模拟电子技术-第5章-集成运算放大电路.ppt

2020年5月11日星期一,模拟电子技术,1,第5章集成运算放大电路,5.1集成运算放大电路的特点,5.2电流源电路,一、镜像电流源(CurrentMirror),二、比例电流源,5.3有源负载放大电路,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,2,5.4差动放大电路(DifferentialAmplifier),5.4.1零点漂移现象,5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析,一、差模(Difference-Mode)放大特性,二、共模(Common-Mode)抑制特性,三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio),四、对任意输入信号的放大特性,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,3,5.4.4差动放大电路的大信号分析,一、差动放大电路的传输特性(TransferCharacteristic),二、差动放大电路正常工作的前提条件,三、差动放大电路作模拟乘法器,5.4.5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,二、失调的温度漂移(TemperatureDrift),2020年5月11日星期一,模拟电子技术,4,5.8集成运算放大电路的外部特性及其理想化,5.8.1集成运放的电压传输特性,5.8.2集成运算放大器的主要参数,一、静态参数,二、动态参数,5.8.3理想集成运算放大电路,一、理想化条件,二、理想运放特性,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,5,第5章集成运算放大器电路,（1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。（2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。（3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,6,集成电路：60年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。,集成电路具有性能好，可靠性高，体积小，耗电少，成本低等优点。,集成运放：是一种模拟集成电路，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,7,常用运算放大器外形图,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,8,5.1集成运算放大电路的特点,1.级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能制作大电容和电感)；,2.尽可能采用有源器件代替无源器件(避免使用大电容、大电阻)；,3.利用对称结构改善电路性能(参数一致性好,但单个元器件参数误差较大)。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,9,图5.1.1集成运算放大电路方框图,差动放大器,负载为有源负载的共射放大器,射随器或互补射随器,电流源,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,10,5.2电流源电路,(a)晶体管的恒流特性,(b)电流源电路,(c)等效电流源表示法,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,11,图5.2.1镜像电流源,一、镜像电流源(CurrentMirror),工作电流,参考电流,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,12,图5.2.2多路镜像电流源,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,13,图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源,(a)三集电极横向PNP管电路,(b)等价电路,集成电路中多路镜像电流源的实现,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,14,二、比例电流源,图5.2.4比例电流源,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,15,室温下，当两管的射极电流相差10倍时：,若2，则IE1Ir,IE2IC2,仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，,UBE1UBE2。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,16,5.3有源负载放大电路,图5.3.1有源负载共射放大电路,(a)电路,(b)以电流源表示的等效电路,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,17,5.4差动放大电路(DifferentialAmplifier),5.4.1零点漂移现象,1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下飘动。,2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，输入级工作点的缓飘很难传到下一级去，因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，这样整个电路将无法正常工作。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,18,3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。,等效输入漂移电压,输出漂移电压,等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,19,5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析,图5.4.2基本差动放大电路,当Ui1=Ui2=0时,则流过RE的电流I为,故有,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,20,图5.4.2基本差动放大电路,静态时，差动放大电路两输出端之间的直流电压为零。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,21,一、差模(Difference-Mode)放大特性,U,CC,R,C,R,L,R,C,R,E,U,EE,V,1,V,2,u,o,U,id1,U,id2,RE上只有静态电压，无交流信号电压,0V,0V,U,id1,U,id2,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,22,基本差动放大器的差模等效通路,U,od1,U,od2,R,L,2,R,L,2,V,2,V,1,U,id1,U,id2,U,id,R,C,R,C,U,od,I,id1,I,id2,I,c1,I,c2,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,23,双端输出（浮动输出）时,1.差模电压放大倍数,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,24,单端输出时,1.差模电压放大倍数,负载RL情况下,或,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,25,2.差模输入电阻(InputDifferentialResistance),注：,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,26,3.差模输出电阻(OutputDifferentialResistance),单端输出时为,双端输出时为,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,27,U,CC,R,C,R,L,R,C,R,E,U,EE,V,1,V,2,u,o,U,ic,RE上有静态电压和交流信号电压,0V,U,ic,二、共模(Common-Mode)抑制特性,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,28,R,C,U,o,c2,R,C,U,o,c1,U,ic,V,1,V,2,U,oc,2,R,E,2,R,E,图5.4.4基本差动放大器的共模等效通路,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,29,1.共模电压放大倍数,双端输出时,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,30,单端输出时,1.共模电压放大倍数,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,31,2.共模输入电阻,注：,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,32,3.共模输出电阻,单端输出时,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,33,三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio),2020年5月11日星期一,模拟电子技术,34,四、对任意输入信号的放大特性,+,=,0V,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,35,1.任意输入信号的分解及输入电压,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,36,U,CC,R,C,U,C2,R,L,R,C,U,C1,U,i1,U,i2,R,E,U,EE,V,1,V,2,U,o,图5.4.7将两个任意信号转换成差模和共模输入信号,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,37,2.任意输入信号作用下，输出电压的计算,双端输出时的电路图,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,38,单端输出时的电路图,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,39,如两端都不接地，这种接法称为双端输入；,如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。,3.关于只有一路信号源接入差动放大器,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,40,图5.4.3所示的基本差动放大器，存在两个缺点：,若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)的上限约为300，而与RE的取值无关。,1.共模抑制比做不高,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,41,2.不允许输入端有较大的共模电压变化。,公共射极电位变化,差放管的静态工作电流变化,rbe改变,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,42,图5.4.9具有电流源的差动放大电路,(a)用单管电流源代替RE的差动电路,(b)电路的简化表示,恒流源,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,43,静态工作点的估算：,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,44,1.共模抑制比可做的非常高；,2.允许输入端有较大的共模电压变化。,Auc0、Auc（单）0,KCMR、KCMR（单）高,电流源的输出电阻非常大,rbe几乎不变,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,45,5.4.4差动放大电路的大信号分析,图5.4.11具有电流源的差动放大电路,一、差动放大电路的传输特性(TransferCharacteristic),2020年5月11日星期一,模拟电子技术,46,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,47,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,48,(a)电流传输特性曲线,图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线,1.两管集电极电流之和恒等于I,2.传输特性具有非线性特性,3.在静态工作点附近，当|uid|UT，即室温下，uid在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。,4.当|uid|4UT,即uid超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,49,(b)电压传输特性曲线,图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线,u,o,IR,C,6,U,T,/,4,U,T,2,U,T,0,2,U,T,4,U,T,6,U,T,u,id,IR,C,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,50,二、差动放大电路正常工作的前提条件,1.差放电路输入电压幅值限制,2.电流源电流I限制,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,51,三、差动放大电路作模拟乘法器,若,则,若,则,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,52,5.4.5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。,与失调有关的具体因素：,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,53,图1实际差动电路的失调电压和失调电流,总输入失调电压,-总输出失调电压,-差模源电压增益,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,54,UOOS,图1实际差动电路的失调电压和失调电流,IIO：RS很大并接近开路时的输入失调参数；,UIO：RS为0时的输入失调参数；,IIO、UIO：差分放大器的固有参数。,利用戴维南等效定理可得a、b两点间开路电压,b,a,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,55,RS,RS,+,-,图2实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图,+,-,UIO,无失调差分放大器,I,IO,2,I,IO,2,U,IO,I,B1,I,B,I,B,I,B2,补偿电流,补偿电压,失调电压(OffsetVoltage),失调电流,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,56,R,C,R,C,R,C,U,i,V,1,V,2,U,o,U,EE,I,U,CC,I,B2,I,IO,2,I,IO,2,U,IO,I,B1,图3差动电路的失调电压和失调电流,补偿电压,补偿电流,RS,RS,I,B,I,B,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,57,R,C,R,C,R,C,V,1,V,2,U,o,U,EE,I,U,CC,I,B2,U,IO,I,B1,图4求差动电路的失调电压,补偿电压,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,58,R,C,R,C,R,C,U,i,V,1,V,2,U,o,U,EE,I,U,CC,I,B2,I,IO,2,I,IO,2,I,B1,图5求差动电路的失调电流,补偿电流,RS,RS,I,B,I,B,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,59,R,C,R,C,R,C,U,i,V,1,V,2,U,o,U,EE,I,U,CC,I,B2,I,IO,2,I,IO,2,I,B1,图5求差动电路的失调电流,补偿电流,RS,RS,I,B,I,B,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,60,图5.4.17差动放大器的调零电路,(a)射极调零,(b)集电极调零,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,61,二、失调的温度漂移(TemperatureDrift),2020年5月11日星期一,模拟电子技术,62,5.8集成运算放大电路的外部特性及其理想化,5.8.1集成运放的电压传输特性,+,_,+,+,_,图5.8.1集成运放电路旧符号与新符号,uid=u-u+,uo,uid=u-u+,uo,0,斜率为Aud,UOH,UOL,图5.8.2电压传输特性,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,63,5.8.2集成运算放大器的主要参数,1.输入失调电压UIO和输入失调电流IIO,2.失调的温漂,3.输入偏置电流IIB,当外接RS足够大，使IIORSUIO时，失调电流,IIOIB1IB2,一、静态参数,4.最大差模输入电压最大共模输入电压,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,64,2.差模输入电阻Rid,4.带宽,5.转换速率(压摆率)SR,1.开环差模电压放大倍数Aud,3.共模抑制比KCMR,二、动态参数,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,65,5.8.3理想集成运算放大电路,、理想化条件,由于运放具有开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小等特性，在分析时常将其理想化，称为理想运放。,如何理解参数为或0？,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,66,二、理想运放特性,(1)“虚短”特性(virtualshortcircuit),1.理想运放工作在线性(linear)状态时的特性,所以,(2)“虚断”特性(virtualopencircuit),所以,由于,集成运放理想模型,零子,任意子,集成运放符号,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,67,2.理想运放工作在非线性(nonlinear)状态时的特性,(2)“虚断”特性,(1)“离散”特性,uo=UOH或UOL,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,68,作业,5.2,5.9,5.4,5.6,5.8,2020年5月11日星期一,模拟电子技术,69,单管电流源电路,