集成运算放大器的单元电路.ppt

5.1 引言 集成运算放大器（简称运放）是一个直接耦合高增 益的多级放大电路。 本章涉及的主要问题： 集成运算放大器的构成及特点 多级放大电路的耦合方式 差分放大电路的结构、工作原理 功率放大电路及交越失真 集成运算放大器的类型、使用注意事项 第5章 集成运算放大器的单元电路 5.2 集成运算放大器概述 5.2.1 组成 1. 输入级：采用双端输入高性能的差分放大电路。输入 电阻大，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静 态电流小。 2. 中间级：提供高的电压增益，以保证运算放大器的运 算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载 的高增益放大电路。 集成运算放大器结构图 5.2.1 组成 3. 输出级：互补对称输出电路。输出级应具有输出电 压范围宽、输出电阻小（带负载能力强）、非线性失 真小等特点。 4. 偏置电路：为各级放大电路提供合适的静态工作点 电流。 集成运算放大器结构图 5.2.2 集成运放的符号和电压传输特性 (a) 常用符号 (b) 标准符号 符号电压传输特性 -Uom +Uom 线性放大区 非线性区 0 非线性区 5.3 多级放大电路 耦合方式 RL RS Ui Uo Us A1A2An 5.3.1 多级放大电路的耦合方式 1. 直接耦合 直接耦合放大电路 2. 阻容耦合 阻容耦合放大电路 3. 变压器耦合 变压器耦合放大电路 4. 光电耦合 光电耦合放大电路 光电耦合器及其传输特性图 光电耦合特点 光耦两侧电气隔离 可以不共地 抑制电干扰 5.3.2 零点漂移 uo t 0 直接耦合放大电路由于前后级直 接相连，前一级的零漂电压信号会和 有用电压信号一起被送到下一级，而 且逐级放大。因此，零点漂移可以通 过直接耦合放大电路被逐级放大，从 而使输出端的零点漂移现象更加严重 ，且放大电路的级数越多，放大倍数 越高，零点漂移越严重。 解决方案： 1. 采用分压偏置共射基本放大电路 2. 采用温度补偿，利用热敏元件来补偿晶体管参数的变化 3. 采用差分放大电路结构 输出电压的漂移 5.3.3 直接耦合放大电路的电位移动 电位移动直接耦合放大电路 采用NPN和PNP三极管结合的方法解决电位移动问题： NPN和PNP组合电位移动直接耦合放大电路 5.3.4 多级放大电路电压放大倍数的计算 1. 输入电阻法：在计算前一级的电压放大倍数时， 将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑。 2. 开路电压法：将前级作为后级的信号源来考虑， 信号源的电压为前级的开路电压，信号源的电阻为 前级的输出电阻。 多级放大电路电压放大倍数的计算方法 1. 输入电阻法 两级放大电路的电压放大倍数计算实例 等效电路 两种方法的结果完全一致 2. 开路电压法 两级放大电路的电压放大倍数计算实例 等效电路 5.4 集成运算放大器中的电流源 1. 镜像电流源 UBE1= UBE2=UBE；IB1= IB2 由于两三极管完全对称，故： 5.4.1 电流源 1=2= 忽略两三极管BE结压降的差值， 有： 由于， 因此， 式中 2. 比例电流源 3. 微电流源 晶体管电流之间的关系： 可得， 4. 威尔逊电流源 由电路图可知： 如果电流放大系数足够大，则有 5. 多路电流源 5.5 差分放大电路 差分放大电路（简称差放）能放大两个输入信号之差， 差放只对输入信号的差有响应。 晶体管VT1、VT2特 性一致 1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe 电路参数对称，即 Rc1=Rc2= Rc Rs1=Rs2= Rs 5.5.1 差分放大电路的组成 1. 信号的分解 共模输入信号： 差模输入信号： 5.5.2 差模信号和共模信号 在差模信号和共模信号同时存在的情况下，对于线 性放大电路，可利用叠加原理得出输出电压 2. 差模放大倍数和共模放大倍数 集电极电流： 晶体管的管压降： 通过以上分析，差分放大电路的静态求解与共射放大 电路一样，只不过发射极电阻用2Re替代。 5.5.3 差分放大电路的静态分析 1. 双端输入双端输出 2. 双端输入单端输出 3. 单端输入双端输出 4. 单端输入单端输出 5.5.4 差分放大电路的输入和输出方式 1. 双入双出差分放大电路的差模动态分析 5.5.5 差分放大电路的差模动态分析 双入双出差放的差模工作方式 差模放大倍数 1. 双入双出差分放大电路的差模动态分析 差模输入电阻Rid 1. 双入双出差分放大电路的差模动态分析 差模输出电阻Rod 根据输出电阻的定义，应将源输入电压短路，保留 内阻RS；将负载电阻RL开路。 1. 双入双出差分放大电路的差模动态分析 (a) 集电极C1输出(b) 集电极C2输出 双入单出差分放大电路的差模工作状态与双入双出差 放差别不大，只是单端输出只获取了两集电极之间输出变 化量的一半。 2. 双入单出差分放大电路的差模动态分析 双入单出差分放大电路 C1 从C1输出为负 从C1输出 2. 双入单出差分放大电路的差模动态分析 3. 单入双出差分放大电路的差模动态分析 与双入双出的差模放大指标相同。 差模放大倍数： 差模输入电阻： 差模输出电阻： 4. 单入单出差分放大电路的差模动态分析 与双入单出的差模放大指标相同。 双入双出 双入单出 单入双出 单入单出 输入 双端输入 双端输入 单入可转 单入可转 换为双入 换为双入 输出 C1和C2 C1对地或 C1和C2 C1对地或 之间输出 C2对地输出 之间输出 C2对地输出 发射极交 流电位Ue Ue=0 集电极 双出 RL /2 单出 RL 双出 RL/2 单出 RL 负载电阻 RL中点交流0 RL中点交流0 5. 差分放大电路动态差模工作状态汇总 差模输 入电阻 输出 电阻 差模电 压增益 单端输出： 5.5.6 差分放大电路的共模动态分析 共模输入下的差分放大电路 共模抑制比 差分放大电路很难做到完全对称，零点漂移也不能完 全被克服，但将受到很大的抑制，差分放大电路抑制共模 信号的能力(抑制零漂的能力)用共模抑制比来衡量。即 若双入双出差分放大电路完全对称，则 若单端输出， 5.5.6 差分放大电路的共模动态分析 5.5.7 恒流源差分放大电路 功率放大电路的核心问题： 1. 输出功率 2. 效率 3. 功率器件的散热 4. 非线性失真 5.6.1 概述 5.6 互补功率放大电路 功率放大电路的分析方法： 图解法 5.6.1 概述 导通角 360； 效率 50% 。 导通角 180； 效率 78.5% 。 导通角稍大于 180； 效率 接近乙类。 导通角 180。 晶体管的工作状态 为了降低静态时的工作电流，晶体管从甲类工作状态 改为乙类或甲乙类工作状态，但同时产生了失真问题。 平均电流下降，静 态功耗虽然减小， 但失真严重 晶体管乙类工作状态失真严重 5.6.2 乙类互补功率放大电路 为了解决乙类状态下的失真问题，常采用乙类互补输 出电路，它是由一对特性一致的NPN和PNP晶体管，按射 极输出器的电路形式组合而成。 乙类互补输出级 1. 电路组成 (a) (b) (c) 正负半周合成的波形图 2. 工作原理 正负半周波形合成的原理 因晶体管存在死区，若 输入信号小于开启电压，则 晶体管不导通。 所以乙类互补输出电路 在输入信号正、负半周交替 过零处，因晶体管存在死区 ，导致集电极电流为0，从 而形成的非线性失真，称为 交越失真。 uo 死区 3. 交越失真 交越失真 输入信号 输出信号 交越失真的波形 3. 交越失真 4. 消除交越失真 甲乙类互补功率放大电路 为消除交越失真，可给晶体管稍稍加一点偏置， 使之处于微导通状态，消除死区，即工作在甲乙类工 作状态。只要一加入信号，晶体管立刻导通。 (1) 输出功率 输入、输出均为正弦波： 负载上的最大不失真功率（忽 略晶体管的饱和压降时）： 5. 乙类互补功率放大电路的参数计算 电源功率 晶体管的管耗 晶体管的管耗等于电源输 出功率与向负载提供功率之 差，具有非线性的关系 (2) 管耗 最大管耗曲线 5. 参数计算 对晶体管的管耗表达式求微分，可以得出： 当Uom=0.64VCC时，管耗的最大值为 对互补输出级的一只晶体管 最大管耗 最大管耗曲线 5. 参数计算 5. 参数计算 (3) 效率 当Uom = VCC 时效率最大。 6. 功率管的选择 (1) 最大允许反向电压U(BR)CEO 两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降 。当VT1饱和导通时，VT2管所承受最大管压降为 (2) 集电极最大电流ICM (3) 集电极最大功耗PCM VT1和VT2参数对称 ，如电容C足够大，两管 发射极的静态电位可达 VCC/2，计算方法可参照 双电源乙类互补对称功 率放大电路。 5.6.3 单电源互补功率放大电路 当输出功率较大时，要求输出级功率晶体管提 供较大的集电极电流iC，但大功率管的值一般都不 大，这就要求输出级的前一级为它提供较大的基极电 流驱动iB，即末前级也应该是一个功率放大级。为了 得到高的功率放大管，往往采用复合管。 5.6.4 复合管 组成复合管的条件：每只管都处于放大状态，前 一管的输出电流和后一管的基极电流方向必须一致。 四种类型的复合管 5.6.4 复合管 由相同类型的晶体管组成的复合管： 复合管的输入电阻为： 复合管的电流放大系数为： 5.6.4 复合管 由不同类型的晶体管组成的复合管： 复合管的电流放大系数为： 复合管的输入电阻为 ： 结论 ： (1)由两个相同类型的晶体管组成的复合管，其类型与原来 相同。复合管的=12 ，复合管的 (2)由两个不同类型的晶体管组成的复合管，其类型与前级 晶体管相同。复合管的=12 ，复合管的 5.6.4 复合管 例题 第一级：双端输入单端输出的差放 第二级：以复合管为放大管的共射放大电路 第三级：准互补输出级 化整为零，识别电路 5.7 集成运算放大器的参数和种类 (1)开环差模电压放大倍数 Aud：集成运放在无外加 反馈时，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比称 为开环差模电压放大倍数 Aud 。通用型集成运放的Aud 大都在80dB100dB左右。 (2)差模输入电阻rid ： rid是集成运放在输入差模信 号时的输入电阻。 (3)共模抑制比 KCMR：共模抑制比等于差模电压放 大倍数 Aud与共模电压放大倍数 Auc之比的绝对值，也 常用分贝数来表示。 5.7.1 集成运算放大器的参数 (4)输入失调电压UIO 及其温漂dUIO/dT：由于集成运放 的输入级电路参数不可能完全对称，输入电压为零时，输 出电压不为零。输入失调电压是指为了使输出电压为零而 在输入端加的补偿电压。 输入失调电压的温漂是指温度每变化1时，输入失调 电压的变化量。 (5)输入失调电流IIO 及其温漂dIIO/dT：反映集成运放的 输入级差分对管输入电流的不对称程度。 (6)输入偏置电流IB ：输入级差分对管输入电流的基极（ 栅极）偏置电流的平均值，即 5.7.1 集成运算放大器的参数 (8)最大差模输入电压 UIdmax: UIdmax是不至于使输入级 差分管反向击穿损坏的最大差模输入电压。 (9)-3dB带宽 : 当频率升高使Aud下降3dB时的信号频率。 (10)转换速率SR : ，表示集成运放对大信号 快速变化跟踪的能力。 (11)单位增益带宽 f c : 使Aud 下降到1时所对应的信号频率 。 (7)最大共模输入电压 UIcmax: UIcmax为输入级能正常放大 共模信号时，容许输入的最大共模信号。 5.7.1 集成运算放大器的参数 型号 差模输入电阻 （） 输入失调电压 (mV) 共模抑制比 （dB） 转换速率（ V/s） CF74121062900.5 LF3531012510013 LF3561012310012 TL0821012510013 1. 几种典型的通用型运算放大器参数 5.7.2 集成运放的种类通用型 通用集成运放741内部结构 2. 几种典型的高速、宽带型运算放大器参数 型号 单位增益带宽 （MHz） 转换速率 （V/s） 差模输入电阻 （） 共模抑制比 （dB） LM7331202700.2510650 LM31815703106100 AD96206002200210660 5.7.2 集成运放的种类高速和宽带型 3. 几种典型的高精度、低噪声型运算放大器参数 型号 输入失调电压 （V） 输入失调电 流（nA） 失调电压 温度系数（ V/） 共模抑制比 （dB） OP07250.31.0V/Mon110 OP2730150.2108 OP371070.2108 LM72520020.6120 NE55325001005100 5.7.2 集成运放的种类高精度低噪声型 4. 几种典型的高输入阻抗型运算放大器参数 型号 差模输入电阻 （） 输入偏置电流 （pA） 单位增益带宽 （MHz） 共模抑制比 （dB） AD54910130.041100 CF155101230190 CA31301.510125480 5.7.2 集成运放的种类高输入阻抗型 5. 几种典型的低功耗型运算放大器参数 型号 静态功耗 （微瓦） 共模抑制比 （dB） 转换速率 （V/s） 单位增益带宽 （kHz） OP220500900.05200