集成運算放大電路課件

1、2022-1-211第四章第四章 集成運算放大電路集成運算放大電路4.1 集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述4.2 集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源電路4.3 集成運放電路簡介集成運放電路簡介4.4 集成運放的指標(biāo)及低頻等效電路集成運放的指標(biāo)及低頻等效電路4.5 集成運放的種類及選擇集成運放的種類及選擇4.6 集成運放的使用集成運放的使用2022-1-2124.1 集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述 集成電路集成電路(Integrated circuit_IC)(Integrated circuit_IC)是利用氧化，是利用氧化，光刻，擴散，外延，蒸鋁等半導(dǎo)體工藝，把晶光刻

2、，擴散，外延，蒸鋁等半導(dǎo)體工藝，把晶體管，電阻，導(dǎo)線等集中制作在一小塊半導(dǎo)體體管，電阻，導(dǎo)線等集中制作在一小塊半導(dǎo)體（硅）基片上，構(gòu)成一個完整的電路。（硅）基片上，構(gòu)成一個完整的電路。2022-1-2134.1.1 4.1.1 集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點5在集成電路中，在集成電路中，NPN管都做成縱向管，管都做成縱向管， 大；大；PNP管都做成橫向管都做成橫向管，管， 小而小而PN結(jié)耐壓高。結(jié)耐壓高。NPN管和管和PNP管無法配對使用。對管無法配對使用。對PNP管，管， 和和 ( +1)差別大，差別大，IB往往不能忽略。往往不能忽略。1單個元件精度不高，受溫度影響也大，但元器

3、件的性能參數(shù)比較單個元件精度不高，受溫度影響也大，但元器件的性能參數(shù)比較一致，對稱性好。適合于組成差動電路。一致，對稱性好。適合于組成差動電路。2阻值太高或太低的電阻不易制造，在集成電路中管子用得多而阻值太高或太低的電阻不易制造，在集成電路中管子用得多而電阻用得少。電阻用得少。3大電容和電感不易制造，多級放大電路都用直接耦合。大電容和電感不易制造，多級放大電路都用直接耦合。4. 在集成電路中，常用二極管和三極管組成的恒流源和電流源代替在集成電路中，常用二極管和三極管組成的恒流源和電流源代替大的集電極電阻和提供微小的偏量電流，二極管用三極管的發(fā)射結(jié)大的集電極電阻和提供微小的偏量電流，二極管用三極

4、管的發(fā)射結(jié)代替。代替。2022-1-2144.1.2 4.1.2 集成運放的組成及各部分的作用集成運放的組成及各部分的作用對輸入級的要求：對輸入級的要求：盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,盡量提高盡量提高 KCMR , 輸入阻輸入阻抗抗 ri 盡可能大。盡可能大。對中間級的要求：對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級的要求：對輸出級的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流出電流io 。即輸出阻抗。即輸出阻抗 ro小。小。偏置電路：偏置電路：為各級設(shè)置合適的靜態(tài)工作點為各級設(shè)置合適的靜態(tài)工作點2022-1-215集成運放的符號集

5、成運放的符號uPuN uoAod u u+ uoAo同相輸入端：同相輸入端：uP、u反相輸入端：反相輸入端：uN、u 運放的電壓傳輸特性運放的電壓傳輸特性RCII222222 線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)：線性區(qū)：000210)(CCIISSSS 飽和區(qū)：飽和區(qū)：0022CCISSI 飽和區(qū)飽和區(qū)4.1.3 4.1.3 集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性2022-1-2164.2 集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源電路4.2.1 基本電流源電路基本電流源電路一、一、 鏡像電流源鏡像電流源 current mirror0033DDISSI T T0 0、T T1 1對稱。對稱。（常數(shù)）（常

6、數(shù)）0011DDISSI 0022DDISSI AIIIRUICCRTC 28)ln(1010410 mAIIRC52. 0213 電路具有溫度補償作用：電路具有溫度補償作用：溫度溫度IIC1C1 I IC1 C1 I ICOCOIIR RUUR RUUB BIIB B2022-1-217二、比例電流源二、比例電流源希望得到：希望得到：IC1 IR。1211/bebLceceurRRrrA 當(dāng)當(dāng)Re0、Re1差別不太大時：差別不太大時：由于由于Re0、Re1的存在，的存在，IC1的穩(wěn)定性比鏡像電流源好。的穩(wěn)定性比鏡像電流源好。2022-1-218三、微電流源三、微電流源 Widlar curr

7、ent mirror希望得到：很小的希望得到：很小的IC1( A級級)。而而R又不能太大，前面的電流源電路不適用。又不能太大，前面的電流源電路不適用。beLbeLcecerRrRrr1211/ NoImage電路中，電路中， 11時：時：413CCCiii 1242CCCOi i i i )/(2421LcecebeBOIdOduRrrriiuuA NoImage2022-1-2194.2.2 改進電流源電路改進電流源電路一、加射極輸出的電流源一、加射極輸出的電流源NoImageIC1與與IR的不同是由于的不同是由于2IB引起的。引起的。 加入電流放大電路加入電流放大電路NoImageNoIm

8、ageNoImageNoImageNoImageNoImage2022-1-2110NoImageNoImage二、二、 威爾遜電流源威爾遜電流源NoImage對基本對基本3管電流源進行改進，使管電流源進行改進，使IC1與與IR更加接近。更加接近。12=22EEII22)2)(1 (22=EINoImageWilson Current SourcePNP威爾遜電流源威爾遜電流源NoImage221)2)(1 (22=CI2022-1-21114.2.3. 多路電流源電路多路電流源電路NoImage同時有多路電流輸出。同時有多路電流輸出。1. 1. 基于比例電流源基于比例電流源NoImage各各

9、BJT的的UBE近似相等，有：近似相等，有：2. 2. 基于多集電極三極管基于多集電極三極管NoImage各集電極的面積為各集電極的面積為S0、S1、S2，有：，有：NoImageNoImageNoImageNoImage2022-1-21123. MOS管多路電流源管多路電流源各各MOS管溝道的管溝道的W/L為為S0、S1、S2、S3，則，則NoImageNoImageNoImageNoImage2022-1-2113例題：例題：電路如圖所示，計算：電路如圖所示，計算：IR、IC10、IC13。mARUUVIBEEBCCR73. 0251112 解：解：NoImageNoImage2022-

10、1-21144.2.3 電流源負(fù)載放大電路電流源負(fù)載放大電路為了提高電路的增益為了提高電路的增益Au，用電流源替代，用電流源替代Rc/Rd。一、有源負(fù)載共射電路一、有源負(fù)載共射電路NoImageNoImage有源負(fù)載電路有源負(fù)載電路實際電路實際電路NoImage微變等效電路微變等效電路NoImageT2、T3沒有輸入信號，受控源開路。沒有輸入信號，受控源開路。電路增益電路增益NoImage基本共射電路基本共射電路2022-1-2115二、二、 有源負(fù)載差分電路有源負(fù)載差分電路電路：電路：電流鏡的作用電流鏡的作用 由于鏡像電流源的作用，增益是電阻負(fù)載的由于鏡像電流源的作用，增益是電阻負(fù)載的2倍。

11、倍。電路增益電路增益NoImageNoImage21CCIdiiu NoImageNoImage差差模模信信號號NoImage 單端輸出結(jié)構(gòu)單端輸出結(jié)構(gòu)。2022-1-21164.3 集成運放簡介集成運放簡介一、一、F007電路電路1. 偏置電路：偏置電路： T12、R5和和T11產(chǎn)產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。生基準(zhǔn)電流。分分 析析 T10、T11和和R4組成組成微電流源；微電流源；T8和和T9鏡象電流源。鏡象電流源。 T12和和T13管電流源作管電流源作為中間級的有源負(fù)載、為中間級的有源負(fù)載、并為輸出級提供偏置。并為輸出級提供偏置。4.3.1 雙極型集成運放雙極型集成運放2022-1-21172. 輸入電

12、路：輸入電路： T1 、T2和和 T3 、T4管管組成共集一共基復(fù)合組成共集一共基復(fù)合差動輸入電路。差動輸入電路。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3組成鏡象電流組成鏡象電流源，作為差動輸入級源，作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提的有源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。高輸入級的增益。3. 中間級：中間級： T16和和T17是復(fù)合管組是復(fù)合管組成的共射放大電路，成的共射放大電路，T13管作這一級的集管作這一級的集電級有源負(fù)載。電級有源負(fù)載。4. 輸出級：輸出級：T14和和T18、T19 管組成互補輸出級。管組成互補輸出級。T15與與R7、R8組成電壓源，提供靜態(tài)偏置。組成電壓源，提供靜態(tài)偏

13、置。D1、D2為過流保護電路。為過流保護電路。2022-1-2118二、二、LM324電路電路2022-1-2119LM324簡化電路簡化電路(1/4)2022-1-2120MC14573電路電路T1、T2、T7、R：多路電流源：多路電流源T3、T4、T5、T6：有源負(fù)載差分放大：有源負(fù)載差分放大T8：共源放大：共源放大運放實物圖片運放實物圖片4.3.2 單極型集成運放單極型集成運放2022-1-21214.4.1 4.4.1 集成運放的主要性能指標(biāo)集成運放的主要性能指標(biāo)1.1.開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益A Aodod在集成運放無外加反饋時差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益。在集成運放無外加反饋時差模

14、放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益。)uu(uANPoododAlg20常用分貝：6060180 dB ,F007:100dB180 dB ,F007:100dB左右。左右。2.2.共模抑制比共模抑制比K KCMRCMRocodCMRAAKCMRKlg20常用分貝：8080180 dB ,F007:80dB180 dB ,F007:80dB左右。左右。 4.4 集成運放性能指標(biāo)和低頻等效電路集成運放性能指標(biāo)和低頻等效電路2022-1-21223. 3. 差模輸入電阻差模輸入電阻r ridid在輸入差模信號時的輸入電阻。在輸入差模信號時的輸入電阻。IIdidIUrF007:F007:大于大于2M2M； 反

15、映反映U UBEBE的失配的失配 r ridid 越大從信號源索取的電流越小。越大從信號源索取的電流越小。4.4.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓U UIOIO及其溫漂及其溫漂dUdUIOIO/dT/dTU UIOIO是使輸出電壓為零時，在輸入端所加的補償電壓。是使輸出電壓為零時，在輸入端所加的補償電壓。od0UOIOAUUIF007:2F007:210mV,OP177:4uV 10mV,OP177:4uV 。2022-1-2123dUIO/dT是是UIO 的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要參數(shù)。的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要參數(shù)。低漂移低漂移1uV/1uV/, ,超低漂移超低漂移0.1UUicmax

16、icmax時，運放不能正常工作。時，運放不能正常工作。8.8.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓U UIdmaxIdmax U UIdmaxIdmax是不至于使是不至于使PNPN結(jié)反向擊穿允許的最大差模輸入電壓。結(jié)反向擊穿允許的最大差模輸入電壓。FOO7:FOO7: 30V 30V2022-1-21259.-3dB9.-3dB帶寬帶寬f fH Hf fH H是使是使A Aodod下降下降3dB3dB時的信號頻率。時的信號頻率。FOO7:FOO7:7Hz7Hz10.10.單位增益帶寬單位增益帶寬f fc cf fc c是使是使A Aodod下降到零分貝時的信號頻率。下降到零分貝時的信號頻率。理想運

17、放：理想運放： A Aodod 、K KCMRCMR、r ridid、f fH H等均為等均為， U UIOIO、dUdUIOIO/dT/dT、I IIOIO、dIdIIOIO/dT /dT 、I IIBIB等均為等均為0 0。11. 11. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SRSR：集成運放對信號變化速度的適應(yīng)能力集成運放對信號變化速度的適應(yīng)能力.2022-1-2126說明說明參數(shù)參數(shù)典型值典型值LM324 A741 MC14573開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益 Aod)/(NPOuuu 105 2 105 3 104共模抑制比共模抑制比 KCMR=20lg(AOd / AOc )80 dB 90 80單位增益

18、帶寬單位增益帶寬fCAOd1時的頻率時的頻率1.3 MHz 1.4轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率S Rmaxd/dtuO 0.4 V / s 0.5 2.5輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO2 mV 1 5Input Offset Voltage30 nA 20 0.22B1BII 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO輸入偏置電流輸入偏置電流IIB2/ )(2B1BII 150 nA 80 1最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓UIcmaxVCC1.5 VCC VCC2KCMR下降下降最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓UIdmax32 V 30差分管擊穿差分管擊穿差模輸入電阻差模輸入電阻rid 2 M 2022-1-212

19、74.4.2 4.4.2 集成運放的低頻等效電路集成運放的低頻等效電路輸入等效電路輸入等效電路輸出等效電路輸出等效電路簡化等效電路簡化等效電路rO：輸出電阻：輸出電阻 數(shù)量級數(shù)量級理想運放理想運放Aod 、 KCMR 、 rid、 fC、 S R ro 、UIO、 IIB、 IIO 。02022-1-21284.5 4.5 集成運放的種類及選擇集成運放的種類及選擇4.5.1集成運放的發(fā)展概況集成運放的發(fā)展概況4.5.2集成運放的種類集成運放的種類一、按工作原理分類一、按工作原理分類1.電壓放大型電壓放大型F007、F3242.電流放大型電流放大型LM3900、F19003.跨導(dǎo)型跨導(dǎo)型LM30

20、80、F30804.互阻型互阻型AD8009、AD80112022-1-21291.可變增益運放可變增益運放2.選通運放選通運放二、按可控性分類二、按可控性分類1.高精度型高精度型性能特點：性能特點：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。制比很高，誤差小。（F5037）三、按性能指標(biāo)分類三、按性能指標(biāo)分類2022-1-21302.低功耗型低功耗型性能特點：性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2 個數(shù)量個數(shù)量級級( (不超過毫瓦級不超過毫瓦級) )，要求電壓很低，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。有較高的開環(huán)差模增

21、益和共模抑制比。（TLC2552）3.高阻型高阻型性能特點：性能特點：通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達入電阻高達 1012 。高阻型運放可用在測量放大器、采樣高阻型運放可用在測量放大器、采樣-保持保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。信號源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）2022-1-21314.高速型高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至轉(zhuǎn)換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達高達 1 000 V/ s，單位增

22、益帶寬可達，單位增益帶寬可達 10 MHz，甚至幾百兆歐。，甚至幾百兆歐。性能特點：性能特點：常用在常用在A / D 和和 D / A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。精度比較器等電路中。（F3554）2022-1-21325.高壓型高壓型性能特點：性能特點： 輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。功耗大。6.大功率型大功率型性能特點：性能特點：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電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。流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。

23、4.5.3運放的選擇運放的選擇（略）（略）2022-1-21334.6集成運放的使用集成運放的使用一、集成運放的外引線（管腳）一、集成運放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1. 不能調(diào)零不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；集成運放內(nèi)部損壞；集成運放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成造成“堵塞堵塞”現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因4.6.1使用時必做的工作使用時必做的工作2022-1-21342. 漂移現(xiàn)象嚴(yán)重漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點存在虛焊點運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾集成運放靠近發(fā)熱元件集成運放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格原因原因3. 產(chǎn)生自激振蕩產(chǎn)生自激振蕩消振消振措施措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯防止反饋極性接錯避免負(fù)反饋過強避免負(fù)反饋過強合理安排接線，防止雜散電容過大合理安排接線，防止雜散