第4章集成运算放大电路PPT课件

1、教学目标 掌握镜像电流源、比例电流源和微电流源电路特点 掌握差动放大电路的组成特点和性能指标计算， 理解集成运算放大器的典型结构， 掌握理想集成运算放大器的性能指标。第1页/共39页4.1集成电路概述 集成电路，简称IC（Integrated Circuit）。 始于20世纪60年代初期，集成电路按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，集成运算放大器属于模拟集成电路中应用极为广泛的一种，简称集成运放。第2页/共39页集成电路的特点 1、电路结构与元件参数具有对称性 2、用有源器件代替无源器件 3、采用复合结构的电路 4、外接部分分立元件、级间采用直接耦合方式 5、集成电路中使用的二极管

2、，大多采用三极管的结构，将发射极、基极和集电极适当配合使用。与分立元件组成的放大电路相比，集成电路在电路设计上具有以下特点：第3页/共39页集成运算放大器的基本组成 输入级:多采用差分放大电路，利用差分放大电路的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比，减小温漂。 中间级:由一级或多级放大电路组成。 输出级:进行阻抗变换，以降低输出电阻，提高集成运 放带负载的能力。 偏置电路:多采用恒流源电路。第4页/共39页4.2 集成运放中的电流源1.镜像电流源211BEBECBUUUU由图可：由于VT1与VT2结构和参数都比较一致，故可以认为 ，故RUVRUVRUVIBECCBCCCCCR21BBBIII2

3、1BCCIII21 ，BBBBCRIIIIII）（2221而当2时, RVIIIICCCCBR21图4.1 4.1 镜像电流源第5页/共39页2.比例电流源由图可知，222111RIURIUEBEEBE由于 21BEBEUU2211RIRIEE222111)1 ()1 (RIRIBB故即当1时，有222111RIRIBB2211RIRICC即故1212CCIRRI由于1CRII所以RCIRRI212图4.2 4.2 比例电流源 第6页/共39页3.微电流源由图可知eCeEBEBERIRIUU2221由于二极管方程TBETBEUUSUUSCeIeII) 1(所以SCTBEIIUUln故eCSCS

4、CTBEBERIIIIIUUU2221121)ln(ln21SSII设则有212lnCCeTCIIRUI图4.3 4.3 微电流源 第7页/共39页4.3差动放大电路 差分放大电路的常见形式 差分放大电路的常见形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。图4.4 长尾式差分放大电路 图4.5 基本形式差分放大电路第8页/共39页 恒流源式差分放大电路4.3差动放大电路(b)恒流源式差分放大电路等效电路 (a) 恒流源式差分放大电路电路 图4.6第9页/共39页差分放大电路的基本分析方法 图4.7 长尾式差分放大电路直流通路图（a） （b） 第10页/共39页1. 静态分析由图可知差分放大电路的基本

5、分析方法差分放大电路的基本分析方法021111RIURIVBQBEQeEQEE所以有eBEQEEBQRRUVI)1 (21111由此得111BQCQII111CCQCCCQRIVU由于eCQEEEQRIVU112故)2(11111eCCQEECCEQCQCEQRRIVVUUU第11页/共39页差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法2. 差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路的输入信号有两种方式：差模信号输入和共模信号输入。长尾式差分放大电路，在差模信号输入情况下电路如图图4.8 长尾式差分放大电路的交流通路图第12页/共39页差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析

6、方法2. 差分放大电路对差模信号的放大作用由图4.8可知，长尾式差分放大电路半电路的主要参数如下：1111111111)2/()(RrRRRrIRIuuAbeLCbeBLCioubeirRR110CRR 对于双端输入/双端输出的差分放大电路，由于01020102uuuu1212iiidiuuuu此时，差模电压放大倍数为111111)2/(22RrRRAuuuuAbeLCuiodioud第13页/共39页差分放大电路的基本分析方法差分放大电路的基本分析方法2. 差分放大电路对差模信号的放大作用差模输入电阻)(2211beidirRRR差模输出电阻10022CddRRR 双端输入双端输出差分放大电

7、路的差模电压放大倍数等于其半电路的电压放大倍数，即相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。其差模输入电阻和输出电阻是半电路差模输入电阻和输出电阻的2倍。第14页/共39页3. 差分放大电路对共模信号的抑制作用差分放大电路的基本分析方法在共模信号输入情况下，当双端输入时，由于电路结构的对称性，两个晶体管的集电极电位大小相等，极性相同，即负载RL两端电位相同，故流过负载RL的电流为零。衡量差分放大电路抑制共模信号能力的参数称为共模抑制比，用KCMR表示，其定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用分贝表示，即：ucudCMRAAKlg20 结论：差分放大电路具有抑制零点漂移的作用。第15页

8、/共39页差分放大电路的基本分析方法4. 对任意输入信号的放大特性如果在差分放大电路的两个输入端分别加上任大小、任意极性的输入电压ui1和ui2，这时可以将他们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合，其中差模输入电压uid和共模输入电压uic的值分别为21iiiduuu)(2121iiicuuu当用共模和差模信号表示两个输入电压时，有21idiciuuu22idiciuuu第16页/共39页 例4.1：电路如图例4.1所示, 设VCC=VEE=12V,三极管的1=2=50, Rc1=Rc2= Rc =30k, RW =500, Re=27k, R1= R2= R=10k, 设RW滑动变

9、阻器的滑动端调至在中点位置。(1) 估算该放大电路的静态工作点。 (2) 当在输出端接RL=20k的负载时,求差模电压放大倍数。 (3) 估算差模输入电阻和输出电阻。图4.9 例4.1的图第17页/共39页解：(1)求解静态工作点：EEeEQEQWBEBQVRIIRURI221设UBE=0.7V，则有mAmARRRUVIWeBEEEBQ004. 0)5 . 05 . 0272(51107 . 012)5 . 02)(1 (故mAmAIIBQCQ2 . 0004. 050VRIVUCCQCCCQ6302 . 012VRIUBQBQ04. 010004. 0第18页/共39页(2) 当在输出端接R

10、L=20k的负载时,图4.9所示电路图的交流通路图如图4.10所示。图4.10 图4.9所示电路交流通路图 由图4.10可知，电路的差模电压放大倍数为: 2)1 (1WbeLudRrRRA式中kRRRLCL5 . 710/302/kImVrrEQbbbe93. 602. 0265130026)1 (16 .125 . 05 . 05193. 6105 . 750udA则第19页/共39页(3) 输入输出电阻kkRRkRrRRCOWbeid6030224 .59)5 . 05 . 05193. 610(22)1 ( 2第20页/共39页 例4.2一个双端输入，双端输出的差分放大电路，两个输入端的

11、电压分别为 求差模输入信号电压 和共模输入电压 ； 设差模电压增益 为80dB，求当共模抑制比为无穷大和 100dB 时的输出电压 各为多少？V0005. 51iuV9995. 42iuiduicudAu解：(1)差模输入电压和共模输入电压V001. 0V9995. 4V0005. 521iiiduuuV5V9995. 4V0005. 5212121iiicuuu第21页/共39页 (2)输出电压 当 时则输出电压为：CMRK410dB80udA0CMRKAAuducVVAuAuuucicudidO1010001. 045CMR10100dBK当 时则输出电压为：410dB80udA1 . 0

12、CMRKAAuducVVVAuAuuucicudidO5 .101 . 0510001. 04第22页/共39页差分放大电路的几种接法差分放大电路的输入输出端可以有四种不同的接法，即双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。第23页/共39页差分放大电路的几种接法图4.11 差分放大电路的四种接法第24页/共39页4.4集成运算放大器的中间级和输出级1. 集成运算放大器的中间级 中间级的主要任务是为整个电路提供足够大的电压放大倍数。 一般采用有源负载的共射放大电路。为了提高放大倍数，并减小对输入级的影响，放大管往往采用复合管。 有源负载是指利用双极型三极管

13、或场效应管充当负载电阻。第25页/共39页 例4.3 电路如图4.12所示, 设VCC=VEE=12V,1=2=50, Rc1=Rc2=100k, RW =200, R3=33k, R2=6.8k, R1=2.2k, Rs1=Rs2=10k，设RW滑动变阻器的滑动端调至在中点位置。 (1) 求静态工作点。 (2) 求差模电压放大倍数。 (3) 当RL=100k时, 求差模电压放大倍数。 (4) 若输出端从VT1管集电极输出, 求差模电压放大倍数。 图4.12 题4.3电路图第26页/共39页 解： (1) 静态工作点: VVVVRRRUEEEECCR13. 612248 . 62 . 22 .

14、 2)(2111设UBE3=0.7V, 则VRIVUUIIIIAIIIAmAKRVUUICCCCCCcEcEEEEEEBERE15. 41000785. 012,5 .7821157157. 033127 . 013. 6)(112133221132113mVRIUUAIIIsBBBCBB7 .15101057. 157. 1505 .784611112121VUUUUVUUUUECCECEBEBEE866. 4)716. 0(15. 4716. 07 . 0107 所以一般估算时, 认为UB0。） 第27页/共39页 (2) 差模电压放大倍数: 2)1 (1111W

15、besLudRrRRAcLRR 其中8 .1541 . 05119170785. 0265130026)1 (111udEbbbeAkIrr (3) 当RL=100 k时： 56.511 . 05119.17103 .33503 .3350/1002/1udLcLAkRRR第28页/共39页2)1 (211WbesLudRrRRA单kRRRLcL50/其中故 71.381 . 05119.1710505021udA(4) 当单端输出时(从V1管c1极输出): 第29页/共39页4.4集成运算放大器的中间级和输出级1. 集成运算放大器的中间级-复合管图4.13复合管及其

16、等效类型212111)1 (BCII211)1 (bebeberrr第30页/共39页2.集成运算放大器的输出级4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级 集成运放的输出级主要是提供足够的输出功率以满足负载的需求，多采用互补电路。图4.14 互补型射随器图4.15 交越失真产生的原因及波形第31页/共39页2.集成运算放大器的输出级4.4集成运算放大器的中间级和输出级集成运算放大器的中间级和输出级 图4.16 克服交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式 (b)模拟电压源偏置方式 第32页/共39页4.5集成运放的典型电路图4.17通用的集成电路F007电路原理图第33页

17、/共39页4.6集成运算放大器的主要性能指标1. 运算放大器的符号图4.18 运算放大器的符号第34页/共39页2. 运算放大器的性能指标4.6集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标开环差模电压放大倍数Aod: 指集成运放在无外加反馈 回路的情况下的差模电压放大倍数 差模输入电阻rid和输出电阻ro共模抑制比KCMR输入失调电压温漂和输入失调电流温漂输入失调电压UIO和输入失调电流IIO最大差模输入电压Uid max和最大共模输入电压U ic max输入偏置电流IIB 第35页/共39页4.7 理想集成运算放大器及传输特性1. 理想集成运算放大器的概念 理想集成运算放大器简称理想运放，可以认为是实际运放的理想模型，就是将集成运放的各项指标理想化，即认为集成运放的各项指标如下：(1) 开环差模电压增益Aod=；(2) 差模输入电