講 集成運算放大電路PPT課件

1、第十三講第十三講 集成運算放大電路集成運算放大電路一、概述二、集成運放中的電流源電路三、集成運放電路分析四、集成運放的主要性能指標五、集成運放的種類第1頁/共31頁一、一、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2 2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復(fù)雜并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4 4）采用復(fù)合管。 1. 集成運放的特點 集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。第2頁/共31頁2. 集成運放電路的組成兩個輸入端一個

2、輸出端 若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。第3頁/共31頁集成運放電路四個組成部分的作用前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大， Ac小，輸入端耐壓高。主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。第4頁/共31頁3. 集成運放的符號和電壓傳輸特性 uO=f(uP-uN) 由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是

3、開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是UOM , 就是UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。第5頁/共31頁二、集成運放中的電流源電路二、集成運放中的電流源電路1. 鏡像電流源T0 和 T1 特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，則若在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負反饋嗎？基準電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III第6頁/共31頁2. 微電流源 要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU

4、(UUIIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E設(shè)計過程很簡單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re第7頁/共31頁3. 多路電流源（1 1）基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為UBE相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3第8頁/共31頁（2 2）多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。設(shè)三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則0

5、2C0C201C0C1SSIISSII，第9頁/共31頁（3 3）MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。 MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長比。 設(shè)寬長比W/L=S，且T1T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基準電流第10頁/共31頁4. 有源負載1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時UIQ為多少？為什么要考慮 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu第11頁/共31頁（2）用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時iO約為多少？動態(tài)時iO約為多少

6、？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動態(tài)：第12頁/共31頁三、集成運放電路分析三、集成運放電路分析1. 讀圖方法了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標。將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。定性分析每一部分電路的基本功能和性能。電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。第13頁/共31頁2. 舉例：型號為F007的通用型集成運放 對于

7、集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。第14頁/共31頁 若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。找出偏置電路找出偏置電路第15頁/共31頁雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級三級放大電路簡化電路簡化電路分解電路分解電路第16頁/共31頁輸入級的分析輸入級的分析 T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8

8、 IC9與IC8為鏡像關(guān)系IC9因為IC10不變IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出第17頁/共31頁輸入級的分析輸入級的分析T7的作用：抑制共模信號 T5、T6分別是T3、T4的有源負載，而T4又是T6的有源負載。作用？+_放大差模信號+_特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對“地”輸出）。第18頁/共31頁中間級的分析中間級的分析 中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。 F007的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于等效的集電極電

9、阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級輸出級第19頁/共31頁輸出級的分析輸出級的分析D1和D2起過流保護作用，未過流時，兩只二極管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，D1導通，為T14基極分流，從而保護了T14。準互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。中間級輸出級電流采樣電阻特點：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高第20頁/共31頁判斷同相輸入端和反相輸入端第21頁/共31頁F007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號的能力較強Ac較小：抑制共模信號的能力較強rid較大：從信號源索取的電流小ro?。簬ж撦d能力強Uom大：其峰值接近電源電壓 輸入端耐壓高：使輸

10、入端不至于擊穿的差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓第22頁/共31頁四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK第23頁/共31頁四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 UIO的溫漂dUIO/dT() 幾V/ 0UIO的溫漂dUIO/dT() 幾V/ 0輸入失調(diào)電流 IIO 20nA 0IIO的溫漂dIIO/dT() 幾nA/ 0 使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。B2B1IOIII

11、第24頁/共31頁四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 最大共模輸入電壓 UIcmax 13V-3dB帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓 UIdmax 30V超過此值輸入級差分管將損壞。上限截止頻率。maxOddtuSR 對大信號的反應(yīng)速度為什么這么低？第25頁/共31頁四四、集成運放的主要性能指標、集成運放的主要性能指標 開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV 0UIO的溫漂d UIO/dT() 幾V/ 0 輸入失

12、調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0UIO的溫漂d UIO/dT() 幾nA/ 0 最大共模輸入電壓 UIcmax 13V 最大差模輸入電壓 UIdmax 30V -3dB帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 第26頁/共31頁五、集成運放的種類五、集成運放的種類按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信 號控制那個通道的信號放大第27頁/共31

13、頁五、集成運放的種類五、集成運放的種類按性能指標rid，可高于1012。 用于測量放大器、信號發(fā)生器。 fH和SR高， fH可達1.7GHz，SR可達 103V/S。 用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益， Aod高于105dB。 用于微弱信號的測量與運算、高精度設(shè)備。工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在100200W。 用于空間技術(shù)、軍事科學和工業(yè)中的遙感遙測。通常情況下用通用型運放，特殊情況下才用專用型運放。第28頁/共31頁討論一討論一根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運放填入空內(nèi)。已知現(xiàn)有集成運放的類型是： 通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高壓型 大功率型 高精度型1. 作低頻放大器，應(yīng)選用 。2. 作寬頻帶放大器，應(yīng)選用 。3. 作幅值為1V以下微弱信號的量測放大器，應(yīng)選用 。4. 作內(nèi)阻為10M信號源的放大器，應(yīng)選用 。5. 負載需5A電流驅(qū)動的放大器，應(yīng)選用 。6. 要求輸出