集成运算放大器01

1、模拟电子技术根底 第四章 集成运算放大电路1集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 4.1 集成电路的特点及根本电路结构21、按制造工艺： 1单片集成电路 2混合集成电路2、按功能： 1数字集成电路 2模拟集成电路： 集成运放、集成功放等3、按有源器件类型： 小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路集成电路分类3集成电路内部结构的特点：1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅

2、半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接，多级放大直接耦合。4.常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。4运算放大器外形图5集成运放的根本组成局部偏置电路：为各级放大电路设置适宜的静态工作点。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。

3、6UEE+UCC u+uo u反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与uo同相7对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。集成运放的结构1采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。2输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。3输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。8根本恒电流源(镜象电流源)电路4.2 电流源电路三极管T1

4、、T2匹配动态输出电阻：94.2.1 比例电流源在镜象电流源电路的根底上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路如下。因为三级管基极对地电位相等10多路比例电流源11 微电流源电路如下图，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。微电流源4.2.2 微电流源由图可得：12Io与IR的关系如下因 小， 。同时 的稳定性也比 好。DVBEIoRc的原故。28 共模抑制比(CMRR)的定义例: Ad=-200 Ac KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Reje

5、ction Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝)29差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式: 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301.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312. 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 2差模输入电阻3输出电阻324共模电压放大倍数 ui1=ui2

6、=uic， 设ui1 ，ui2 ie1 ， ie1 。 iRe =2 ie1 画出共模等效电路33求共模电压放大倍数：结论：双入单出，其差模电压放大倍数为双入双输电路的一半；共模放大倍数不再为0，其大小仅依靠RE的深度负反响作用。34 3. 单端输入双端输出ui1 = ui2 = ui /2 计算同双端输入双端输出：+-电路等效+-+-354. 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： 364.3.5 具有恒流源的差动电路RE越大，抑制共模能力越强。但RE增大受直流电压VEE有限制。由于恒流源有直流电阻

7、较小、动态电阻大的特点，用恒流源取代RE，可以提高电路的共模抑制比。371. 恒流源相当于阻值很大的电阻。2. 恒流源不影响差模放大倍数。3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用38有源负载差分放大电路电路的输入、输出方式？如何设置静态电流的？静态时iO约为多少？ 使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。39共集共基差动输入级 特点：1输入阻抗高。2T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。404.4 直流电平移动电路直接耦合电路中，如采用NPN共射放大，那么VCV

8、B，多级电路时，从前至后各级VC将依次上升，最终使输出直流电平比输入直流电平高很多。对供电电源要求高，所以必须进行直流电平移动。方法一：利用恒流源直流电阻小，动态电阻大特点，用电阻与恒流源串联分压降低电平，同时保障交流信号电压不受大的影响。41方法二：利用NPN和PNP管配合实现电平转移。因为NPN管VCVB，PNP管VBVC。利用它们互补来完成电平转移。424.5 复合管结构一、结构43二、参数 复合管的等效类型(NPN或PNP)由输入管确定。构成管合管的原那么是内部电流方向一致。bec1IB1(1+1)IB1IB1(1+1)(1+ 2)IB1(1+1)2IB1IC复合管输入电阻：444.6

9、 集成运算放大器的输出电路工作原理：b)ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。 1.互补对称射极输出电路a)由于电路对称，当ui=0时，uo=0。45输入输出波形图交越失真死区电压uiuououo462. 克服交越失真的互补对电路静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态,以消除交越失真。 电路中增加 D1、D2工作原理：474.7 集成运算放大电路简介集成运放：高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻采用直接耦合，存在零点漂移

10、问题，输入级都采用差动放大电路；为了取得大的电压放大倍数，中间级常采用共射放大电路；为了提高带负载能力，输出级常采用互补功率放大电路。48输入级中间级输出级偏置电路4.7.1 F007双极型集成运算放大器AB动画演示4950 假设在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，那么这个电流往往是偏置电路中的基准电流。对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。51偏置电路镜像电流源微电流源输入级工作在弱电流状态，且电流比较稳定镜像电流源中间级电流52输入级 T5、T6分别是T3、T4的有源负载。 T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，

11、输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。T7的作用：抑制共模信号 放大差模信号53双端输入、单端输出共集-共基放大电路不考虑T7和调零电路共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压共基组态可得到很高电压放大倍数，且能改善频率响应54中间级以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路电压倍增不仅能提供很高的电压放大倍数，而且具有很高的输入电阻，防止降低前级的电压放大倍数防止自激震荡的校正电容55输出级D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护T14。用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级D1和D2,R9和R

12、10组成过载保护电路564.7.2 COMS集成运算放大器1. C14573集成运算放大电路572. 5G7650集成运算放大电路58作业:59运算放大器的技术指标很多，其中一局部与差分放大器和功率放大器相同，另一局部那么是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。4.8 集成运算放大器的主要参数1.输入直流参数(1)输入失调电压UIO：(input offset voltage)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。60(3)输入偏置电流IIB：

13、(input bias current)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。(2) 输入失调电压温漂 aUIO：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dUIO /dT 。(4)输入失调电流IIO：(input offset current)运放零输入时，两个输入端输入偏置的直流电流值之差。61(5)输入失调电流温漂aIIO：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dIIo /dT 。2.差模特性参数(1)差模开环电压增益Audo：(open loop voltage gain)运放不加反响称为

14、开环。此时的电压放大倍数称为开环增益。常用分贝dB表示。分贝数为：20lg| Audo|。(2)差模输入电阻rid：(input resistance)开环状态下，输入差模信号时，运放的输入电阻。(3)差模输出电阻rod：(output resistance) 运放的输出电阻。62(4)-3dB带宽fH：运放增益Aod下降到倍时，所对应的频率。(5)最大输入差模电压Uidm：指运放两输入端之间允许加的最大电压。3.共模特性参数(1)共模抑制比KCMR：差模放大倍数与共模放大倍数比值的绝对值。(2)最大输入共模电压Uicm：允许输入的最大共模电压值，超过此值，运放的共模抑制能力会严重恶化。63(

15、1)上升速率SR：表示运放对大信号阶跃输入响应速度的参数。定义为单位时间内输出电压的最大变化率。4.其它参数(2)输出电压的最大摆幅：在标称电压和额定负载下，运放的交流输出信号不出现明显非线性失真，运放所能到达的最大输出电压峰值。644.9 集成运算放大器的电路模型五个引脚：+VCC、-VEE、同相输入端、反相输入端、输出端。在同相端输入信号，输出与输入同相；在反相端输入信号，输出与输入反相。65uu+ uo u u+ uoAo国际符号国内符号运放符号：66当输入差动电压超过一定范围，即发生正向饱和(输出趋于+VCC)或发生反向饱和(输出趋于-VEE)。当输入限定在规定范围内，放大器线性放大信

16、号。集成运放在开环状态工作时，有两种状态：线性放大状态和饱和状态。4.9.1 集成运算放大器的开环电压传输特性674.9.2 集成运算放大器线性工作的低频模型低频时，只考虑一些重要参数。如Aud、KCMR、rid、ro、IB、UIO、IIO等。模型中有两个受控源，一个表示差模信号的作用，一个表示共模信号的作用。68如忽略失调参数影响，并认为KCMR无穷大，电路模型可大为简化。4.9.3 集成运算放大器的理想化模型理想运算放大器的条件：69差模电压放大倍数 Aud=共模抑制比 KCMR= 输入电阻 Rid=输出电阻 Ro=0输入偏置电流 IIB=0输入失调电流 IIO=0输入失调电压 UIO=0

17、开环带宽 fH= 70F007的主要性能指标 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 0UIO的温漂d UIO/dT() 几V/ 0输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0IIO的温漂d IIO/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 1MHz 转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 71 理想运算放大器具有“虚短和“虚断的特性,这两个特性对分析线性运用的运放电路十分

18、有用.为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反响)下工作。 (1)虚短：由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压缺乏1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。72“虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。(2)虚断：由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往缺乏1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。73例：有一理想运算放大器组成的电