模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行_PPT课件_第5章

1、第五章第五章集成运算放大电路集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点5.2集成运放的集成运放的主要技术指标主要技术指标5.3集成运放的集成运放的基本组成部分基本组成部分5.4集成运放的集成运放的典型电路典型电路5.5各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点5.6集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点集成电路简称集成电路简称 IC ( (Integrated Circuit) )集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运

2、算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形图图 5.1.1集成电路的外形集成电路的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式集成运算放大电路特点：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。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集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧

3、之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。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，常常用三极管代在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替替电阻电阻( (特别是大电阻特别是大电阻) )。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。路通常采用直接耦合电路方式。5. 集成电路中的集成电路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差别较大，值差别较大，通常通常 PNP 的的 10 。5.2集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号+A反相输入端反

4、相输入端同相输入端同相输入端输输 出出 端端一、开环差模电压增益一、开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为一般用对数表示，定义为 UUUAlg20-Ood单位：分贝单位：分贝理想情况理想情况 Aod 为无穷大；为无穷大； 实际情况实际情况 Aod 为为 100 140 dB。图图 5.2.1运算放大器的符号运算放大器的符号二、输入失调电压二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂三、输入失调电压温漂 UIO 定义：定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。补偿电压。一般运放：一般运放：UIO 为为 1 10 mV；高质量运放：高质量运

5、放：UIO 为为 1 mV 以下。以下。定义：定义：TUUddIOIO 一般运放为一般运放为 每度每度 10 20 V；高质量运放低于每度高质量运放低于每度 0.5 V 以下以下；四、输入失调电流四、输入失调电流 IIO五、输入失调电流温漂五、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当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即之差，即定义：定义：B2B1IOIII 一般运放为一般运放为 几十几十 一百纳安；高质量的低于一百纳安；高质量的低于 1 nA。定义：定义：TIIddIOIO 一般运放为一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。每度几纳安；高质量的每度几十皮安

6、。六、输入偏置电流六、输入偏置电流 IIB七、差模输入电阻七、差模输入电阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定义：定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。平均值。)(21B2B1IBIII 定义：定义：IdIdidIUr 一般集成运放为几兆欧。一般集成运放为几兆欧。定义：定义：ocodCMRlg20AAK 多数集成运放在多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达以上，高质量的可达 160 dB。九、最大共模输入电压九、最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压十、最

7、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。反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、十一、 3 dB带宽带宽 fH表示表示 Aod 下降下降 3 dB 时的频率。一般集成运放时的频率。一般集成运放 fH 只只有几赫至几千赫。有几赫至几千赫。十二、十二、 单位增益带宽单位增益带宽 BWGAod 降至降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于数等于 1 。十三、十三、 转换速率转换速率 SR 额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，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。单位为输出电压

8、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成运放的 SR 值。值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。出电阻等。5.3集成运放的基本组成部分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实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。电路。图图 5.3.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路5.3.1偏置电路偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工向各放大级提

9、供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。作点。一、镜像电流源一、镜像电流源 ( (电流镜电流镜 Current Mirror) )+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2RUVI1BECCREF 基准电流基准电流由于由于 UBE1 = UBE2，VT1与与 VT2 参数基本相同，则参数基本相同，则IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC C2REFBREF1C2C22IIIIII 所以所以 211REF2C II当满足当满足 2 时，则时，则RUVII1BECCREF2C 图图 5.3.2+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22

10、IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源二、比例电流源R1R2由图可得由图可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，则，则22E11ERIRI 忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的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。阻值成反比，故称为比例电流源。图图 5.3.3比例电流源比例电流源三、微电流源三、微电流源 在镜像电流源的基础上在镜像电流源的基础上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe 引

11、入引入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 0，VT1 导通，导通，VT2 截止截止iC1：+VCC VT1 RL 地地uI u 时，时，uO = + UOPP当当 u+ u 时时, uO = UOPP1. uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在非线性区内，在非线性区内，( (u+ u ) )可能很大，即可能很大，即 u+ u 。 “虚地虚地”不存在不存在2. 理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零0 ii实际运放实际运放 Aod ，当，当 u+ 与与 u 差值比较小时，仍有差值比较小时，仍有 Aod (u+ u )UOPP，运放工作在线性区。，运放工作在线性区。例如：例如：

12、F007 的的 Uopp = 14 V，Aod 2 105 ，线性，线性区内输入电压范围区内输入电压范围V70102V 145odOPP AUuuuOu+ u O实际特性实际特性非线性区非线性区非线性区非线性区线性区线性区但线性区范围很小。但线性区范围很小。图图 5.5.2集成运放的传输特性集成运放的传输特性5.6各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点一、高精度型一、高精度型性能特点：性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。制比很高，误差小。二、低功耗型二、低功耗型性能特点：性能特点：静态功耗一般比通用型低静态功耗一般比通用型低 1

13、2 个数量个数量级级( (不超过毫瓦级不超过毫瓦级) )，要求电压很低，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型三、高阻型性能特点：性能特点： 通常利用场效应管组成差分输入级，输通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达入电阻高达 1012 。高阻型运放可用在测量放大器、采样高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带保持电路、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。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、高速型四、高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，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

14、秒几十至几百伏，甚至转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达高达 1 000 V/ s，单位增益带宽可达，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。，甚至几百兆欧。性能特点：性能特点：常用在常用在A / D 和和 D / A 转换器、有源滤波器、高速采转换器、有源滤波器、高速采样样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型五、高压型性能特点：性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高，输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。功耗大。六、大功率型六、大功率型性能特点：性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电可提供较高的输出电压较大的输出

15、电流，负载上可得到较大的输出功率。流，负载上可得到较大的输出功率。5.7集成运放使用中的集成运放使用中的几个具体问题几个具体问题5.7.1集成运放参数的测试集成运放参数的测试5.7.2使用中可能出现的异常现象使用中可能出现的异常现象1. 不能调零不能调零调零电位器故障；调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而重新接通即可恢复为输入信号过大而造成造成“堵塞堵塞”现象现象原因原因2. 漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰

16、运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因3. 产生自激振荡产生自激振荡消振消振措施措施按规定部位和参数接入校正网络按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错防止反馈极性接错避免负反馈过强避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大合理安排接线，防止杂散电容过大5.7.3集成运放的保护集成运放的保护1. 输入保护输入保护( (a) ) 反相输入保护反相输入保护( (b) ) 同相输入保护同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR VuOuI保护元件保护元件保护元件保护元件uO+AR1RFVD1VD2uI保护元件保护元件图图 5.7.1输入保护输入保护2. 电源极性错接保护电源极性错接保护保护元件：保护元件：VD1 、VD23. 输出端错接保护输出端错接保护保护元件：稳压管保护元件：稳压管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ