第五部分集成运算放大器.ppt

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1、第五章 集成运算放大器,5.1 差动放大电路,5.2 集成运算放大器中的单元电路,5.3 集成运放简介,5.4 集成运算放大器中的主要参数,5.5 特殊集成运算放大器,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。 （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。,什么是集成运算放

2、大器？,直耦放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,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。,输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,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,3. 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,5.1 差动放大电路,即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe

3、1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,2019/7/13,1. 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. 几个基本概念,3. 差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4. 共模抑制比,三.差动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 =

4、 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ui

5、1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化)。,共模电压放大倍数,四.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,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,这种方式适用 于将差分信号转换 为单端输出的信号

6、。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,（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,动画演示,求共模电压放大倍数：,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：,动画演示,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

7、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：,动画演示,五. 带恒流源的差动放大电路,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

8、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,带恒流源的差动放大电路的计算：,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。,5.2 集成运算放大器中的单元电路,一 . 电流源电路,因为：,所以：,2. 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. 多路电流源,二. 差动输入级,1. 有源负载差动放大电路,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。,

9、2. 共集共基差动输入级,特点： （1）输入阻抗高。 （2）T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。,三.输出级,工作原理：,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,输入输出波形图,死区电压,2. 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 ：,5.3 集成运放简介,一. 集成运放的总体结构,二. 简单的

10、集成运放,原理电路：,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,三. 通用型集成运放F007,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

11、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，T13B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

12、。,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。,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。,5.4 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

13、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

14、.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,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊

15、类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,5.5 特殊集成运算放大器,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV, IIO/T 200PA, KCMR110dB。 大多选用匹配特性优良的

16、差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。,3.高速型,高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。 高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,

17、4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5. 大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,1直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。 3集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有BJT集成运放、FET集成运放、BiMOS集成运放等。本章重点介绍了BJT集成运放F007。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。 4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。,本章小结,