集成运算放大器及其应用.ppt

1,模拟电子技术,华中科技大学电气与电子工程学院2013/02,2,第五章集成运算放大器及其应用,5.1集成运算放大器概述5.2电流源电路5.3典型(长尾式)差动放大电路4.4通用集成运算放大器介绍5.5基本运算电路5.6有源滤波器5.7电压比较器,3,集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；集成运放是一种高增益的直接耦合多级放大电路。,5.1集成运算放大器概述,4,5.1.1集成电路中元件的特点,只能制作小容量的电容，极间耦合采用直接耦合不宜制作大电阻，用有源元件代替大电阻相邻元器件的特性一致性好采用复合管结构改进单管电路的性能,集成运放是一种高增益的直接耦合多级放大电路。,5,集成运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。,5.1.2集成运算放大器的内部基本结构,它是由输入级、中间级（中间放大级和中间隔离级）、输出级组成。,集成运算放大器内部结构框图,6,运放输入级：差分放大（差动放大器）电路，该级要求有低温漂，高共模抑制比和高输入电阻特性。,中间放大级：通常采用CE(CS)放大电路，运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压增益。,输出级采用互补对称式射极跟随器结构，输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求具有低输出电阻。,偏置电路：通常由电流源电路构成，主要包括镜像电流源、比例电流源、微电流源等。其典型特性：动态电阻高。,5.2.1镜象电流源,镜象电流源,其中：基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的。,5.2电流源电路,5.2.2比例式电流源,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。,比例式电流源,9,问题1:前后级Q点相互影响。,5.3.1直接耦合电路的特殊问题,5.3差动放大电路,问题2:零点漂移。,10,（1）电路组成:,对称性结构,即：1=2=VBE1=VBE2=VBErbe1=rbe2=rbeRC1=RC2=RCRB1=RB2=RB,5.3.2典型(长尾式)差动放大电路,特点：加入射极电阻Re；加入负电源-UEE，用正负双电源供电。,11,Q点的计算,UCE1UCC+UEE(Rc+2Re)IC,UCE1=UCE2,（2）静态分析,12,温度T,IC,IE=2IC1,UE,UBE,IB,IC,Re的作用,设ui1=ui2=0,Re具有强负反馈作用,抑制温度漂移，稳定静态工作点。,13,差模信号与共模信号,两信号的幅值相等，位相相同，频率相同。,共模(commonmode)信号：uc,差模(differentialmode)信号：ud,两信号的幅值相等，位相相反，频率相同。,（3）动态分析,14,差模电压放大倍数,设：ui1=-ui2=uid,ie1=ie2,ie=0,ve=0,双端输入双端输出,15,其等效电路为：,因为ui1=-ui2,由于电路对称uo1=-uo2uo=uo1uo2=2uo1,对差模信号有放大作用,差模电压放大倍数,16,设：ui1=ui2=vic,由于电路对称uo1=uo2uo=uo1uo2=0,共模电压放大倍数,对共模信号有抑制作用,17,输入信号可以看成差模信号与共模信号的叠加,差模信号：,共模信号：,总输出电压,两信号可分解为：,输入端加任意信号,例:ui1=20mV,ui2=10mV,则：uid=10mV,uic=15mV,18,共模抑制比（Commonmoderejectionratio）,共模抑制比CCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时共模抑制比(CCMR)可认为等于无穷大.,19,差模输入电阻rid,输出电阻ro,ro=2Rc,20,5.3.3差动放大电路4种接法,a.双端输入、双端输出（双-双）b.双端输入、单端输出（双-单）c.单端输入、双端输出（单-双）d.单端输入、单端输出（单-单）,21,差模输入电阻rid,差模电压放大倍数:,共模电压放大倍数:Auc=0,共模抑制比:,ro=2Rc,输出电阻ro,输出端空载时,输出端接负载时,(1)双端输出,22,差模输入电阻rid,差模电压放大倍数,ro=Rc,输出电阻ro,输出端空载时,；输出端接负载时,(2)单端输出,23,共模电压放大倍数,设：ui1=ui2=uic,共模抑制比,24,差模电压放大倍数,（3）具有调零电位器的差动放大电路(双端输出),差模输入电阻,25,例5.3.1差动电路,解：(1),已知1=2=150,UBE=0.7V,求：,26,差模输入电阻:,差模输出电阻:,ro=2RC=20k,共模抑制比:,因为双端输出电路对称，Auc=0,(2)求共模指标,27,5.3.4带恒流源的差分放大电路简介,双端输入，单端输出共模抑制比,恒流源的动态电阻大、静态电阻小的元件代替Re,Re,28,5.4通用集成运算放大器介绍,集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。,集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。它用在模拟信号的运算、放大、检测、变换、处理、信号产生等等。,5.4.1集成运算放大器的典型结构及特点,集成运放的典型结构,(1)结构,29,（2）一种简单运算放大器的原理图,30,它具有“二高一低”特性的线性组件。即高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器。,为保证有合适的静态工作点，并低功耗，电路采用微电流源作为偏置，放大电路负载采及有源负载，以提高电压增益。,在理想条件下，集成运算放大器可以看成一个电压控制电压源等效（VCVS）。,（3）集成运放的主要特点,31,5.4.2集成运放的主要指标,（1）开环差模电压增益Aod,（5）输入失调电压UIO,（6）输入偏置电流IIB,（8）温度漂移,（2）最大输出电压峰-峰值Uop-p,（3）差模输入电阻rid,（4）共模抑制比CMRR,（7）输入失调电流IIO,32,5.4.3集成运放的电路模型和电压传输特性,（1）简化低频等效电路,（2）集成运放的电压传输特性,运放三个工作区:,线性工作区：,|vd|Vds,orvo=Vsat,vdu时,uo=UOH(+UOm)当u+UR（u-u+）时,uo=UOL=-UOm当uiu-）时,uo=UOH=+UZ当uiUR（u+vNvo=VoH,vPUTH2，输出将保持不变。,当uiURH时,uo1=+Uom,D1导通,uo2=-Uom,D2截止,当uiURL时,uo2=Uom,D2导通,uo1=-Uom,D1截止,当URLuiURH时,D1、D2均截止