集成運算放大電路

1、第四章 集成運算放大電路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成運放中的電流源集成運放中的電流源4.3 4.3 集成運放集成運放的的電路分析電路分析及其性能指標(biāo)及其性能指標(biāo)一、集成運放的特點（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用）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。差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性?；⒉粠砉に嚨膹?fù)雜性。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作）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

2、阻。的大電阻。（4）采用復(fù)合管。）采用復(fù)合管。 集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接集成運算放大電路，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。耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。4.14.1 概述 ri 大大: 幾十幾十k 幾百幾百 k 運放的特點：運放的特點：KCMR 很大很大 ro 小：幾十?。簬资?幾百幾百 Ao 很很大大: 104 107理想運放：理想運放： ri KCMR ro 0 0Ao 運放符號：運放符號：uu+ uo u u+ uoAo國際符號國際符號國內(nèi)符號國內(nèi)符號二、集成運放電路的組成兩個兩個輸入端輸入端

3、一個一個輸出端輸出端 若將集成運放看成為一個若將集成運放看成為一個“黑盒子黑盒子”，則可等效為一個，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。表示符號表示符號集成運放電路四個組成部分的作用前置級，多采用前置級，多采用差分放大電路差分放大電路。要求。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高小，輸入端耐壓高，抗干擾（零漂）?？垢蓴_（零漂）。主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。大能力。功率級，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。要求功率級，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。要求Ro小，最大不小，最大不失真輸出電壓盡可能大

4、。失真輸出電壓盡可能大。為各級為各級放大電路設(shè)置合適放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采的靜態(tài)工作點。采用用電流源電流源電路。電路。F007電路原理圖解決的問題：解決的問題：（1）Q點的偏置：采用電流源。點的偏置：采用電流源。（2）抗干擾（零漂）：輸入級采用差分放大電路?？垢蓴_（零漂）：輸入級采用差分放大電路。（3）Ri，Ro0三、集成運放的符號及電壓傳輸特性 集成運算放大電路因最初為實現(xiàn)信號的運算而得名。集成運算放大電路因最初為實現(xiàn)信號的運算而得名。 高性能：輸入電阻很大、輸出電阻很小、差模放大倍數(shù)很大、高性能：輸入電阻很大、輸出電阻很小、差模放大倍數(shù)很大、共模放大倍數(shù)很小、頻帶很寬、受溫度的影

5、響很小共模放大倍數(shù)很小、頻帶很寬、受溫度的影響很小 不同型號的集成運放供電電源不同，有的兩路電源供電，不同型號的集成運放供電電源不同，有的兩路電源供電，有的一路電源供電，有的兩種情況均可。缺省時認(rèn)為是有的一路電源供電，有的兩種情況均可。缺省時認(rèn)為是VCC （常為（常為15V ）供電。）供電。1. 符號極性相同極性相同極性相反極性相反 由于由于Aod高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。是開環(huán)差

6、模放大倍數(shù)。非線非線性區(qū)性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是集成運放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。，即集成運放工作在非線性區(qū)。2.電壓傳輸特性: :輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系2.電壓傳輸特性: :輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系)(NPodOuuAu)()(NPIOuufufu線性區(qū)線性區(qū)開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益高達(dá)幾十萬倍高達(dá)幾十萬倍非線性區(qū)非線性區(qū)輸出不是高電平輸出不是高電平+UOM就是低電平就是低電平-UOM 若若UOM= 14V，Aod=105，則為保證集成運

7、放工作在線性區(qū)，則為保證集成運放工作在線性區(qū)輸入信號的范圍為多少？輸入信號的范圍為多少？UOM的值決的值決定于什么？定于什么？3. 理想運放及其動態(tài)等效電路 理想運放的參數(shù)特點：理想運放的參數(shù)特點：(差模差模)輸入電阻輸入電阻rid為為、輸出電阻、輸出電阻ro為為0、開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益Aod為為、共模抑制比、共模抑制比KCMR為為、頻帶無限寬、溫度、頻帶無限寬、溫度對參數(shù)無影響。對參數(shù)無影響。問題：1. 若將輸入信號直接加在理想運放的輸入端，則理想運放有若將輸入信號直接加在理想運放的輸入端，則理想運放有可能工作在線性區(qū)嗎？可能工作在線性區(qū)嗎？2. 負(fù)載電阻的阻值變化時，理想運放的輸出電壓

8、變化嗎？為負(fù)載電阻的阻值變化時，理想運放的輸出電壓變化嗎？為什么？什么？輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級-VEE+VCC u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS例圖：例圖：輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級+VCC-VEE u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS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 , , 輸入阻抗輸入阻抗Ri 盡可能大盡可能大。與與uo反相反相與與uo同相同相輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級-VEE+VCC u+uo u反相反相輸入端輸

9、入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS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)。輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級-VEE+VCC u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS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。一、鏡像電流源T0 和和 T1特性完全相同。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。在電流

10、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(fù)反電路中有負(fù)反饋嗎？饋嗎？基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III4.24.2 集成運放中的電流源4.2.1 基本電流源電路T0T1+VCCRRe0Re1IRIC1IC0IB0+ IB1IB1IB0IE0IE1當(dāng)當(dāng)2時時, IC0IE0IR , IC1IE1 , e0C1Re1RIIRCCBERe0VUIRR基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流E1e1E0e0Re0I RIRI Re0CCBEC1e1e0RVUIRRR恒流源恒流源Re1、Re0是電流負(fù)反饋電阻是電流負(fù)反饋電阻, 如何減少如何減少IC1 ?則：則：二、比例電流源二、比例

11、電流源三、微電流源eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU(UUIIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E設(shè)計過程很簡單，首先確定設(shè)計過程很簡單，首先確定IE0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。4.2.2 改進(jìn)型鏡像電流源改進(jìn)型鏡像電流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU ，E20212211IIIIIIIII RCBCCBCC()()基準(zhǔn)電流基

12、準(zhǔn)電流RIII R22C2 CC0C1III 在鏡像電流源中，若在鏡像電流源中，若很小時，比如很小時，比如=10，則，則IC1=0.833IR，與，與IR相差很大。相差很大。若若=10，則，則IC1=0.982IRIR。圖中圖中Re2作用：作用：增大增大IE2=IB0+IB1+IRe2, ,增大增大T2的的, 使使IC1更接近于更接近于IR應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 請判斷電路中哪只管子為放大管？其集電極靜態(tài)電流約為多少？請判斷電路中哪只管子為放大管？其集電極靜態(tài)電流約為多少？寫出電壓放大倍數(shù)表達(dá)式。寫出電壓放大倍數(shù)表達(dá)式。be1bLce2ce11)( rRRrrAu RVVIIBECCRC31 T1

13、管為放大管，管為放大管，T2、T3組成鏡像電流源。組成鏡像電流源。4.2.3 多路電流源 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。確定集電結(jié)面積。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。來確定溝道尺寸。根據(jù)所需靜態(tài)電流選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。根據(jù)所需靜態(tài)電流選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為因為UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3多路電流源多路電流

14、源4.2.4 有源負(fù)載哪只管子為放大管？哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時靜態(tài)時UIQ為多少？為多少？為什么要考慮為什么要考慮h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu用于共射放大電路2. 用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時靜態(tài)時iO約為多少？約為多少？動態(tài)時動態(tài)時iO約為約為多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路的使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。0

15、C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動態(tài)：動態(tài)：2GS(off)GSDSSL)1(UUII sLGSRIU sdso)1(RRgrRsm FET電流源電路電流源電路例例1：圖示為簡化的高精度運放電路原理圖，試分析：圖示為簡化的高精度運放電路原理圖，試分析：（1）兩個輸入端中哪個是同相輸入端，哪個是反相輸入端；）兩個輸入端中哪個是同相輸入端，哪個是反相輸入端；（2）T3與與T4的作用；（的作用；（3）電流源）電流源I3的作用；（的作用；（4）D2與與D3的作用。的作用。 解：（解：（1）uI1為反相輸入端，為反相輸入端，uI2為同相輸入端。為同相輸入端。

16、 （2）為）為T1和和T2管的有源負(fù)載，使單端輸出差分放大電路的差模放大倍管的有源負(fù)載，使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的放大倍數(shù)。數(shù)近似等于雙端輸出時的放大倍數(shù)。 （3）為）為T6設(shè)置靜態(tài)電流，且為設(shè)置靜態(tài)電流，且為T6的集電極有源負(fù)載，增大共射放大電的集電極有源負(fù)載，增大共射放大電路的放大能力。路的放大能力。 （4）消除交越失真。）消除交越失真。一、讀圖方法了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)。指標(biāo)。將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。電路。定性分析每一部分電路的基本功能和性能。

17、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。能和性能。必要時可估算或利用計算機(jī)計算電路的主要必要時可估算或利用計算機(jī)計算電路的主要參數(shù)。參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。4.34.3 集成運放的電路分析及其性能指標(biāo)二、舉例：F007通用型集成運放通用型集成運放 對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信對于集成運放電路，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。號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。原理電路的分析 若在集

18、成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則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(zhǔn)電流。這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。IR微電流源微電流源鏡像電流源鏡像電流源按信號流通順序分析放大電路部分雙端輸入、單端輸雙端輸入、單端輸出差分放大電路出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射恒流源作負(fù)載的共射放大電路放大電路用用UBE倍增電路消除倍增電路消除交越失真的交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級輸出級 若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則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(zhǔn)電流。這個電流往往是偏

19、置電路中的基準(zhǔn)電流。找出偏置電路雙端輸入、單端雙端輸入、單端輸出差分放大電輸出差分放大電路路以復(fù)合管為放大管、以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共恒流源作負(fù)載的共射放大電路射放大電路用用UBE倍增電路消倍增電路消除交越失真的除交越失真的準(zhǔn)準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級互補(bǔ)輸出級三級放大電路三級放大電路簡化電路分解電路輸入級的分析 T3、T4為橫向為橫向PNP型管，輸型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。幅值大。共基形式頻帶寬。共集共集-共基形式共基形式Q點的穩(wěn)定：點的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9與與IC

20、8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9，因，因IC10不變不變 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出輸入級的分析T7的作用：的作用：抑制共模信號抑制共模信號 T5、T6分別是分別是T3、T4的有源負(fù)的有源負(fù)載，而載，而T4又是又是T6的有源負(fù)載，增的有源負(fù)載，增大電壓放大倍數(shù)。大電壓放大倍數(shù)。作用？作用？+_放大差模信號放大差模信號+_特點：特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對完

21、成電平轉(zhuǎn)換（即對“地地”輸出）。輸出）。中間級的分析 中間級是主放大器，它中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。了增大放大倍數(shù)。 F007的中間級是以復(fù)合的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。部流入輸出級。中間級中間級輸出級輸出級輸出級的分析 D1和和D2起過流保護(hù)作用，未起過流保護(hù)作用，未過流時，兩只二極管均截止。過流時，兩只二極管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定

22、程度，增大到一定程度，D1導(dǎo)導(dǎo)通，為通，為T14基極分流，從而?；鶚O分流，從而保護(hù)護(hù)了了T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級，準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。倍增電路消除交越失真。中間級中間級輸出級輸出級電流采樣電阻電流采樣電阻特點：特點：輸出電阻小輸出電阻小最大不失真輸出電壓高最大不失真輸出電壓高判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端和反相輸入端 輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制能力強(qiáng)、允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等。能力強(qiáng)、允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等。1) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 無外加反饋回路的差

23、模放大倍數(shù)。一般在無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間之間, ,理想理想運放的運放的Aodod為為 。2) 共模抑制比共模抑制比KCMR常用分貝作單位，一般常用分貝作單位，一般100dB以上以上。3) 差模輸入電阻差模輸入電阻RidRid1M , 有的可達(dá)有的可達(dá)100M 以上。以上。AuuuodOPN=/ (-)三、集成運放的主要性能指標(biāo) 4) 輸出電阻輸出電阻Ro= =幾幾 - - 幾十幾十 。5) 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓UIcmax 為輸入級能正常工作的情況下允許輸入的最大共模信號為輸入級能正常工作的情況下允許輸入的最大共模信號6) 最大差模輸入電壓最大差模輸

24、入電壓UIdmax 當(dāng)輸入電壓大于此值時，輸入級將損壞當(dāng)輸入電壓大于此值時，輸入級將損壞7) 3dB帶寬帶寬fH fH是使是使Aod下降下降3dB(即下降到即下降到0.707倍倍)時的信號頻率時的信號頻率還有其它一些反映運放對稱性、零漂等的參數(shù)。參見書還有其它一些反映運放對稱性、零漂等的參數(shù)。參見書P203-205。討論一1. 輸入級采用什么措施增大放大倍數(shù)？輸入級采用什么措施增大放大倍數(shù)？2. 中間級采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？中間級采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪個是同相輸入端？哪個是反相輸入端？哪個是同相輸入端？哪個是反相輸入端？有源負(fù)載有源負(fù)載有源負(fù)載有源負(fù)載復(fù)合管共射放大電路復(fù)合管共射放大電路增大輸入級的負(fù)載電阻增大輸入級的負(fù)載電阻_+_+反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端積累電流放大積累電流放大系數(shù)系數(shù)超超管管按工作原理按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電壓放大型：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電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量為電壓互阻型：輸入量為電流，輸出量為電壓按可控性按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小可控增益：利用外加控制