模拟电子技术04

1、第四章 集成运算放大器,本章目录,点击即可进入学习,4.1 集成运算放大电路概述,4.2 电流源电路,4.3 集成运放简介,4.4 集成运放的性能指标,4.5 使用集成运放的注意事项,习题解答,集成运算放大电路高放大倍数的直接耦合的集成的多级放大器。简称为运放。,集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电

2、感，如需电感，也只能外接。,4.1 集成运算放大电路概述,集成运放的总体结构,中间级,简单的集成运放,原理电路：,通用型集成运放F007,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,开环电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,Aod105,Rin约为1M几十M,Ro约为100左右,注意：在以后教学中，这两种符号都会出现，两者画法不同，但都表示集成运放。,理想运算放大器：,开环电压放大倍数 A= 输入电阻 Rin= 输出电阻 Ro=0,理想运算放大器符号：,Aod,理想运放开环 电压放大倍数,实际运放开环 电压放大倍数,uo,输出,同相 输入,反相 输入,信号传 输方向,净输入,u

3、i净输入，ui = u+ u-,uo= Aod ui,Aod,理想运放开环 电压放大倍数,实际运放开环 电压放大倍数,uo,输出,同相 输入,反相 输入,三角形箭头 表示信号传 输方向,净输入,ui净输入，ui = u+ u-,uo= Aod ui,一、镜像电流源,基准电流：,因为：,所以：,在集成运放中，常利用电流源电路为各级提供合适的静态电流，或用来替代大电阻。,两管对称,4.2 电流源电路,基准电流：,可见：无论T2的负载如何变化， IC2的电流值将保持不变。,解得：,镜像电流源自身有一定的温度补偿作用,镜像电流源,优点：结构简单,缺点：大电流会使得电阻R的功耗大，小电流需要电阻R阻值大

4、，很难集成。,VB,两管对称,二、比例电流源,IC1与IR成比例关系，可以通过改变电阻Re0与Re1的比值来实现电流的大小变化，从而克服了镜像电流源的缺点。,与镜像电流源一样，比例电流源自身也有一定温度补偿作用。此外，根据静态工作点稳定电路的原理，电阻Re0、Re1都是电流负反馈电阻，能起到稳定静态工作点的作用，所以比例电流源比镜像电流源具有更好的温度稳定性。,ln,ln,三、微电流源,超越方程，可用图解法、累试法求解，也可借助计算机软件求解。,例：电流源电路如图所示，各管的=5，UBE=0.7，是求各管的集电极电流。,解：先求出参考电流IR,F007中的电流源电路,例：电流源电路如图所示，各

5、管的=5，UBE=0.7，是求各管的集电极电流。,解：先求出参考电流IR,F007中的电流源电路,例：电流源电路如图所示，各管的=5，UBE=0.7，是求各管的集电极电流。,解：先求出参考电流IR,F007中的电流源电路,镜像电流源,微电流源,比例电流源,分析这些电路时都忽略了IB，近似认为ICIR，所以 这种近似程度的好坏，直接影响电流源的精度，这三 种电流源电路的精度都不够高，需要改进。,四、改进型电流源,（一）加射极输出器的电流源,镜像电流源,加入射极输出器 （缓冲管）,由于对称,解得：,镜像电流源,可见：,加入射极输出器后精度大大提高,在实际应用中，有时引入电阻Re2,Re2,使得T2

6、管的工作电流增大，以提高T2管的电流放大系数，从而提高电流电路的精度。,（二）威尔逊电流源,解得：,由于对称,解得：,威尔逊电流源,基于比例电流源的多路电流源,五、多路电流源,用一个参考电流IR，再由若干个比例电流源性质获得多个电流源输出。,多集电极管构成的多路电流源,多集电极三极管有多个集电极，且各集电极电流的大小与其集电区面积成正比，令各集电区面积分别为S0、S1、S2。,MOS管多路电流源,各管的漏电流与其导电沟的宽长比成正比,六、以电流源为有源负载的放大电路,有源负载差动放大电路,T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,静态

7、时 （直流以及共模）,由镜像电流源,对差模输入,由镜像电流源,可见，以电流源作负载后单端输出电流约增大为原来的两倍。,使单端输出的电压放大倍数约增大一倍，近似为双端输出的电压放大倍数。,可见，以电流源作负载后单端输出电流约增大为原来的两倍。,使单端输出的电压放大倍数约增大一倍，近似为双端输出的电压放大倍数。,通用型集成运放F007,双极型（三极管）,双电源（需正负电源）,4.3 集成运算放大器简介,T1 、T2和 T3 、T4管组成共集共基复合差动输入电路。 其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和T4是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上,T5 、

8、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,T12、R5和T11构成主偏置电路，产生基准电流：,其他偏置电流都与基准电流有关,T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。,T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。,T14和T20管组成互补对称输出级，T18

9、、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,F324电路原理图,单极型集成运放（场效应管）,C14573原理图,1.输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,一、集成运算主要性能指标,4.4集成运算放大器的性能指标,4.输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管

10、基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,8.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增

11、益。 一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,12.转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不

12、必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,二、集成运放的种类,通用型运放,电压放大型（输入电压输出电压） ：,如F007、F324、C14573,电流放大型（输入电流输出电流） ：,如LM3900、F1900,跨导型（输入电压转化为输出电流）：,互阻型（输入电流转化为输出电压） ：,如LM3080、F3080,如AD8009、AD8011,高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入

13、偏置电流通常为pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,特殊型运放,高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV, IIO/T 10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。 高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD96

14、18、SL541等。,低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,可控型,可变增益型,如VCA610、AD526,可选通型,如两通道选通控制运放OPA676,三、 集成运放低频等效电路,简化集成运放低频等效电路,一、使用时必做流程,查阅有关手册，弄清运放的引脚，以便正确接线,测量运放各引脚的好坏，以避免使用坏运放,为运放设置合理的静态偏置电路和调零电路,为运放输入端设置合适的去耦电容以消除自激震荡,4.5 使用集成运放注意事项,选择集成运放时注意的问题：,不要盲目追求指标先进。,应尽量选择通用型运放,应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施,要注意单元之间的输出电平配合问题,要注意性能指标的测量条件,在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大,输入保护,二、运放的保护措施,二极管的钳位作用，使差模输入不超过- 0.7V0.7V范围。,有效防止共模输入幅值过大,输出保护电