置電路,至輸入級,至中間級,基準(zhǔn)電流：,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。,各路偏置電流的關(guān)系：,IREF,IC11,IC10,I3, 4,IC9,IC8,IC12,

17、IC13,微電流源,鏡像電流源,輸入級,鏡像電流源,中間級,輸出級,圖 4.3.3F007 的偏置電路,2. 輸入級,VT1、VT2、VT3、VT4 組成共集 - 共基差分放大電路電路；VT1、VT2 基極接收差分輸入信號。,VT5、VT6 有源負(fù)載；,VT4 集電極送出單端輸出信號至中間級。,uO,RW 調(diào)零電阻，R 外接電阻。,VT7 與R2 組成射極輸出器,是VT5、VT6的偏置。,圖 4. 3. 4,若暫不考慮 VT7 和調(diào)零電路則電路可簡化為：,1. VT1、VT2 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 VT3、VT4，與有源負(fù)載 VT5、VT6 組合，

18、可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。,3. VT3、VT4 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 4.3.5 簡化示意圖,3. 中間級,輸入來自 VT4 和 VT6集電極；,輸出接在輸出級的兩個(gè)互補(bǔ)對稱放大管的基極。,中間級 VT16、 VT17 組成復(fù)合管， VT15 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。,4. 輸出級,圖 4.3.7F007 輸出級原理電路,VT14、 VT18 、VT19 準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路；,VD1、 VD2 、R9、R10 過載保護(hù)電路；,VT15 、R7、R8 為功率管提供靜態(tài)基流。,調(diào)節(jié) R7、

19、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 擴(kuò)大電路。,4.4集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)(P179),集成運(yùn)算放大器的符號,一、開環(huán)差模電壓增益 Aod,一般用對數(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 100 140 dB。,圖 4.4.1運(yùn)算放大器的符號,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 10 mV；,高質(zhì)量運(yùn)放：UIO 為 1 mV 以下。,定義：,一般運(yùn)放為 每度 10 20 V；,高質(zhì)量運(yùn)放低于每度 0.5 V 以下；,四、輸入

20、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 1 nA。,定義：,一般運(yùn)放為 每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。,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 80 dB 以上，高質(zhì)量的可達(dá) 160 dB。,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

21、、 - 3 dB帶寬 fH,表示 Aod 下降 3 dB 時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放 fH 只有幾赫至幾千赫。,十二、 單位增益帶寬 BWG,Aod 降至 0 dB 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。,4.5理想運(yùn)算放大器(P279),4.5.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo),開環(huán)差模電壓增益 Aod = ；,輸出電阻 ro = 0；,共模抑制比 KCMR = ；,

22、差模輸入電阻 rid = ；,UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；,輸入偏置電流 IIB = 0；,- 3 dB 帶寬 fH = ，等等。,4.5.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),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,理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：,1. 理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零,即,“虛短”,圖 4.5.1集成運(yùn)放的電壓和電流,2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零,由于 rid = ，兩個(gè)輸入端均沒有電流，即,“虛斷”,4.5.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),傳輸特性,+UOPP,-UOPP,圖 4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性,理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：

23、,當(dāng) u+ u- 時(shí)，uO = + UOPP 當(dāng) u+ u- 時(shí), uO = - UOPP,1. uO 的值只有兩種可能,在非線性區(qū)內(nèi)，(u+ - u-)可能很大，即 u+ u-。 “虛地”不存在,2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零,實(shí)際運(yùn)放 Aod ，當(dāng) u+ 與 u- 差值比較小時(shí)，仍有 Aod (u+ - u- )UOPP，運(yùn)放工作在線性區(qū)。,例如：F007 的 Uopp = 14 V，Aod 2 105 ，線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍,但線性區(qū)范圍很小。,圖 4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性,4.6各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn),一、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。,二、低功耗型,性能特點(diǎn)：,靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2