《集成运算放大电路》PPT课件.ppt

第四章 集成运算放大电路,4.1 集成运算放大电路概述,4.2 集成运放中的电流源电路,4.3 集成运放电路简介,4.5 集成运放的种类及选择,4.6 集成运放大的使用,4.4 集成运放的指标及低频等效电路,4.1 集成运算放大电路概述,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/模或模/数转换器等。,集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,4.1.1 集成运放的电路结构特点,一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。,二. 在芯片上常常用三极管代替大电阻和二极管。,三. 通常采用直接耦合电路方式。,四. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大，通常 PNP 的 10 。常采用复合管的形式。,一个 输出端,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用,由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。,在线性区： uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。,(uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM , 就是UOM，即集成运放工作在非线性区。,4.1.3 集成运放的电压传输特性,4.2 集成运放中的电流源电路,集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流; 或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。,一、镜像电流源,T0 和 T1 特性完全相同。,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,电路中有负反馈吗？,基准电流,4.2.1 基本电流源电路,缺点： 1. 受电源波动影响大； 2. 电流最低至mA级,要获得更小电流需增大电阻R,集成电路不好实现. 3.误差比较大,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。,三、微电流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。,超越方程,4.2.2 改进型电流源电路,问题：基本电流源电路在很小时， IR和 IC2相差很大。,为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。,一、加射极输出器 的电流源,由于增加了T3，使IC2更加接近IREF,缺点： 1. 受电源波动影响大； 2.电流最低至mA级。,IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(+1),如10 IC2=0.982 IREF,增加电阻Re2 目的是使IE3增大。,二、威尔逊电流源,T1管的c-e串联在T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的Re相同。,公式推导（略）,当10 IC2=0.984 IR,可见，在很小时，也可认为IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。,问题：IR如何计算？,（1）基于比例电流源的多路电流源,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,UBE0+IE0Re0 =UBE1+IE1Re1 =UBE2+IE2Re2 =UBE3+IE3Re4,因为UBE相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3,4.2.3 多路电流源,（2）多集电极管构成的多路电流源,根据所需静态电流，来确定集电结面积。,设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则,（3）MOS管多路电流源,根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。,MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。,设宽长比W/L=S，且T1T4的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则,基准电流,4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路,在集成运放中，常用电流源电路取代RC或Rd ，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得很大的等效RC或Rd的。,晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。,（1）用于共射放大电路,哪只管子为放大管？ 其集电结静态电流约为多少？ 静态时UIQ为多少？,为什么要考虑 h22?,4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路,（2）用于差分放大电路,电路的输入、输出方式？ 如何设置静态电流？ 静态时iO约为多少？ 动态时iO约为多少？,使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。,静态：,动态：,读图方法,（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。 （2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。 （3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 （4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。 （5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。,已知电路图，分析其原理和功能、性能。,4.3 集成运放电路简介,二、 举例：型号为F007的通用型集成运放,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。,找出偏置电路,偏置电路的分析,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,双端输入、单端输出差分放大电路,以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路,用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级,三级放大电路,简化电路 分解电路,输入级的分析,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。,共集-共基形式,Q点的稳定： T（）IC1 IC2 IC8,IC9与IC8为镜像关系IC9,因为IC10不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2,T1和T2从基极输入、射极输出,T3和T4从射极输入、集电极输出,输入级的分析,T7的作用：抑制共模信号,T5、T6分别是T3、T4的有源负载。,作用？,+,_,放大差模信号,特点： 输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高.,中间级的分析,中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。,F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。,中间级,输出级,输出级的分析,D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。,iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。,准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。,中间级,输出级,特点： 输出电阻小 最大不失真输出电压高,判断同相输入端和反相输入端,F007所具有的高性能,Ad较大：放大差模信号的能力较强 Ac较小：抑制共模信号的能力较强 rid较大：从信号源索取的电流小 ro小：带负载能力强 Uom大：其峰值接近电源电压 输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。 uIcmax大：接近电源电压,4.4 集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 Aod 106dB ,差模输入电阻 rid 2M ,共模抑制比 KCMR 90dB ,指标参数 F007典型值 理想值 UIO 几V/ 0,UIO的温漂dUIO/dT() 几V/ 0,输入失调电流 IIO 20nA 0,IIO的温漂dIIO/dT() 几nA/ 0,使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。,4.4 集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值 最大共模输入电压 UIcmax 13V,-3dB带宽 fH 10Hz ,转换速率 SR 0.5V/S ,能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。,最大差模输入电压 UIdmax 30V,超过此值输入级差分管将损坏。,上限截止频率。,对大信号的反应速度,为什么这么低？,4.4 集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT() 几V/ 0 输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 IIO的温漂d IIO /dT() 几nA/ 0 最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S ,4.4 集成运放的主要性能指标,4.5 集成运放的种类,按工作原理,电压放大型：输入量与输出量均为电压 电流放大型：输入量与输出量均为电流 跨导型：输入量为电压，输出量均为电流 互阻型：输入量为电流，输出量均为电压,按可控性,可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小 选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大,4.5 集成运放的种类,按性能指标,高 阻 型：rid，可高于1012。 用于测量放大器、信号发生