模擬電子技術基礎簡明教程課件：第四章　集成運算放大電路

1、第四章集成運算放大電路,4.1集成放大電路的特點,4.2集成運放的基本組成部分,4.3集成運放的典型電路,4.4集成運放的主要技術指標,4.5理想運算放大器,4.6各類集成運放的性能特點,4.7集成運放使用中的幾個具體問題,4.1集成放大電路的特點,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、集成運算放大電路特點：,1. 對稱性好，適用于構成差分放大電路。,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，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集成運放的基本組成部分,實質上是一個具有高放大倍數(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。,一、鏡像電

3、流源 (電流鏡 Current Mirror),基準電流,由于 UBE1 = UBE2，VT1與 VT2 參數(shù)基本相同，則,IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC,所以,當滿足 2 時，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、一個比較小的輸出電流 IC2 。,圖 4.2.4 微電流源,基本關系,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,假設電路完全對稱,當 uId = 0，時,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漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈強； (2) 理想情況下，電路參數(shù)完全對稱，Ac = 0， KCMR = 。(實際電路參數(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”。且引入共模負反饋。,

6、Re 愈大，共模負反饋愈強。Ac 愈小。每個管子的零漂愈小。 對差模信號無負反饋。,圖 4.2.8長尾式差分放大電路,2. 靜態(tài)分析(用UBEQ),當 uId = 0 (uId /2= 0,短路 )時，由于電路結構對稱，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,當忽略 VT3 的基極電流時， 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于一個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共模負反饋，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),當共模負反饋足夠強時，,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的抑制零漂的能力。,圖 4.2.16(d)單端輸入、單端輸出,結論,(1) 雙端輸出時，Ad 與單管 Au 基本相同；單端輸出時，Ad 約為雙端輸出時的一半。 雙端輸出時，Ro = 2Rc；單端輸出時， Ro = Rc 。 (2) 雙端輸出時，理想情況下，KCMR ；單端輸出時，共模抑制比不如雙端輸出高。 (3) 單端輸出時，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，由于引入很強的共模負反饋，兩個管子仍基本工作在差分狀態(tài)。 (5) 單端輸出時， Rid 2(R + rbe)。,雙端輸出時不能與后級共地,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，輸入信號及負載的兩端均不接地的情況。,1. Ad 約為雙端輸出時的一半。 2. 由于引入共模負反饋，仍有較高的KCMR。 3.適用于將雙端輸入轉換為單端輸出。,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、將單端輸入轉換為雙端輸出。,1. Ad 約為雙端輸出時的一半。 2.比單管放大電路具有較強的抑制零漂的能力。 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：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、有源負載（rce大）,圖 4.2.17有源負載單管共射放大電路,VT1：放大三極管； VT2：有源負載； 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。,基準電流,有源負載的差分放大電路,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，輸出電流:

12、因 ic2 =- ic1= - ic3 = - ic4 io = ic4 - ic2 = 2ic4 即，相當于雙端輸出的電流變化量,該電路有相當于雙端輸出時的 io ，在集成運放中的應用十分廣泛。,圖 4.2.18有源負載的差分放大電路,二、復合管,優(yōu)點,可以獲得很高的電流放大系數(shù) ； 提高中間級的輸入電路； 提高了集成運放總的電壓放大倍數(shù)。,復合管的構成：,iB1,由兩個或兩個以上三極管組成。,復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 均比一個管子 1、rbe1 提高了很多倍。,圖 4. 2.19,構成復合管時注意,1.

13、 前后兩個三極管連接關系上，應保證前級輸出電流與后級輸入電流實際方向一致。 2. 外加電壓的極性應保證前后兩個管子均為發(fā)射結正偏，集電結反偏，使管子工作在放大區(qū)。,復合管的接法,(a) NPN 型,(b) PNP 型,圖 4. 2. 20復合管的接法,圖 4. 2. 20復合管的接法,結 論,1. 兩個同類型的三極管組成復合管，其類型與原來相同。復合管的 1 2，復合管的 rbe = rbe1 (1+1)rbe2 。 2. 兩個不同類型的三極管組成復合管，其類型與前級三極管相同。復合管的 1 2，復合管的 rbe = rbe1 。 3. 在集成運放中，復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、互補對稱電路,工作原理： VT1及 VT2微導通,當輸入正弦電壓 uI 時,uI 0，VT1 導通，VT2 截止 iC1：+VCC VT1 RL 地,uI 0，VT2 導通，VT1 截止 iC2：地 RL VT2 -VCC,當 uI 為正弦電壓時，iL 與 uO 基本上也是正弦波。,圖 4. 2. 21互補對稱輸出級,說明：,1. 互補對稱電路工作在射極輸出器狀態(tài)，輸出電阻低，帶負載能力強。 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、由復合管組成的功率輸出級,圖 4.2.3由互補對稱電路,圖 4.2.24準互補

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

16、, Re 愈大，則 IEm 愈??；, 溫度升高， UD、 UBE 降低，IEm 減小。更有利于保護在高溫下的集成運放。,圖 4. 2. 25過載保護電路,4.3集成運放的典型電路,典型的集成運放,雙極型集成運放 F007,CMOS 集成運放 C14573,一、引腳,4.3.1雙極型集成運放 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,基準電流：,基準電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。,各路偏置電流的關系：,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 有源負載；,VT4 集電極送出單端輸出信號至中間級。,uO,RW 調零電阻，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。 4. 該電路具有共模負反饋，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互補對稱放大管的基極。,中間級 VT16、 VT17 組成復合管， VT15 作為其有源負載。,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 準互補對稱電路；,VD1、 VD2 、R9、R10 過載保護電路；,VT15 、R7、R8 為功率管提供靜態(tài)基流。,調節(jié) R7、

19、R8 阻值可調節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為 UBE 擴大電路。,4.4集成運放的主要技術指標(P179),集成運算放大器的符號,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； 實際情況 Aod 為 100 140 dB。,圖 4.4.1運算放大器的符號,二、輸入失調電壓 UIO,三、輸入失調電壓溫漂 UIO,定義：,為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。,一般運放：UIO 為 1 10 mV；,高質量運放：UIO 為 1 mV 以下。,定義：,一般運放為 每度 10 20 V；,高質量運放低于每度 0.5 V 以下；,四、輸入

20、失調電流 IIO,五、輸入失調電流溫漂 IIO,當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即,定義：,一般運放為 幾十 一百納安；高質量的低于 1 nA。,定義：,一般運放為 每度幾納安；高質量的每度幾十皮安。,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，兩個輸入端偏置電流的平均值。,定義：,一般集成運放為幾兆歐。,定義：,多數(shù)集成運放在 80 dB 以上，高質量的可達 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 時的頻率。一般集成運放 fH 只有幾赫至幾千赫。,十二、 單位增益帶寬 BWG,Aod 降至 0 dB 時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于 1 。,十三、 轉換速率 SR,額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為 V / s 。,在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的 SR 值。,其他技術指標還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。,4.5理想運算放大器(P279),4.5.1理想運放的技術指標,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理想運放工作在線性區(qū)時的特點,輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系，即,理想運放工作在線性區(qū)特點：,1. 理想運放的差模輸入電壓等于零,即,“虛短”,圖 4.5.1集成運放的電壓和電流,2. 理想運放的輸入電流等于零,由于 rid = ，兩個輸入端均沒有電流，即,“虛斷”,4.5.3理想運放工作在非線性區(qū)時的特點,傳輸特性,+UOPP,-UOPP,圖 4.5.2集成運放的傳輸特性,理想運放工作在非線性區(qū)特點：

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