模电第五章集成运算放大电路.ppt

第五章 集成运算放大电路,5.1 集成放大电路的特点,5.2 集成运放的基本组成部分,5.3 集成运放的典型电路,5.4 集成运放的主要技术指标,5.5 理想运算放大器,5.6 各类集成运放的性能特点,5.7 集成运放使用中的几个具体问题,5.1 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 5.1.1 集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运算放大电路特点：,1. 参数对称性好，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，一般用三极管有源元件代替或采用外接。,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。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,5. 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。,5.2 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 5.2.1 集成运算的基本组成,输入级：对整个运放的性能指标影响较大，通常采用差分放大器以减小零点漂移。,中间级：主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。,输出级：为了进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用互补对称的功率放大电路。,偏置电路：向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。,一、镜像电流源 (电流镜 Current 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 5.2.2,5.2.1 偏置电路,特点： 电路结构简单 具有温度补偿作用,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 5.3.3 比例电流源,缺点：1. 变化， 也变化。 2.难以获得微安级的偏置电流。,特点： 电路结构简单 温度补偿作用更好（ ）,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 5.3.4 微电流源,具体估算,因二极管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,图 5.3.4 微电流源,特点： 引入了 提高了恒流源对电源 变化的稳定性 提高了恒流源对温度 变化的稳定性,特点： 引入了 提高了恒流源对电源 变化的稳定性 提高了恒流源对温度 变化的稳定性,特点： 引入了 提高了恒流源对电源 变化的稳定性 提高了恒流源对温度 变化的稳定性,例题（P184）,练习：P217 5-1 5-3,作业：P217 5-4 5-5,5.2.2 差分放大输入级,因为集成运放实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，输入级的性能对于整个运放的性能的影响至关重要，因此，集成运放输入级大都采用差分放大电路的形式，以克服温度带来的零点漂移。,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,工作原理：,1.静态分析,理想情况下，电路完全对称。,当输入电压等于零时，,UCQ1 = UCQ2,UO = 0,当温度变化时，两管集电极电流和集电极电位会发生相同的变化，所以输出电压也为零，零点漂移就会互相抵消。,2.动态分析,加上输入信号，有三种信号输入方式。,（1）差模输入信号,如果两个输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压(用符号 uId 表示)。 差模信号一般是有用的信号，是要放大的信号。,（2）共模输入信号,如果两个输入电压大小相等，极性相同，称为共模输入电压(用符号 uIc 表示)。 差动放大电路的零点漂移可以看成是一对共模信号。共模信号是无用信号，是放大电路应该抑制的。,（3） 任意输入信号:,分解：,差模分量,共模分量,叠加：,例：,所以：,则：,3. 电压放大倍数,在差模信号作用下：,差模电压放大倍数：,共模电压放大倍数：,希望：Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好。,图 5.2.7 共模输入电压,理想情况下，,共模抑制比：,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) 基本形式差放的单边输出的零点漂移丝毫没有改善。,（4）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。,在上图电路中，RE 越大，则工作点越稳定，零点漂移 也越小。但RE 太大，在一定的工作电流下，RE上的压降 太大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工 作电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源 供电，用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电 后，输出电压的动态范围大多了。,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,+VCC,(1) Re 称为“长尾电阻”,作用是引入共模负反馈。对差模信号无负反馈。,(2) Re 愈大，Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。,图 5.2.8 长尾式差分放大电路,(3) Re 愈大，其上的直流压降越大。引入VEE来补偿。,2. 静态分析,当 uId = 0 时，由于电路结构对称，故：,IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ,IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE,则,ICQ IBQ,(对地),图 5.2.8 长尾式差分放大电路,3. 动态分析（交流通路）,则,同理,图 5.2.8 长尾式差分放大电路的交流通路,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,图5.2.10 接有调零电位器的长尾差分电路,例题P190 交流通路,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变化。,图 5.2.13 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 5.2.13 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,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。,1. 双端输入、双端输出,图 5.2.16(a) 双端输入、双端输出,2. 双端输入、单端输出,uO 约为双端输出的一半，即,图 5.2.16(b) 双端输入、单端输出,若由 VT2 集电极输出， uO 为“正”。,3. 单端输入、双端输出,计算同双入双出，所以,图 5.2.16(c) 单端输入、双端输出,单端输入，当共模负 反馈足够强时，因为右侧的 R2+rbe归算到发射极回路的值 (R2+rbe) /(1+) Re， 故 Re 对 Ie 分流极小， 可忽略，于是有,ui1 = ui2 = ui /2,4. 单端输入、单端输出,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 5.2.16(d) 单端输入、单端输出,若改从 VT2 集电极输出，则,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。 (2) 双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时， Ro = Rc 。 (3) 双端输出时，理想情况下，KCMR ；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。 (4) 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。 (5) 单端输入时，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，即单入相当于双入。 (6) 单端输入时， 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。,作业：P 218 5-6 5-7 5-9 5-10,5.2.3 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 5.2.17 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 - 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 5.2.18 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阻； 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 5. 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 5. 2.19,复合管共射电流放大系数 值,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，集电结反偏，使管子工作在放大区。,图 5. 2. 20 复合管的接法,(a) NPN 型,(b) PNP 型,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 。 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。,5.2.4 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 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 5. 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 5.2.22 交越失真,二、由复合管组成的功率输出级,图 5.2.3 互补对称电路,图 5.2.24 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， 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 5. 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 5. 2. 25 过载保护电路,简单的集成运放,原理电路：,5.4 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 5.4.1 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：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。,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。,小结,一、集成电路的特点（了解） 二、集成运放的基本组成部分 1.偏置电路（理解电流源的工作原理） 2.输入级：差分放大电路的工作原理 差分放大电路的静态和动态分析 四种输入、输出方式 信号的分类 3.中间级 4.输出级 三、集成运放的主要技术指标,5.3 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,5.3.1 双极型集成运放 F007,图 5.3.1 F007 的引脚及连接示意图,(a),(b)连接示意图,二、电路原理图,图 5.3.2 F007 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 5.3.3 F007 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 外接电阻。,VT7 与R2 组成射极输出器。,图 5. 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 5.3.5 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 校正电容防止产生自激振荡。,4. 输出级,图 5.3.7 F007 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。,5.5 理想运算放大器,5.5.1 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。,5.5.2 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 5.5.1 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”,5.5.3 理想运放工作在非线性区时的特点,传输特性,+UOPP,-UOPP,图 5.5.2 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 5.5.2 集成运放的传输特性,5.6 各类集成运放的性能特点,一、高精度型,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