四模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行-PPT课件-第四章.ppt

第四章集成运算放大电路 4 1集成放大电路的特点 4 2集成运放的基本组成部分 4 3集成运放的典型电路 4 4集成运放的主要技术指标 4 5理想运算放大器 4 6各类集成运放的性能特点 4 7集成运放使用中的几个具体问题 4 1集成放大电路的特点 集成电路简称IC IntegratedCircuit 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4 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 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 要在电路上另想办法 3 在芯片上制作三极管比较方便 常常用三极管代替电阻 特别是大电阻 4 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 集成电路中的NPN PNP管的 值差别较大 通常PNP的 10 4 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4 2 1集成运算的基本组成 4 2 1偏置电路 向各放大级提供合适的偏置电路 确定各级静态工作点 一 镜像电流源 电流镜CurrentMirror 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4 2 2 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4 2 3比例电流源 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4 2 4微电流源 基本关系 因二极管方程 若IC1和IC2已知 可求出Re 图4 2 4微电流源 4 2 2差分放大输入级 输入级大都采用差分放大电路的形式 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 1 电路组成 假设电路完全对称 当uId 0 时 UCQ1 UCQ2 UO 0 图4 2 6差分放大电路的基本形式 2 电压放大倍数 VT1和VT2基极输入电压大小相等 极性相反 称为差模输入电压 uId 在差模信号作用下 差模电压放大倍数为 3 共模抑制比 差模输入电压uId 共模输入电压uIc uIc大小相等 极性相同 共模电压放大倍数 Ac愈小愈好 而Ad愈大愈好 图4 2 7共模输入电压 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 基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压 其零漂与单管放大电路相同 丝毫没有改善 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 Re称为 长尾电阻 且引入共模负反馈 Re愈大 共模负反馈愈强 Ac愈小 每个管子的零漂愈小 对差模信号无负反馈 图4 2 8长尾式差分放大电路 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 1 2 IBQR UBEQ 2IEQRe VEE 则 ICQ IBQ 对地 图4 2 8长尾式差分放大电路 3 动态分析 则 同理 图4 2 8长尾式差分放大电路的交流通路 图4 2 10接有调零电位器的长尾差分电路 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 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4 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4 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 差分输入 双端输出 差分输入 单端输出 单端输入 双端输出 单端输入 单端输出 1 差分输入 双端输出 图4 2 16 a 差分输入 双端输出 2 差分输入 单端输出 uO约为双端输出的一半 即 若由VT2集电极输出 uO为 正 图4 2 16 b 差分输入 单端输出 3 单端输入 双端输出 单端输入 则 当共模负反馈足够强时 三极管仍然基本工作在差分状态 所以 图4 2 16 c 单端输入 双端输出 4 单端输入 单端输出 若改从VT2集电极输出 则 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4 2 16 d 单端输入 单端输出 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 双端输出时 Ro 2Rc 单端输出时 Ro Rc 2 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 3 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 4 单端输出时 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 5 单端输出时 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 适用于差分输入 双端输出 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 4 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4 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 2 ic4 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4 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路 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4 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4 2 19 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 复合管的接法 a NPN型 b PNP型 图4 2 20复合管的接法 图4 2 20复合管的接法 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rbe rbe1 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 4 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4 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4 2 22交越失真 二 由复合管组成的功率输出级 图4 2 3由互补对称电路 图4 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4 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4 2 25过载保护电路 4 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 4 3 1双极型集成运放F007 图4 3 1F007的引脚及连接示意图 a b 连接示意图 二 电路原理图 图4 3 2F007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4 3 3F007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4 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4 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4 3 7F007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 4 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 140dB 图4 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 10mV 高质量运放 UIO为1mV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1nA 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80dB以上 高质量的可达160dB 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 3dB带宽fH 表示Aod下降3dB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0dB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 4 5理想运算放大器 4 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 3dB带宽fH 等等 4 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4 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 4 5 3理想运放工作在非线性区时的特点 传输特性 UOPP UOPP 图4 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 14V Aod 2 105 线性区内输入电压范围 但线性区范围很小 图4 5 2集成运放的传输特性 4 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 性能特点 静态功耗一般比通用型低1 2个数量级 不超过毫瓦级 要求电压很低 有较高的开环差模增益和共模抑制比 三 高阻型 性能特点 通常利用场效应管组成差分输入级 输入电阻高达1012 高阻型运放可用在测量放大器 采样 保持电路 带通滤波器 模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中 四 高速型 大信号工作状态下具有优良的频率特性 转换速率可达每微秒几十至几百伏 甚至