《模拟电子技术基础简明教程（第三版） 课件 第四章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术基础简明教程（第三版） 课件 第四章.ppt（65页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第四章集成运算放大电路,4.1集成放大电路的特点,4.2集成运放的基本组成部分,4.3集成运放的典型电路,4.4集成运放的主要技术指标,4.5理想运算放大器,4.6各类集成运放的性能特点,4.7集成运放使用中的几个具体问题,4.1集成放大电路的特点,集成电路简称 IC(Integrated Circuit),集成电路按其功能分,数字集成电路,模拟集成电路,模拟集成电路类型,集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。,集成电路的外形,图 4.1.1集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集
2、成运算放大电路特点：,1.对称性好，适用于构成差分放大电路。,2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。,3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。,4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。,5.集成电路中的 NPN、PNP管的 值差别较大，通常 PNP 的 10。,4.2集成运放的基本组成部分,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,图 4.2.1集成运算的基本组成,4.2.1偏置电路,向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。,一、镜像电流源(电流镜 Cu
3、rrent Mirror),基准电流,由于 UBE1=UBE2，VT1与 VT2 参数基本相同，则,IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC,所以,当满足 2 时，则,图 4.2.2,二、比例电流源,由图可得,UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2,由于 UBE1 UBE2，则,忽略基极电流，可得,两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。,图 4.2.3比例电流源,三、微电流源,在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。,引入Re使 UBE2 UBE1，且 IC2 IC1，即在 Re 值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流 IC2。,图 4.2.4 微电流源
4、,基本关系,因二极管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,图 4.2.4微电流源,4.2.2差分放大输入级,输入级大都采用差分放大电路的形式。,电路形式,基本形式,长尾式,恒流源式,一、基本形式差分放大电路,1.电路组成,假设电路完全对称,当 uId=0，时,UCQ1=UCQ2,UO=0,图 4.2.6差分放大电路的基本形式,2.电压放大倍数,VT1 和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压(uId)。,在差模信号作用下：,差模电压放大倍数为,3.共模抑制比,差模输入电压 uId,共模输入电压 uIc(uIc大小相等，极性相同),共模电压放大倍数：,Ac 愈小愈
5、好，而Ad 愈大愈好,图 4.2.7共模输入电压,共模抑制比 KCMR,(1)KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；(2)理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=。(3)基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。,二、长尾式差分放大电路,可减小每个管子输出端的温漂。,1.电路组成,Re 称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。,Re 愈大，共模负反馈愈强。Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。对差模信号无负反馈。,图 4.2.8长尾式差分放大电路,2.静态分析,当 uId=0 时，由于电路结构对称，故：,IBQ
6、1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，1=2=,IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE,则,ICQ IBQ,(对地),图 4.2.8长尾式差分放大电路,3.动态分析,则,同理,图 4.2.8长尾式差分放大电路的交流通路,图4.2.10接有调零电位器的长尾差分电路,输出电压为,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,三、恒流源式差分放大电路,用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路,1.电路组成,VT3：恒流管,作用：,能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的
7、变化。,图 4.2.13恒流源式差分放大电路,2.静态分析,当忽略 VT3 的基极电流时，Rb1 上的电压为,于是得到,图 4.2.13恒流源式差分放大电路,3.动态分析,由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,四、差分放大电路的输入、输出接法,有四种不同的接法,差分输入、双端输出；,差分输入、单端输出；,单端输入、双端输出；,单端输入、单端输出。,1.差分输入、双端输出,图 4.2.16(a)差分输入、双端输出,2.差分输入、单端输出,uO 约为双端
8、输出的一半，即,若由 VT2 集电极输出，uO 为“正”。,图 4.2.16(b)差分输入、单端输出,3.单端输入、双端输出,单端输入,则,当共模负反馈足够强时，,三极管仍然基本工作在差分状态，所以,图 4.2.16(c)单端输入、双端输出,4.单端输入、单端输出,若改从 VT2 集电极输出，则,这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。,图 4.2.16(d)单端输入、单端输出,结论,(1)双端输出时，Ad 与单管 Au 基本相同；单端输出时，Ad 约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。(2)双端输出时，理想情况下，KCMR；单端输出时，共模抑制
9、比不如双端输出高。(3)单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。(4)单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。(5)单端输出时，Rid 2(R+rbe)。,差分放大电路四种接法的性能比较,Ad,Rid,Ro,差分放大电路四种接法的性能比较,特性,1.Ad 与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR。3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。,1.Ad 约为双端输出时的一半。2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。,1.Ad 与单管放大电路基本相同。2.在理想情况
10、下，KCMR。3.适用于将单端输入转换为双端输出。,1.Ad 约为双端输出时的一半。2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。,4.2.3中间级,任务：提供足够大的电压放大倍数。,要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的,一、有源负载,图 4.2.17有源负载单管共射放大电路,VT1：放大三极管；VT2：有源负载；VT3、VT2 镜像电流源。,输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。,基准电流,有源负载的差分放大电路,放大电路采用差分输入、单端输出；工作电流由恒流源 I 决定；输出电流 io=ic4
11、-ic2=2ic4,该电路有相当于双端输出时的 io，在集成运放中的应用十分广泛。,图 4.2.18有源负载的差分放大电路,二、复合管,优点,可以获得很高的电流放大系数；提高中间级的输入电路；提高了集成运放总的电压放大倍数。,复合管的构成：,iB1,由两个或两个以上三极管组成。,复合管共射电流放大系数 值,由图可见,图 4.2.19,则,三极管输入电阻 rbe,其中,所以,显然，、rbe 均比一个管子 1、rbe1 提高了很多倍。,图 4.2.19,构成复合管时注意,1.前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。2.外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，
12、集电结反偏，使管子工作在放大区。,复合管的接法,(a)NPN 型,(b)PNP 型,图 4.2.20复合管的接法,图 4.2.20复合管的接法,结 论,1.两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe=rbe1。2.两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe=rbe1。3.在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。,4.2.4输出级,一、互补对称电路,工作原理：,当输入正弦电压 uI 时,uI 0，VT1 导通，VT2 截止iC1：+VCC VT1 RL 地,uI 0，VT2 导通，VT1
13、截止iC2：地 RL VT2-VCC,当 uI 为正弦电压时，iL 与 uO 基本上也是正弦波。,图 4.2.21互补对称输出级,说明：,1.互补对称电路工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强。2.R1、R、R2、VD1、VD2 支路能够减小失真，改善波形。,图 4.2.22交越失真,二、由复合管组成的功率输出级,图 4.2.3由互补对称电路,图 4.2.24准互补对称电路,改进：,缺点：由于 VT3、VT4 类型不同，互补性差。,三、过载保护电路,二极管保护电路,保护元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,输出电流正常，VD3、VD4 截止，保护不起作用；,若 VT1 正向 IC1
14、，URe1，VD3 导通，IB1，IC1。输出电流无法增大，保护功率管 VT1。,若 VT2 反向电流IC2，URe2，VD4 导通，IB2，IC2。避免 VT2 电流过大。,图 4.2.25过载保护电路,三极管保护电路,保护元件：,工作原理与二极管保护原理类似。,VT3、VT4、Re1、Re2。,Re 愈大，则 IEm 愈小；,温度升高，UD、UBE 降低，Iem 减小。更有利于保护在高温下的集成运放。,图 4.2.25过载保护电路,4.3集成运放的典型电路,典型的集成运放,双极型集成运放 F007,CMOS 集成运放 C14573,一、引脚,4.3.1双极型集成运放 F007,图 4.3.
15、1F007 的引脚及连接示意图,(a),(b)连接示意图,二、电路原理图,图 4.3.2F007 电路原理图,1.偏置电路,至输入级,至中间级,基准电流：,基准电流产生各放大级所需的偏置电流。,各路偏置电流的关系：,IREF,I11,IC10,I3,4,IC9,IC8,IC12,IC13,微电流源,镜像电流源,输入级,镜像电流源,中间级,输出级,图 4.3.3F007 的偏置电路,2.输入级,VT1、VT2、VT3、VT4 组成共集-共基差分放大电路电路；VT1、VT2 基极接收差分输入信号。,VT5、VT6 有源负载；,VT4 集电极送出单端输出信号至中间级。,uO,RW 调零电阻，R 外接
16、电阻。,VT7 与R2 组成射极输出器。,图 4.3.4,若暂不考虑 VT7 和调零电路则电路可简化为：,1.VT1、VT2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。2.共基组态的 VT3、VT4，与有源负载 VT5、VT6 组合，可以得到很高的电压放大倍数。,3.VT3、VT4 共基接法能改善频率响应。4.该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。,图 4.3.5 简化示意图,3.中间级,输入来自 VT4 和 VT6集电极；,输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。,中间级 VT16、VT17 组成复合管，VT13 作为其有源负载。,8、9两端外接30pF 校正电容防止产生
17、自激振荡。,4.输出级,图 4.3.7F007 输出级原理电路,VT14、VT18、VT19 准互补对称电路；,VD1、VD2、R9、R10 过载保护电路；,VT15、R7、R8 为功率管提供静态基流。,调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为 UBE 扩大电路。,4.4集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的符号,一、开环差模电压增益 Aod,一般用对数表示，定义为,单位：分贝,理想情况 Aod 为无穷大；实际情况 Aod 为 100 140 dB。,图 4.4.1运算放大器的符号,二、输入失调电压 UIO,三、输入失调电压温漂 UIO,定义：,为了使输出电压为零，在
18、输入端所需要加的补偿电压。,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V 以下；,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,六、输入偏置电流 IIB,七、差模输入电阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：,多数集成运
19、放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,九、最大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。,十、最大差模输入电压 UIdm,反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,十一、-3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,十二、单位增益带宽 BWG,Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1。,十三、转换速率 SR,额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V/s。,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。,其他技术指标还有：最大输
20、出电压、静态功耗及输出电阻等。,4.5理想运算放大器,4.5.1理想运放的技术指标,开环差模电压增益 Aod=；,输出电阻 ro=0；,共模抑制比 KCMR=；,差模输入电阻 rid=；,UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；,输入偏置电流 IIB=0；,-3 dB 带宽 fH=，等等。,4.5.2理想运放工作在线性区时的特点,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,理想运放工作在线性区特点：,1.理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,图 4.5.1集成运放的电压和电流,2.理想运放的输入电流等于零,由于 rid=，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,4.5.3理想运
21、放工作在非线性区时的特点,传输特性,+UOPP,-UOPP,图 4.5.2集成运放的传输特性,理想运放工作在非线性区特点：,当 u+u-时，uO=+UOPP当 u+u-时,uO=-UOPP,1.uO 的值只有两种可能,在非线性区内，(u+-u-)可能很大，即 u+u-。“虚地”不存在,2.理想运放的输入电流等于零,实际运放 Aod，当 u+与 u-差值比较小时，仍有 Aod(u+-u-)UOPP，运放工作在线性区。,例如：F007 的 Uopp=14 V，Aod 2 105，线性区内输入电压范围,但线性区范围很小。,图 4.5.2集成运放的传输特性,4.6各类集成运放的性能特点,一、高精度型,
22、性能特点：,漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。,二、低功耗型,性能特点：,静态功耗一般比通用型低 1 2 个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。,三、高阻型,性能特点：,通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达 1012。,高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。,四、高速型,大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。,性能特点：,常用在A/D 和 D/A 转换器、有源滤波器、高速
23、采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。,五、高压型,性能特点：,输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。,六、大功率型,性能特点：,可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。,4.7集成运放使用中的几个具体问题,4.7.1集成运放参数的测试,4.7.2使用中可能出现的异常现象,1.不能调零,调零电位器故障；,电路接线有误或有虚焊；,反馈极性接错或负反馈开环；,集成运放内部损坏；,重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象,2.漂移现象严重,存在虚焊点,运放产生自激振荡或受强电磁场干扰,集成运放靠近发热元件,输入回路二极管受光照射,调零电位器滑动端接触不良,
24、集成运放本身损坏或质量不合格,3.产生自激振荡,按规定部位和参数接入校正网络,防止反馈极性接错,避免负反馈过强,合理安排接线，防止杂散电容过大,4.7.3集成运放的保护,1.输入保护,(a)反相输入保护,(b)同相输入保护,图 4.7.1输入保护,2.电源极性错接保护,保护元件：VD1、VD2,3.输出端错接保护,保护元件：稳压管 VDZ1、VDZ2,图 4.7.3利用稳压管保护运放,图 4.7.2电源接错保护,4.输出限流保护,保护元件：VT1、VT2,(b)保护管工作特性,正常工作时工作点在 A；,工作电流过大，工作点经B 移到 C 或 D 点。,(a)电 路 图,B,C,D,A,图 4.7.4输出限流保护,
