集成放大電路【VIP專享】課件

1、第四章 集成運(yùn)算放大電路福建師范大學(xué)福清分校內(nèi)容提要1、了解集成化元器件及其特點(diǎn)2、掌握集成差動(dòng)放大電路的構(gòu)成、放大差模抑制共模的工作原理及分析方法3、掌握電流源電路的特點(diǎn)及典型的電流源電路4、理解功率輸出級(jí)電路與小信號(hào)放大電路的區(qū)別及集成運(yùn)算電路的一般結(jié)構(gòu)形式 5、集成運(yùn)算放大器在線性和非線性應(yīng)用方面常用電路的組成、工作原理和電路功能4.1集成放大電路的特點(diǎn)將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上的電路稱為集成電路。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、 體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集 成電路；中、大、超大規(guī)模集成電路等集成電路的特點(diǎn)：1、不易制造大電阻。需要大

2、電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載2、元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路3、只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外4、不能制造電感，如需電感，也只能外接。5、集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下4.2 集成運(yùn)放的基本組成部分輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用電流源電路輸入級(jí)：通常由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗中間級(jí)：通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)輸出級(jí)：通常由互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電

3、阻，提高電路的帶負(fù)載能力4.2.1 偏置電路一、鏡像電流源當(dāng)滿足條件由于輸出IC2和基準(zhǔn)電流IREF相等，它們之間如同鏡像的關(guān)系，故稱為鏡像電流源。二、比例電流源VT1VT2UBE1UBE2IC1IC2IB1IB2RIREF+VCCR1R2兩個(gè)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。三、微電流源微電流源VT1VT2UBE1UBE2IC1IC2IB1IB2RIREF+VCCReVT2能得到微安級(jí)的輸出電流，同時(shí)電阻值又不太大，稱為微電流源。設(shè)得例：下圖所示為多集電極晶體管構(gòu)成的多路電流源。已知集電極C0與C1所接集電區(qū)的面積相同，C2所接集電區(qū)的面積是C0的兩倍，I

4、CO/IB= 4，e-b間電壓約為0.7V。試求解IC1、IC2各為多少？ 解：多集電極晶體管集電極電流正比于集電區(qū)的面積。 先求出R中電流，再求解IC1、IC2。 4.2.2 差分放大輸入級(jí)一、基本形式差分放大電路1、電路組成uoRC1Rb1VT1R1RC2Rb2VT2R2+VCCuId電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，輸出端的零點(diǎn)漂移將互相抵消差模輸入電壓2、電壓放大倍數(shù)假設(shè)每一邊單管放大電路的電壓放大倍數(shù)為Au1，則VT1和VT2 的集電極輸出電壓的變化量分別為：故差模電壓放大倍數(shù)為3、共模抑制比+VCCuouICRCRbVT1RRCRbVT2R共模輸入電壓差模電壓放大倍數(shù):共模電壓放大倍數(shù):共模抑制比描述

5、差分放大電路對(duì)零漂的抑制能力。共模抑制比愈大，抑制零漂的能力愈強(qiáng)。理想情況下，兩管輸出端的溫漂完全抵消，則共模電壓放大倍數(shù) AC=0，共模抑制比KCMR= 。共模抑制比:差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比二、長(zhǎng)尾式差分放大電路1、電路組成uoRCVT1RRCVT2R+VCCuIdRe-VEE長(zhǎng)尾式差分放大電路2、靜態(tài)分析靜態(tài)基極電流為靜態(tài)集電極電流和電位為（對(duì)地）靜態(tài)基極電位為（對(duì)地）3、動(dòng)態(tài)分析uoRCVT1RRCVT2R交流通路差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為輸出電阻為三、恒流源式差分放大電路（動(dòng)態(tài)分析與長(zhǎng)尾式相同）靜態(tài)分析：為了簡(jiǎn)化，常不把恒流源式差分放大電路中VT3具體電路畫(huà)出，采

6、用簡(jiǎn)化的恒流源符號(hào)表示。 四、差分放大電路的輸入、輸出接法差動(dòng)放大電路具有四種不同的工作狀態(tài)：雙端輸入，雙端輸出； 單端輸入，雙端輸出；雙端輸入，單端輸出； 單端輸入，單端輸出。單端輸入： 單端輸入和雙端輸入并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，可以直接利用雙端輸入時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算單端輸出： 單端輸出的輸出信號(hào)可以取自VT1或VT2的集電極 （1）單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)Aud1 （2）單端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)Auc1 （3）單端輸出時(shí)的共模抑制比KCMR （4）單端輸出時(shí)差動(dòng)放大電路的輸出電阻rod1、差分輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEIR+2、差分輸入、單端輸出RcVT

7、1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEIR+若從VT2 集電極輸出，表達(dá)式中 沒(méi)有負(fù)號(hào)。 3、單端輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+4、單端輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若從VT2 集電極輸出，表達(dá)式中 沒(méi)有負(fù)號(hào) 例：電路如下圖所示，具有理想的對(duì)稱性。設(shè)各管均相同。 （1）說(shuō)明電路中各晶體管的作用 （2）若輸入差模電壓為（uI1uI2），則由此產(chǎn)生的差模電流為iD，求解電路電流放大倍數(shù)Ai的近似表達(dá)式。解：（1）圖示電路為雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。T1和T2、T3和T4分別組成的復(fù)合管為放大管，T5和T6組成的鏡像電

8、流源為有源負(fù)載。（2）由于用T5和T6所構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負(fù)載，將左半部分放大管的電流變化量轉(zhuǎn)換到右邊，故輸出電流變化量及電路電流放大倍數(shù)分別為 四種接法性能比較：輸入輸出方式差模信號(hào)uid共模信號(hào)uic差模電壓放大倍數(shù) Aud差模 Rid差模Rod 共模抑制比KCMR雙入雙出uid = ui uic = 0單入雙出uid = ui uic = 0雙入單出uid = ui uic = ui / 2單入單出uid = ui uic = ui / 2較高很高很高很高4.2.3 中間級(jí)一、有源負(fù)載uIVT3VT2VT1RI+VCCuO有源負(fù)載單管共射放大電路 uIVT3VT4+VCCVT1VT

9、2iC3iC1iC4iC2iO-VEEI有源負(fù)載差分放大電路二、復(fù)合管VT1VT2bceecbVT1VT2bceecbiCiEiBVT1VT2兩個(gè)NPN管組成的復(fù)合管4.2.4 輸出級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路+VCC-VCCR1R2RVD1VD2NPNPNPVT1VT2RLuOuIiC1iC2iB1iB20iLt交越失真4.3 集成運(yùn)放的典型電路集成運(yùn)放的原理圖 集成四運(yùn)放LM324 LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小，可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在反相交流放大器、同相交流放大器、測(cè)溫電路、比較器等各種電路中。LM324作反相交流放大器 代替晶體管進(jìn)行交流放大, 用于擴(kuò)音機(jī)

10、前置放大等。電路無(wú)需調(diào)試。放大器電壓放大倍數(shù) Av=-Rf/Ri。LM324作測(cè)溫電路 感溫探頭采用一只硅三極管3DG6。運(yùn)放A1連接成同相直流放大形式，溫度越高，晶體管BG1壓降越小，運(yùn)放A1同相輸入端的電壓就越低，輸出端的電壓也越低。這是一個(gè)線性放大過(guò)程。在A1輸出端接上測(cè)量或處理電路，便可對(duì)溫度進(jìn)行指示或進(jìn)行其它自動(dòng)控制。OP07介紹： OP07運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓低,輸入偏置電流小,開(kāi)環(huán)增益高。這些特性使這種運(yùn)算放大器非常適合用于高增益儀器系統(tǒng)。此外,OP07的失調(diào)和增益具有極好時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。 一、開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod 無(wú)外加反饋情況下的直流差模增益。一般在105 10

11、7之間。理想運(yùn)放的Aod為。二、共模抑制比KCMR4.4 集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo) 開(kāi)環(huán)差模電壓增益與開(kāi)環(huán)共模電壓增益之比。多數(shù)集成運(yùn)放共模抑制比達(dá)80dB以上。三、最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。七、共模輸入電壓范圍 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好四、輸入失調(diào)電壓 UIO五、輸入失調(diào)電流 IIO六、輸入偏置電流 IIB4.5理想運(yùn)算放大器4.5.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Aod = ；輸出電阻 ro = 0；共模抑制比 KCMR = ；差模輸入電阻 rid = ；UIO =

12、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(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn) Ouu+ uoAodi-i+電壓傳輸特性集成運(yùn)放的電壓和電流uoui+UOPP-UOPP線性放大區(qū)非線性區(qū)uoui+UOPP-UOPP線性放大區(qū)非線性區(qū)Aod越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。 uo = Aod(u+ u )1、 差模輸入電壓約等于零 即 u+= u ,稱“虛短”2、 輸入電流約等于零 即 i+= i 0 ,稱“虛斷” 4.5.3 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)1、輸出電壓有兩種可能當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)2、

13、輸入電流在非線性區(qū)，雖然運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓不相等，即 ，但理想運(yùn)放 。1、通用型。性能指標(biāo)適合一般性使用，其特點(diǎn)是電源電壓適應(yīng)范圍廣，允許有較大的輸入電壓等，如CF741等。2、高精度型。失調(diào)電壓溫度系數(shù)在1V左右，能保證組成的電路對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，如CF75、CF7650等。3、低功耗型。靜態(tài)功耗2mW，如XF253等。4、高阻型。輸入電阻可達(dá)1012，如F55系列等。4.6 各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)4.7 集成運(yùn)放使用中的幾個(gè)具體問(wèn)題4.7.1集成運(yùn)放參數(shù)的測(cè)試集成運(yùn)放組件的各項(xiàng)指標(biāo)通常是由專用儀器進(jìn)行測(cè)試的，但也可用簡(jiǎn)易測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試的內(nèi)容包括：輸入失調(diào)電壓U0S 、輸

14、入失調(diào)電流I0S、開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)Aud 、共模抑制比CMRR 、共模輸入電壓范圍Uicm 、輸出電壓最大動(dòng)態(tài)范圍UOPP 等 4.7.2使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1、不能調(diào)零.調(diào)零電位器故障；.應(yīng)用電路接線有誤或有虛焊；.反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開(kāi)環(huán)；.集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；.關(guān)斷電源后重新接通即可恢復(fù)是 輸入信號(hào)過(guò)大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因:2、漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路保護(hù)二極管受光照射調(diào)零電位器滑動(dòng)端接觸不良集成運(yùn)放本身?yè)p壞或質(zhì)量不合格等原因：3、產(chǎn)生自激振蕩消振措施：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(cuò)避免負(fù)反饋過(guò)強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過(guò)大4.7.3集成運(yùn)放的保護(hù)1、輸入保護(hù)反相輸入保護(hù)uO+AR1RFVD1VD2uI限制集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端間的差模輸入電壓不超過(guò)二極管VD1、 VD2的正向?qū)妷和噍斎氡Ｗo(hù)+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI限制集成運(yùn)放的共模輸入電壓不超過(guò)V至V的范圍 2、電源極性錯(cuò)接保護(hù)若電源的極性錯(cuò)接，二極管VD1 、VD2不能導(dǎo)通，使電源斷開(kāi)+AVD1VD2電源接錯(cuò)保護(hù)3、輸出端錯(cuò)接保護(hù)+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI利用穩(wěn)壓管保護(hù)運(yùn)放4、輸出限流保護(hù)+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VC