《集成运算放大电路》PPT课件.ppt

1、1,第四章 集成运算放大电路,集成电路：将晶体管（场效应管）、二极管、电阻等元器件及连线全部制造在一块半导体芯片上，构成完整的电路 集成电路可分为：线性集成电路和数字集成电路 线性集成电路包括：运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路等 本章结合集成运算放大电路的内部电路，介绍它的工作原理、主要性能指标及等效电路,2,第四章 集成运算放大电路,主要内容：,4-1集成运算放大电路概述 4-2集成运放中的电流源电路 4-3集成运放电路简介 4-4集成运放的性能指标及低频等效电路 4-5集成运放的种类及选择 4-6集成运放的使用 本章重点：基本电流源电路的组成和工作原理、 通用型集成运放的四个组

2、成部分及其作用 本章难点：集成运放的读图,3,4-1集成运算放大电路概述,集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路 问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算 故称： 集成运算放大电路，简称集成运放。,4,4-1集成运算放大电路概述,一、集成运放的电路结构特点,1.直接耦合 （硅片上不能做大容量的电容）,2.差动放大作输入级 （克服温漂）,3.采用电流源 （偏置电路设置静态电流 ；有源负载代替大电阻）,4.采用复合管 （不同类型管性能差异大）,5,4-1集成运算放大电路概述,二、集成运放电路的组成及其作用,组成：,各部分的作用：,1.输入级：KCMR，Ri，IQ， 一般采用双端输入的差

3、放电路。,2.中间级：Au，多采用有源负载的 共射复合管放大。,3.输出级：UOM，RO，多采用 互补对称输出电路。,4.偏置电路：设置各级Q点， 采用电流源电路。,6,4-1集成运算放大电路概述,三、集成运放的电压传输特性,电压传输特性：,集成运放符号：,同(反)相输入端是指运放的输入电压与输出电压的相位关系。 可以认为集成运放是双端输入、单端输出的差放电路。,7,4-1集成运算放大电路概述,三、集成运放的电压传输特性,线性区：,Aod差模开环放大倍数,非线性区：,8,集成运算放大器的符号和基本特点,1. 运放的符号,习惯用符号,国家标准符号,直流电源接法,(VCC = VEE ),9,等效

4、电路,u+ 同相端输入电压,u- 反相端输入电压,uid 差模输入电压,uid = u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo = Aud(u+ u),集成运算放大器的符号和基本特点,10,1) Aud ,2. 运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想运放：,4) KCMR ,5)BW ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,集成运算放大器的符号和基本特点,11,集成运算放大器的符号和基本特点,3. 理想运放工作在线性区的两个特点,1) u+ u(虚短),证：,uo = Aud (u+ u) = Aud uid,u+ u = uo/Aud 0,2) i+ i 0 (虚断),证：,

5、i+ = uid / Rid 0,同理 i 0,12,4. 理想运放工作在非线性区的两个特点,1)u+ u时， uo = Uomax,u+ u 时, uo= UOmax,2)i+ i 0 (虚断),集成运算放大器的符号和基本特点,13,4-2集成运放中的电流源电路,差分放大电路中用恒流源代替Re，使电路性能大大改善 恒流源存在两个问题： 1、电路中用了三个电阻，而集成工艺中希望电阻越少越好 2、作为恒流源的管子，其UBE仍受温度变化的影响，因此 抑制温漂还不理想 本节介绍集成运放中代替恒流源、适于集成的电流源电路 电流源主要为放大电路提供稳定的偏置电流或作有源负载,14,4-2集成运放中的电流

6、源电路,一、基本电流源电路,1.镜像电流源,由于：T1、T0基-射回路对称,所以： IB1=IB0=IB IC1=IC0=IC,即可忽略基极电流的影响，温度特性好,IC1为输出电流（恒流源） T0管：UCE0=UBE0时，处于临界放大状态 T1、T0特性完全相同,IR称为基准电流，用于调整IC1,15,4-2集成运放中的电流源电路,一、基本电流源电路,1.镜像电流源,温度补偿作用：,优点：结构简单，应用广泛 缺点：使用场合受限制 VCC一定时，要求大的IC1，将导致电阻功率增大 要求小的IC1，将导致电阻增大,16,4-2集成运放中的电流源电路,2.比例电流源,由电路：,又：,所以：,得：,得

7、：,在一定条件下,17,例,(1)求静态工作点；,(2)求电路的差模 Aud，Rid，Ro。,解,(1) 求“Q”,18,ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0,UCQ1 = UCQ2 = 6 0.42 7.5 = 2.85 (V),(2)求 Aud，Rid，Ro,Ro = 2RC = 15 (k),19,4-2集成运放中的电流源电路,3.微电流源,由上电路,因为Re0=0,其中,为了只采用阻值较小的电阻，同时获得较小的输出电流IC1，将比例电流源中的Re0减到零。,20,4-2集成运放中的电流源电路,二、改进型电流源电路 对于基本的电流源电路，使IC1和IR间关系成立的前提条件是：2，即忽

8、略了基极电流的影响 当2不成立时，基极电流的影响是不可忽略的，此时要对基本电流源电路加以改进，以减少基极电流的影响 本节介绍两种改进型电流源：加射极输出器的电流源和威尔逊电流源（课下自学）,21,4-2集成运放中的电流源电路,二、改进型电流源电路,1.加射级输出器的电流源,Re2的作用：增大IE2，提高。,22,4-2集成运放中的电流源电路,二、改进型电流源电路,2.威尔逊电流源,工作点稳定，输出电阻大。,23,4-2集成运放中的电流源电路,三、多路电流源电路,集成运放是一个多级放大电路，需要多路电流源给各级电路提供静态电流。,基准电流与各级静态电流的关系,确定了基准电流，即可确定各级静态电流

9、,24,4-2集成运放中的电流源电路,四、电流源的另一用途有源负载,共射放大电路中，增大集电极电阻RC可提高电压放大倍数，但RC的增加是有限度的 电流源电路动态的等效电阻很大，因此在集成运放中，常用电流源电路代替RC 晶体管是有源元件，且在电路中作负载，故称为有源负载,25,4-2集成运放中的电流源电路,四、电流源的另一用途有源负载,1. 有源负载共射放大电路,先计算基准电流：,空载时：,T2是T1的有源负载,带载时，RL对IC2分流,静态分析：,26,4-2集成运放中的电流源电路,1. 有源负载共射放大电路,交流等效电路,动态分析：,当负载电阻RL很大时，需要考虑参数1/h22，即rce,2

10、7,4-2集成运放中的电流源电路,1. 有源负载共射放大电路,交流等效电路,28,4-2集成运放中的电流源电路,2. 有源负载差分放大电路,输出电流约为单端输出两倍， Ad接近双端输出的情况,单端输出,双端输出,29,4-3集成运放电路简介,一、双极型集成运放,集成运放分析方法： 电路分解（化整为零）：偏置电路（电流源） 输入级（差分电路） 中间级（共射电路） 输出级（互补电路） 分析功能：各部分电路的结构与性能 分析各部分电路间的联系 定量估算 偏置电路的基准电流是唯一可直接估算出来的电流,30,4-3集成运放电路简介,一、双极型 集成运放,F007 简介,31,4-3集成运放电路简介,F0

11、07的管脚图和简化图,32,4-3集成运放电路简介,集成运放读图的一般方法和步骤：,1、将偏置电路分离出来。首先找出多路电流源的基准电流；通常，在集成运放电路中若有一个支路的电流可以估算出来，则该电流就是基准电流。然后找出与基准电流存在镜像、比例等关系的那部分电路，它们组成偏置电路。 2、简化电路，将偏置电路的多路电流用电流源来取代，仅剩下与信号放大有关的部分。 3、读放大电路。集成运放内部电路中的晶体管很多，但作为放大的管子并不多，分析时按照信号流通顺序将其分为若干级，通常为输入级、中间级、输出级三级。 4、进一步分析电路的性能特点。,33,4-3集成运放电路简介,34,4-3集成运放电路简

12、介,F007简介,偏置电路,T12、R5、T11：主偏置R5中电流为基准电流,T10、T11：微电流源,T8、T9：镜像电流源,（输入级偏置）,T12、T13：镜像电流源,（输出级偏置的一部分；中间级的有源负载。）,35,4-3集成运放电路简介,F007简介,输入级,T1T4：CC-CB差动放大,（输入电阻大，频响好，克服温漂。）,T5T7：有源负载,（单位增益作用）,Rw: 外接调零电位器,（调节输入级对称）,36,4-3集成运放电路简介,F007简介,中间级,T16、T17：复合管共射放大,（ri2Au1d ,C改善频率特性）,T13：有源负载,（ Au2 ）,37,4-3集成运放电路简介

13、,F007简介,输出级,T14、T18、T19：准互补输出电路,R7、R8、T15：UBE倍增电路,（克服交越失真）,（对称性好）,D1、D2：过流保护,正常时，D1、D2截止。,38,4-3集成运放电路简介,二、单极型集成运放,T3、T4：共源差放,T5、T6：差放的有源负载,T8：共源放大,T7：T8的有源负载,T1、T2：输入偏置,39,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,一、集成运放的主要性能指标（学会查手册）,1.开环差模增益Aod,在集成运放无外加反馈时差模放大倍数称为开环差模增益。,60180 dB , F007:100dB左右。,2.共模抑制比KCMR,80180 dB ,

14、 F007:80dB左右。,40,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,3. 差模输入电阻rid,在输入差模信号时的输入电阻。,F007:大于2M； OP177:大于45M； 单极性:大于106。,4.输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT,F007:210mV,OP177:4uV 。,UIO是使输出电压为零时 在输入端所加的补偿电压。,dUIO/dT是UIO 的温度系数， 是衡量运放温漂的重要参数。,低漂移1uV/, 超低漂移0.10.05 uV/.,rid 越大从信号源索取的电流越小,F007:2030uV/,OP177:0.03uV/.,41,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,

15、6.输入偏置电流IIB,F007:50100uV, OP177:0.3uV 。,IIB 是输入差放管的 基极偏置电流的平均值。,IIB IIO， 信号源内阻的影响也越小。,dIIO/dT是IIO 的温度系数， 是衡量运放温漂的重要参数。,OP177:1.5PA/.,5.输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT,反映输入电流不对称程度,42,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,9.-3dB带宽fH,fH是使Aod下降3dB时的信号频率。,FOO7: 30V,7.最大共模输入电压UIcmax,UICUicmax时， 运放不能正常工作。,8.最大差模输入电压UIdmax,UIdmax是不至于使P

16、N结反向击穿所允许的最大差模输入电压。,FOO7:7Hz,10.单位增益带宽fc,fc是使Aod下降到零分贝时的信号频率。,理想运放： Aod 、KCMR、rid、fH等均为， UIO、dUIO/dT、IIO、dIIO/dT 、IIB等均为0。,43,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,二、集成运放的低频等效电路,44,4-4集成运放的性能指标及低频等效电路,仅研究对输入信号的放大问题，而不考虑失调因素对电路的影响：,45,4-5集成运放的种类及选择,一、集成运放的发展,经历了四代：,第一代：基本沿用了分立元件放大电路的设计思想。,典型产品：uA709;F003,第二代：普遍采用了有源负载

17、。,典型产品：uA741;F007,第三代：输入级采用了超管，版图设计上考虑了热效应的影响。,典型产品：AD508;F1556,第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术。,典型产品：HA2900;5G7650,46,4-5集成运放的种类及选择,二、集成运放的种类,1.按工作原理分类,2.按可控性分类,高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等,电压放大型、电流放大型、跨导型、互阻型,3.按性能指标分类,可变增益运放、选通控制运放,47,4-5集成运放的种类及选择,48,4-5集成运放的种类及选择,三、运放的选择,了解类型、掌握参数是前提。,1.信号源的性质,3.精度的要求,依据：,2.负载的性质,4.环境条件,49,4-6集成运放的使用,一、使用时必做的工作,1.辨认管脚,3.调零或调整偏置电压,2.测试判断好坏,4.消除自激振荡,50,4-6集成运放的使用,二、集成运放使用注意事项,(一) 集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式(DIP)CF741,DIPDual In-Line Pakage,51,4-6集成运放的使用,二、集成运放使用注意事项,(二) 集成运放使用注意事项,1. 查阅手册了解引脚的排列及功能；,2. 检查