2010秋《低频电子线路》(19)集成运放内部电路和性能指标

2018/1/15,低频电子线路,1,低频电子线路,(19)山东大学 信息科学与工程学院刘志军,2018/1/15,低频电子线路,2,上节课,运放的功放级功率放大器,2018/1/15,低频电子线路,3,本次课,6.5 集成运放电路举例6.7 集成运算放大器的主要性能指标 （包括 2.5.3 有限的压摆率）,2018/1/15,低频电子线路,4,集成运放的特点及构成,以具有代表意义的通用型模拟集成运算放大器为例。介绍通用型模拟集成运算的结构、原理、应用、特点等。,2018/1/15,低频电子线路,5,模拟集成电路特点,从制造工艺来看：采用直接耦合的电路结构（不宜做大电容和电感）；输入级（及其它）常用差动电路（利用对称性做补偿）；大量采用恒流源电路（做偏置和有源负载），做晶体管比做电阻等元件还容易。也常常采用组合电路形式。,2018/1/15,低频电子线路,6,集成电路的优点,有体积小、功耗小、功能强、可靠性好的优点，故得到广泛应用发展。,2018/1/15,低频电子线路,7,集成运放的组成框图,集成运放一般由四部分组成,输入级,中间级,输出级,偏置电路,2018/1/15,低频电子线路,8,运放框图介绍,输入级中间级输出级偏置级,2018/1/15,低频电子线路,9,输入级特点,一般采用差动电路（对称性 、抑制温漂和噪声）。这是芯片性能好坏的关键。,2018/1/15,低频电子线路,10,中间级特点,一般采用复合管和带有源负载的共射放大电路。 主要为获得电压增益，起到主要的放大作用。,2018/1/15,低频电子线路,11,输出级特点,主要考虑 功率输出（带载能力强）和过载保护。,2018/1/15,低频电子线路,12,偏置级特点,为各级提供合适的静态工作点（往往采用各种电流源 ）保证各级能够稳定工作。,2018/1/15,低频电子线路,13,6.5 集成运放电路举例,将以通用型集成运放为例，介绍模拟集成电路的构造、特点、性能技术指标和应用。具体介绍A741（F007、 5G24等型号均为此管）。,2018/1/15,低频电子线路,14,集成运放组成框图,中间级,输出级,偏置级,输入级,2018/1/15,低频电子线路,15,（1）A741特点,双极集成工艺第二代产品（比较成熟）通用型经典产品,2018/1/15,低频电子线路,16,主要缺点,带宽很窄，频率特性差。只能用于低频（频率很低）的信号。,2018/1/15,低频电子线路,17,（2）内部结构和工作原理,集成运放内部电路，一般分为以上提到的四部分。 结构特点：大量采用电流源电路（有源负载，稳定偏置）。,2018/1/15,低频电子线路,18,集成运放内部电路图,见书P140、图3.6.2,2018/1/15,低频电子线路,19,输入级分析,输入级为差动组合放大器；管子：VT1VT8；主要任务：输入阻抗高，共模抑制。,2018/1/15,低频电子线路,20,输入级分析,VT1、VT3和VT2、VT4，共集共基（CCCB）差放组合电路。其中VT1、VT3纵向NPN管，CC电路，可提高输入阻抗，值大。VT2、VT4横向PNP管， CB电路，有利提高差模输入电压。,2018/1/15,低频电子线路,21,输入级分析,VT5、VT6、VT7为比例电流源。组成差放的有源负载，可提高增益（单端输出相当双端输出）。完成双端单端化输出转换。同时具有共模拟制作用。,2018/1/15,低频电子线路,22,输入级分析,2018/1/15,低频电子线路,23,中间级分析,主要性能是通过放大而获得增益。主要由VT16和VT17组成可接成复合管形式（注意电路图有误）。VT13A（多集电极电流源）做有源负载提高增益,2018/1/15,低频电子线路,24,电路图,2018/1/15,低频电子线路,25,输出级分析,由VT23（多发射极）是功放推动级,为CC电路，VT13B是有源负载；VT14、VT20是互补对称功放级（实际是射随器）。以上共同组成带推动级的功放电路。请问：功放级是OTL还是OCL？注意：“互补”指NPN、 PNP类型互补，是两个CC（射随器），“对称”指两个管子参数一致。,2018/1/15,低频电子线路,26,电路图,2018/1/15,低频电子线路,27,保护电路工作原理,R9、VT15组成限流保护电路 。当正向电流过大时，保护功放输出管。R9为例说明保护时VT15由截止到导通。,2018/1/15,低频电子线路,28,电路图,2018/1/15,低频电子线路,29,保护电路分析,R10 截流保护。负向电流大时，R10压降大，使VT21导通，同时使VT24 、VT22均导通，从而降低VT16、VT17基极电压，使Vc17电位和Ve23上升，使VT20的基极电位抬高，使管子截止。因此是截流保护。,2018/1/15,低频电子线路,30,电路图,2018/1/15,低频电子线路,31,保护电路分析,推动管保护（VT16、VT17）VT23的发射级之一，对此管也有过流保护作用。当VT16基流过大时，会使VT17饱和；UB23UE23 ，由连线可分流一部分IB16电流；因而是过流保护。,2018/1/15,低频电子线路,32,电路图,2018/1/15,低频电子线路,33,偏置电路,偏置电路主要依托电流源起作用。偏置电路有哪些电流源?,2018/1/15,低频电子线路,34,电流源,看电路图分析，请问?找一找,该芯片电路包括几套电流源？分别属于什么电流源？,2018/1/15,低频电子线路,35,电路图,2018/1/15,低频电子线路,36,偏置电路分析,VT10、VT11是参考电流源（微电流源）。提供全局的 基准电流 改变R5，可进行调整基准和整机电流大小。,2018/1/15,低频电子线路,37,偏置电路分析,VT8、VT9 组成镜像电流源（由VT10带动，给差动输入级做偏置供电）。VT5、VT6组成比例电流源，做差放级的有源负载。,2018/1/15,低频电子线路,38,偏置电路分析,VT12、VT13（由VT11带动）组成镜像源，为多输出电流源。分别为中间级（做VT17的有源负载）和输出级（供给VT14、VT20）两处供电。,2018/1/15,低频电子线路,39,电路图,2018/1/15,低频电子线路,40,UBE扩展电路,由VT18、VT19、R8组成。用于消除功放输出的交越失真。,2018/1/15,低频电子线路,41,电路图,2018/1/15,低频电子线路,42,补偿电容,C1为补偿电容（频率补偿），是密勒电容补偿。防止自激。,2018/1/15,低频电子线路,43,电路图,2018/1/15,低频电子线路,44,静态分析,整个电路应该保持静态平衡（零输入时零输出）。VT5、VT6可外接调零电路（RP）。一个好的运放器件，应该无需调零。,2018/1/15,低频电子线路,45,F007管脚和电源,注意管脚位置和电源位置。,2,3,1,4,5,6,7,+15V,-15V,+,_,2018/1/15,低频电子线路,46,电路图,2018/1/15,低频电子线路,47,动态分析,自行判断信号流向（从输入到输出的信号流通路径）。可以使用电路组态（哪进哪出）的方法。,2018/1/15,低频电子线路,48,F007电路原理图(本书）,2018/1/15,低频电子线路,49,6.7 集成运放的主要性能指标,输入失调电压UIO和输入失调电流IIO以及失调的温漂（dIio/Dt，dIio/dT）输入偏置电流IiB开环差模电压增益Aud共模拟制比KCMR差模输入阻抗Rid共模输入阻抗Ric输出电阻Ro输入电压范围（Udm、Ucm）带宽BW转换速率（压摆率）SR静态功耗Pc,2018/1/15,低频电子线路,50,输入失调电压VIO和输入失调电压温度系数,反映制造中电路的对称程度（UBE）和电位配合性能好坏。参数值越小越好（1v20mv之间）,2018/1/15,低频电子线路,51,输入偏置电流IIB,反映差分对管1和2大小，一般在nAuA量级。,2018/1/15,低频电子线路,52,输入失调电流IIO及温度系数,反映1 、2的对称程度，和IIB有关。,2018/1/15,低频电子线路,53,差模开环电压增益Aud,表示运放放大能力，一般在 80180dB。,2018/1/15,低频电子线路,54,共模抑制比KCMR,表示运放共模拟制能力，一般大于100dB,有的达180dB.,2018/1/15,低频电子线路,55,最大差模输入电压,差模输入时，输入端所能承受的最大输入电压值。,2018/1/15,低频电子线路,56,最大共模输入电压,接成电压比较器时，产生1%跟随误差时的输入电压值。或定义KCMR下降6dB时所加共模电压值。一般在几伏几十伏。,2018/1/15,低频电子线路,57,集成运放主要频率参数,开环带宽BW和单位增益带宽GBW（小信号时）转换速率/压摆率SR（大信号时）建立时间tset差模和共模输入阻抗,2018/1/15,低频电子线路,58,差模和共模入阻,同差放参数含义。,2018/1/15,低频电子线路,59,开环带宽BW和单位增益带宽GBW,在小信号时衡量。是对器件增益和频率特性的综合衡量。,2018/1/15,低频电子线路,60,建立时间tset,在运放闭环电压增益为1，规定负载并输入阶越大信号条件下，运放输出电压达到某一特定值范围所需时间。,2018/1/15,低频电子线路,61,转换速率/压摆率SR （见P62 2.5.3）,指在大信号时的反应速度。反映运放输出对高速变化的输入信号的响应情况。一般接成跟随器形式进行测试。SR大表明运放高频特性好。,2018/1/15,低频电子线路,62,A741 典型参数,见书P145,2018/1/15,低频电子线路,63,特殊型集成运放简介,通用型指运放一般指标比较均衡。特殊型指运放某些指标特别优越。如高入阻、高精度、微功耗、低噪声、宽带、高速、高压、大功率等类型。,2018/1/15,低频电子线路,64,集成运放的选择应用（1）,如没有特殊要求或一般应用，则选用通用性集成运放系列即可，如741、324系列。,2018/1/15,低频电子线路,65,集成运放的选择应用（2）,如系统要求精密、温漂小、噪声干扰低，则选择高精度、低漂移、低噪声的集成运放。如对于微弱信号检测、精密测量等自动化仪表或高精度稳压电源方面的应用。,2018/1/15,低频电子线路,66,集成运放的选择应用（3）,如运放要求输入阻抗高、输入偏流小，则要选择高输入阻抗的集成运放。常用于取样/保持、峰值检波、高质量积分器、光电检测等应用电路中。,2018/1/15,低频电子线路,67,集成运放的选择应用（4）,若系统对功耗有严格要求，则要选择低功耗集成运放。,2018/1/15,低频电子线路,68,集成运放的选择应用（5）,若系统工作频率高，或信号为窄脉冲，则要选择宽带、高速集成运放电路。,2018/1/15,低频电子线路,69,2018/1/15,低频电子线路,70,2018/1/15,低频电子线路,71,运放的选择,见P65 表2