第四章集成運算放大電路學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第四章集成第四章集成(j chn)運算放大電路運算放大電路第一頁，共38頁。2022-4-142集成運放的電路結(jié)構(gòu)集成運放的電路結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)特點特點5在集成電路中，在集成電路中，NPN管都做成縱向管都做成縱向(zn xin)管，管，大；大；PNP管都做成橫向管，管都做成橫向管，小而小而PN結(jié)耐壓高。結(jié)耐壓高。NPN管和管和PNP管無法配對管無法配對使用。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，受溫度單個元件精度不高，受溫度(wnd)影響也大，但元器件的性能影響也大，但元器件的性能參數(shù)比較一致，對稱性好。

2、適合于組成差動電路。參數(shù)比較一致，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電阻用得少。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。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大的集電極電在集成電路中，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)代替。阻和提供微小的偏量電流，二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代替。第1頁/共38頁第二頁，共38頁。2022-4-143集成

3、運放集成運放(yn fn)(yn fn)的組成及各部分的作用的組成及各部分的作用對輸入級的要求：盡量減小零點漂移對輸入級的要求：盡量減小零點漂移(pio y),盡量提高盡量提高 KCMR , 輸輸入阻抗入阻抗 ri 盡可能大。盡可能大。對中間級的要求對中間級的要求(yoqi)(yoqi)：足夠大的電壓放：足夠大的電壓放大倍數(shù)。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，給出足夠的輸出主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流電流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)工作點第2頁/共38頁第三頁，共38頁。2022

4、-4-144集成運放集成運放(yn fn)的符號的符號uPuN uoAod u u+ uoAo同相輸入同相輸入(shr)端端：uP、u反相輸入反相輸入(shr)端端：uN、u 運放的電壓傳輸特性運放的電壓傳輸特性線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)：線性區(qū)：)(NPodOuuAu 飽和區(qū)：飽和區(qū)： )0()0(NPOMNPOMOuuUuuUu飽和區(qū)飽和區(qū)集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性第3頁/共38頁第四頁，共38頁。2022-4-145一、一、 鏡像電流鏡像電流(dinli)源源 current mirrorRUVIBECCR= T T0 0、T T1 1對稱。對稱。（常數(shù)）（常數(shù)）BII2=C

5、CII2=C C2=I RCCI=II 21電路具有溫度補償作用：電路具有溫度補償作用：溫度溫度I IC1C1 I IC1 C1 I ICOCOIIR RUUR RUUB BIIB B第4頁/共38頁第五頁，共38頁。2022-4-146二、比例二、比例(bl)電流源電流源111000eEBEeEBERI=URIU 希望希望(xwng)得到：得到：IC1IR。0e01e1IIeeRR ReeCIRRI101 較較大大 當(dāng)當(dāng)Re0、Re1差別差別(chbi)不太不太大時：大時：VUUBEBE7 . 010 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

6、。第5頁/共38頁第六頁，共38頁。2022-4-147三、微電流三、微電流(dinli)源源 Widlar current mirroreBEBEECRUUII1011 希望得到希望得到(d do)：很小的：很小的IC1(A級級)。而。而R又不能太大，前面的電流源電路不又不能太大，前面的電流源電路不適用。適用。)ln(110CRTBEBEIIUUU )ln(11CReTCIIRUI 電路電路(dinl)中，中， 1時：時：)1( TUUSeIITUUeIIS 正偏正偏RUVIBECCR0 其中，其中，第6頁/共38頁第七頁，共38頁。2022-4-148一、加射極輸出一、加射極輸出(shch

7、)的電流源的電流源201BRCCIIII IC1與與IR的不同的不同(b tn)是由于是由于2IB引起的。引起的。加入電流放大電路加入電流放大電路 1=2REII 12=RBII)(I=ICR 121RCII2221 第7頁/共38頁第八頁，共38頁。2022-4-149 111222CCBCEIIIII 212ECII 二、二、 威爾遜電流威爾遜電流(dinli)源源2120BCBCRIIIII 對基本對基本3管電流管電流(dinli)源進行改進，使源進行改進，使IC1與與IR更加接近。更加接近。12=22EEII22)2)(1 (22=EIRCII222222 Wilson Current

8、 SourcePNP威爾遜電流威爾遜電流(dinli)源源221)2)(1 (22=CI第8頁/共38頁第九頁，共38頁。2022-4-1410多路電流多路電流(dinli)源電路源電路33221100eEeEeEeERIRIRIRI 同時有多路電流同時有多路電流(dinli)輸出。輸出。1. 1. 基于比例基于比例(bl)(bl)電流源電流源各各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各集電極的面積為各集電極的面積為S0、S1、S2，有：，有：0011CCISSI 0022CCISSI 0CBBECCRIIRUVI 000210)(CCII

9、SSSS 第9頁/共38頁第十頁，共38頁。2022-4-14113. MOS管多路電流管多路電流(dinli)源源各各MOS管溝道管溝道(u do)的的W/L為為S0、S1、S2、S3，則，則0011DDISSI 0022DDISSI 0033DDISSI 第10頁/共38頁第十一頁，共38頁。2022-4-1412電路電路(dinl)如圖所示，計算：如圖所示，計算：IR、IC10、IC13。mARUUVIBEEBCCR73. 0251112 解：解：AIIIRUICCRTC 28)ln(1010410 mAIIRC52. 0213 第11頁/共38頁第十二頁，共38頁。2022-4-141

10、3為了提高電路的增益為了提高電路的增益(zngy)Au，用電流源替代，用電流源替代Rc/Rd。一、有源負(fù)載一、有源負(fù)載(fzi)共射電共射電路路有源負(fù)載電路有源負(fù)載電路實際電路實際電路微變等效電路微變等效電路T2、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1211/bebLceceurRRrrA 基本共射電路基本共射電路第12頁/共38頁第十三頁，共38頁。2022-4-1414二、二、 有源負(fù)載有源負(fù)載(fzi)差分電差分電路路電路電路(dinl)：電流電流(dinli)鏡鏡的作用的作用 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

11、的2倍。倍。電路增益電路增益)/(2421LcecebeBOIdOduRrrriiuuA 21CCIdiiu 413CCCiii 1242CCCOiiii 差差模模信信號號beLbeLcecerRrRrr1211/ 單端輸出結(jié)構(gòu)單端輸出結(jié)構(gòu)。第13頁/共38頁第十四頁，共38頁。2022-4-1415一、一、F007電路電路(dinl)1. 偏置偏置(pin zh)電路：電路： T12、R5和和T11產(chǎn)生產(chǎn)生基準(zhǔn)電流?；鶞?zhǔn)電流。分分 析析 T10、T11和和R4組成微組成微電流源；電流源；T8和和T9鏡象鏡象電流源。電流源。 T12和和T13管電流源作為管電流源作為中間級的有源負(fù)載、并中間級的

12、有源負(fù)載、并為輸出級提供偏置。為輸出級提供偏置。第14頁/共38頁第十五頁，共38頁。2022-4-14162. 輸入輸入(shr)電電路：路： T1 、T2和和 T3 、T4管組管組成成(z chn)共集一共基復(fù)共集一共基復(fù)合差動輸入電路。合差動輸入電路。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3組成鏡象組成鏡象(jn xin)電流源，電流源，作為差動輸入級的有作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提高輸源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。入級的增益。3. 中間級：中間級： T16和和T17是復(fù)合管組成是復(fù)合管組成的共射放大電路，的共射放大電路，T13管作這一級的集電級管作這一級的集電級有源負(fù)載。有

13、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)偏置。D1、D2為過流保護電路。為過流保護電路。第15頁/共38頁第十六頁，共38頁。2022-4-1417二、二、LM324電路電路(dinl)第16頁/共38頁第十七頁，共38頁。2022-4-1418LM324簡化簡化(jinhu)電路電路(1/4)第17頁/共38頁第十八頁，共38頁。2022-4-1419MC14573電路電路(dinl)T1、T2、T7、R：多路電流：多路電流(dinli)源源T3、T4、T5、T6：有源負(fù)載差

14、分：有源負(fù)載差分(ch fn)放大放大T8：共源放大：共源放大運放實物圖片運放實物圖片單極型集成運放單極型集成運放第18頁/共38頁第十九頁，共38頁。2022-4-1420集成集成(j chn)(j chn)運放的主要性能指標(biāo)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(zngy)Aod(zngy)Aod在集成運放無外加反饋時差在集成運放無外加反饋時差(shch)(shch)模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益。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

15、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)和低頻等效電路第19頁/共38頁第二十頁，共38頁。2022-4-14213. 3. 差模輸入電阻差模輸入電阻r ridid在輸入在輸入(shr)(shr)差模信號時的輸入差模信號時的輸入(shr)(shr)電阻。電阻。IIdidIUrF007:F007:大于大于2M2M； 反映反映(fnyng)UBE(fnyng)UBE的失配的失配 rid rid 越大從信號源索取越大從信號源索

16、取(suq)(suq)的電流越小。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 。第20頁/共38頁第二十一頁，共38頁。2022-4-1422dUIO/dT是是UIO 的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要(zhngyo)參數(shù)。參數(shù)。低漂移低漂移(pio y)1uV/,(pio y)1uV/,超低漂移超低漂

17、移(pio y)0.1(pio y)UUicmaxicmax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 30V第22頁/共38頁第二十三頁，共38頁。2022-4-14249.-3dB9.-3dB帶寬帶寬(di (di kun)fHkun)fHfHfH是使是使AodAod下降下降(xijing)3dB(xijing)3dB時時的信號頻率。的信號頻率。FOO7:FOO7:7Hz7

18、Hz10.10.單位單位(dnwi)(dnwi)增益帶寬增益帶寬fcfcf 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.第23頁/共38頁第二十四頁，共38頁。2022-4-1425說明說明參數(shù)參數(shù)典型值典型值LM32

19、4 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單位增益帶寬單位增益帶寬fCAOd1時的頻時的頻率率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

20、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 第24頁/共38頁第二十五頁，共38頁。2022-4-1426集成運放集成運放(yn fn)(yn fn)的低頻等效電路的低頻等效電路輸入輸入(shr)等效電等效電路路輸出輸出(shch)等效電等效電路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 。0第25頁/共38頁第二十六頁，共38頁。2

21、022-4-14274.5 4.5 集成集成(j chn)(j chn)運放的種類及選擇運放的種類及選擇集成運放的發(fā)展集成運放的發(fā)展(fzhn)概況概況集成運放集成運放(yn fn)的種的種類類一、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LM3080、F30804.互阻型互阻型AD8009、AD8011第26頁/共38頁第二十七頁，共38頁。2022-4-14281.可變增益可變增益(zngy)運放運放2.選通運放選通運放二、按可控性分類二、按可控性分類(fn li)1.高精度型高精度型性能性能(

22、xngnng)特特點：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)分類第27頁/共38頁第二十八頁，共38頁。2022-4-14292.低功耗型低功耗型性能性能(xngnng)特點：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)差模增益和共模有較高的開環(huán)差模增益和共模(n m)抑制比。（抑制比。（TLC2552）3.高阻型高阻型性能性能(xngnng)特點：特點：通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入

23、級，輸入電通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達阻高達 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-保持電路保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)、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。阻很高的電路中。（F3130）第28頁/共38頁第二十九頁，共38頁。2022-4-14304.高速高速(o s)型型大信號工作狀態(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)換速率轉(zhuǎn)換速率(sl)可達每微秒幾十至幾百伏，可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達甚至高達 1 000 V/s，單位增益帶寬可達，單位增益帶寬可達 10 MHz

24、，甚至幾百兆歐。，甚至幾百兆歐。性能性能(xngnng)特點：特點：常用在常用在A / D 和和 D / A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。度比較器等電路中。（F3554）第29頁/共38頁第三十頁，共38頁。2022-4-14315.高壓高壓(goy)型型性能性能(xngnng)特點：特點：輸出電壓輸出電壓(diny)動態(tài)范圍大，電源電動態(tài)范圍大，電源電壓壓(diny)高，功耗大。高，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流可提供較高的輸出電壓較大的輸出電

25、流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。運放的選擇運放的選擇（略）（略）第30頁/共38頁第三十一頁，共38頁。2022-4-14324.6集成運放集成運放(yn fn)的使的使用用一、集成運放一、集成運放(yn fn)的外引線（管腳）的外引線（管腳）二、使用二、使用(shyng)中可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象中可能出現(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)為輸入信號過大而造重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成

26、成“堵塞堵塞”現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因使用時必做的工作使用時必做的工作第31頁/共38頁第三十二頁，共38頁。2022-4-14332. 漂移現(xiàn)象漂移現(xiàn)象(xinxing)嚴(yán)重嚴(yán)重存在存在(cnzi)虛焊點虛焊點運放產(chǎn)生運放產(chǎn)生(chnshng)自激振蕩或受強電磁場自激振蕩或受強電磁場干擾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，防止雜散電容過大第32頁/共38頁第三十三頁，共38頁。2022-4-1434保護措施保護措施一、輸入一、輸入(shr)保護保護(a)(a)防止輸入防止輸入(shr)(shr)差差模信號幅值過大模信號幅值過