模拟电子技术PPT电子课件教案-第3章_集成运算放大电路.ppt

模拟电子技术 第三章 集成运算放大电路 3.2 集成运算放大电路简介 3.3 差分放大电路 3.1 多级放大电路 主要内容 3.4 电流源电路 3.5 集成运放电路分析 3.6 集成运放的主要技术指标和种类 3.7 集成运放的使用注意事项 3.1 多级放大电路 3.1 .1 多级放大电路的耦合方式 直接耦合 放大电路 优点 ： 各级放大器静态工作点相互影响 输出温度漂移严重 缺点： 可放大缓慢变化的信号 电路中无大电容，便于集成化 阻容耦合 优点 ： 各级放大器静态工作点独立 输出温度漂移比较小 缺点： 不适合放大缓慢变化的信号 不便于作成集成电路 变压器耦合 光电耦合 光电耦合放大电路 光电耦合器内部组成 在c-e之间电压一定的情况下，ic的变化量与id的变化量之比 称为传输比ctr 3.1.2 多级放大电路的动态分析 电压放大倍数 r1=ri1输入电阻 r0=ron输出电阻 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗 后级的输入阻抗是前级的负载 解: (1)求解q点，第一级为共射放大电路 第二级为共射放大电路，与第一级之间采用直接耦合 方式，所以第二级的q点受第一级q点的影响 （2) 求解 u 求解电压放大倍数时，常用输入电阻法，即将后 一级的输入电阻作为前一级的负载考虑 3.1.3多级放大电路的频率响应 放大器的电压增益为 。显然，多级基本放大电路级联 后，总电压增益提高了，但通频带变窄了 3.2集成运算放大电路简介 集成运放除了具有集成电路的一般特点外，它还具有如下特点 ： （1）电压放大倍数高，一般为103-105倍， （2）输入电阻大，一般为几十千欧到几兆欧。 （3）输出电阻小，一般为几百欧以下。 （4）通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。 （5）是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族 成员 （1）输入级 对整个运算放大器的性能指标影响比较大，通常由差分放大电路组成 。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强 ，静态电流小 （2）中间级 是整个放大电路的主放大器，要求有较高的电压放大倍数，一般由带 有源负载的共射放大电路组成。其电压放大倍数可达千倍上。 （3）输出级 一般由互补对称电路组成，它的特点是输出电阻小，输出功率大，带 负载能力强。 （4）偏置电路 一般由恒流源电路组成，能够为集成运放各级放大电路提供稳定的静 态工作电流，动态电阻很高，还可作为放大电路的有源负载。 3.3 差分放大电路 3.3.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 零漂现象： 输入ui=0时，输出有缓慢 变化的电压产生 产生零漂的原因 ： 由温度变化引起的。当温度变 化使第一级放大器的静态工作 点发生微小变化时，这种变化 量会被后面的电路逐级放大， 最终在输出端产生较大的电压 漂移。因而零点漂移也叫温漂 零漂的衡量方法： 将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计 算。 若输出有1 v的漂移 电压 则等效输入有100 uv的漂移电压 假设 第一级是关键 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差动放大电路 等效 100 uv 漂移 1 v 一.结构: 对称性结构 即：1=2= ube1=ube2= ube rbe1= rbe2= rbe rc1=rc2= rc rb1=rb2= rb 3.3.2 基本差分放大电路 1. 差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号 单端输入仅从一个输入端对地加信号 2. 差动放大电路可 以有两个输出端 双端输出从c1 和c2输出 单端输出从c1 或c2 对地输出 二. 基本概念 3. 差模信号与共模信号 差模电压 ： 共模电压 ： 差模电压增益 ： 共模电压增益 ： 总输出电压： 4. 共模抑制比 三.差分放大电路的基本工作原理 1. 静态工作点的计算： 忽略ib，有：ub1=ub2=0v 2.抑制零漂的原理: uo= uc1 - uc2 = 0 当ui1 = ui2 = 0 时， 当温度变化时： uc1 = uc2 设t ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc1 - uc2 = 0 (1)加入差模信号 ui1=-ui2 =uid/2， 3.电路的动态分析 所以，re对差模 信号相当于短路 。 若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ire不变 ue不变 uic=0。 求差模电压放大倍数： 因为ui1 =- ui2 设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。 电路对称uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 (2)加入共模信号 ui1=ui2 =uic， uid=0。 设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化) 。 共模电压放大倍数 差分放大电路共有四种输入输出连接方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 3.3.3差分放大电路的四种接法 1.双端输入双端输出 (1)差模电压放大倍数 （2）共模电压放大倍数 （3）差模输入电阻 （4）输出电阻 2. 双端输入单端输出 2.双端输入单端输出 2. 双端输入单端输出 这种方式适用 于将差分信号转换 为单端输出的信号。 （1）差模电压放大倍数 输出电压 输入电压 2. 双端输入单端输出 （2）差模输入电阻 （3）输出电阻 差模信号的等效电路 （4）共模电压放大倍数 ui1=ui2 =uic， 设ui1 ，ui2 ie1 ， ie1 。 ire （=2 ie1 ） 画出共模等效 电路 求共模电压放大倍数： 2 2、双端输入单端输出 可为零！ 2) 单端输入双端输出 3. 单端输入双端输出 单端输入等效双端输入: 因为re从t2发射极看进 去的等效电阻，故 re 可视为开 路，于是有 ui1 = ui2 = ui /2 计算同双端输入双端输出： 4. 单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号： 设从t1的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从uo2 输出为正号。 计算同双入单出： (1)差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 差动放大器动态参数计算总结 双端输出时： 单端输出时： (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时： 单端输出时： (3)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 rid是基本放大电路的两倍。 单端输出时， 双端输出时， (4)输出电阻 (5)共模抑制比 共模抑制比kcmr是差分放大器的一个重要指标 。 ，或 双端输出时kcmr可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比： 根据共模抑制比公式： 加大re，可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源t3来 代替re 。 等效很大的交流电阻，直 流电阻并不大。 恒流源使共模放大倍数减小，而 不影响差模放大倍数，从而增加 共模抑制比。 恒流源的作用 3.3.4改进型的差分放大电路 带恒流源的差分放大电路的计算： 静态工作点： 动态： 恒流源等效电阻： 1. 镜像电流源 基准电流： 无论t2的负载如何变化， ic2的电流值将保持 不变。 3.4.1基本电流源电路 因为： 所以： 3.4 电流源电路 2.比例电流源 克服镜像电流源缺点。经分析推导可得： 和 是电流负反馈电阻，因此，与镜像电流源比较，比例电 流源的输出电流 具有更高的温度稳定性 3. 微电流源 （1）电流小（因为ube小）。 微电流源的特点： （2）电流稳定（电流负反馈） 3.4.2 多路电流源电路 利用一个基准电流获得多个不同的输出电流，为集成 运放各级提供合适的静态电流 基本电流源电路中，很大时，忽略基极电流对ic1 的影响 ，才有 上式成立；若 较小时， ic1与 ir相差很大。为了 减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精 度，稳定输出电流，可对基本镜像电流源电路加以改进。 3.4.3改进型电流源电路 （1）. 加射级输出器的电流源 在镜像电流源t0管集电极与基 极之间加一个射极输出的晶体管 t2，利用t2管的电流放大作用 ，减小了基极电流ib0和ib1对基 准电流ir的分流。 t0、t1和t2特性完全相同，因 而 ， ube1=ube0， ib1=ib0=ib，因此，输出电流 较小时，也可认为 ，ic1 与 ir保 持很好的镜像关系 （2). 威尔逊电流源 ic2为输出电流。t1管的c-e串联 在t2管的发射极，其作用与典 型工作点稳定电路中的re相同 。因为c-e间等效电路非常大， 所以可使ic2高度稳定。经分析 证明可知，在较小时也可认为 ic2ir ， 受基极电流影响很小 。 哪只管子为放大管？ 其集电结静态电流约为多少 ？ 静态时uiq为多少？ 为什么要考虑 h22? 3.4.4有源负载放大电路 一、有源负载共射放大电路 二.有源负载差分放大电路 t3、t4组成镜像电流源，作t1、t2的负载。 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。 集成运算放大器高增益的直接耦合的集成 的多级放大器。 集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现 需要对称结构的电路。采用差分放大电路和电流源电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦 以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pf以下的小电容。因此，集成放大器都采用直 接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。 （6）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加 制作工序。 （7）采用复合管。 3.5 集成运放电路分析 了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和 技术指标。 化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的 基本电路。 分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性 能。 统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现 的功能和性能。 定量计算：必要时可估算或应用计算机计算电路的 主要参数。 3.5.1分析方法 偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用 电流源电路。 输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求ri大，ad大 ， ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的 放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求ro小，最大 不失真输出电压尽可能大。 a b 集成运放f007 3.5.2原理电路分析 分析： 1. 偏置电路： t12、r5和t11构成了主偏置电路，产生基准电流： 其他偏置电流都与基准电流有关。 t10、t11和r4组成微电流源，通过t8和t9组成的镜象电流源 为差动输入级提供偏置电流。 t12和t13管构成多支路电流源。t13管是多集电极三极管， 其集电极电流和的大小比例为3:1。b路作为中间级的有源 负载。a路为输出级提供偏置。 2. 输入级： t1 、t2和 t3 、t4管组成共集一共基复合差动输入电路 。 其中t1和t2管作为射极输出器，输入电阻高。 t3 和t4管是横向pnp管，发射结反向击穿电压高，可 使输入差模信号达到30v以上。 t5 、t6 、t7 和r1 、r2 、r3组成具有基极补偿作用 的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提 高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。 3. 中间级： t16和t17是复合管组成的共射放大电路，t 13b 作这一级 的集电级有源负载。 t14和t20管组成互补对称输出级，t18、t19和 r8为 其提供静态偏置以克服交越失真。 t15和 r9保护t14管，使其在正向电流过大时不致烧坏 。 t21、t23、t22管和 r10保护 t20管在负向电流过大 时不致烧坏。 4. 输出级： 5. 相位分析： 用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。 3.6集成运放的主要技术指标和种类 指标参数 f007典型值 理想值 开环差模增益 aod 106db 差模输入电阻 rid 2m 共模抑制比 kcmr 90db 输入失调电压 uio 1mv 0 uio的温漂d uio/dt() 几v/ 0 输入失调电流 iio ( ib1- ib2 ) 20na 0 uio的温漂d uio/dt() 几na/ 0 最大共模输入电压 uicmax 13v 最大差模输入电压 uidmax 30v -3db带宽 fh 10hz 转换速率 sr(=duo/dtmax) 0.5v/s 3.6.1集成运放的主要技术指标 1.输入失调电uio 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益 ，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放 内部电路对称性的指标。 集成运算放大器的主要参数 2.输入失调电压温漂 duio /dt 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变 化量与温度变化量之比值。 4.输入失调电流 iio ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用 于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流iib ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值 ，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 5.输入失调电流温漂diio /dt: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量 与温度变化量之比值。 6.最大差模输入电压uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时 ,差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围 。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器 失去共模抑制能力。 8.开环差模电压放大倍数 aod ： 无反馈时的差模电压增益。 一般aod在100120db左右，高增益运放可达140db以上 。 9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可 达109欧姆以上。 10.共模抑制比 kcmr ： kcmr=20lg(avd / avc ) (db) 其典型值在80db以上，性能好的高达180db。 11.3db带宽 f h ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3db所定义 的带宽 f h 。 12.转换速率s r (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力 。转换速率sr的表达式为 3.6.2 集成运放的种类 一、按供电方式分类 1、双电源供电型：又可分为正、双运放和四运放，目前四运放 日益增多。 2、单电源供电型 二、按制造工艺分类 双极型、cmos 型、bifet型 三、按工作原理分类 电压放大型、电流放大型、跨导型、互阻型 四、按性能指标分类 通用型、特殊型（高阻型、高速型、高精度型、低功 耗型） 3.6.3集成运放的符号及其电压传输特性 在线性区：uoaod(upun)， aod是开环差模放大倍数。 由于aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大 输入电压(upun)的数值仅为几十一百多v。当其大于此值时， 集成运放的输出不是uom , 就是uom ，即集成运放工作在非线 性区。 3.7集成运放的使用注意事项 3.7.1集成运放的选用 根据以下几方面的要求选择运放 一、信号源的性质 根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值 及频率的变化sr等指标参数。 二、负载的性质 根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的 幅值。对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的 影响。 三、精度要求 对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要 求；如电压比较，往往提出响应时间、灵敏度要求。根 据这些要求选择运放的开环差模增益aod、失调电压uio 、失调电流uio及转换速率sr等指标参数。 四、环境条件 根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压 及失调电流的温漂duio/dt、diio/dt等参数；根据所能提 供的电源（如有些情况只能用干电池）选择运放的电源 电压；根据对功耗有无限制，选择运放的功耗；等等。 1 辩认管脚，以便正确连线。 2 用万用表中间挡（“100 ”或“1k ”挡，对照管脚测试 有无短路和断路现象。 3 必要时还可采用测试设备测量运放的主要参数。 4 对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之 在零输入时输出为零。 5 对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置 电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个 方向的变化信号。 6 为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上 去耦电容。有的集成运放还需外接补偿电容c。 3.7.2集成运放使用中的实际问题 一、实际问题 二、保护措施 集成运放使用中损坏的三种原因： 输入信号过大，使pn结击穿； 电源电压极性接反或过