模電課件第四章集成運(yùn)算放大電路.ppt

2019/7/13,模電課件,第四章 集成運(yùn)算放大電路,4.1集成運(yùn)算放大電路概述 一、集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn),集成運(yùn)算放大電路：高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級(jí)放大電路。,2019/7/13,模電課件,二、集成運(yùn)放的電路組成,1、輸入級(jí)：運(yùn)算放大器的輸入級(jí)通常是差分放大電路，其主要功能是抑制共模干擾和溫漂，雙極型運(yùn)放中差分管通常采用CC-CB復(fù)合管，以便拓展通頻帶。 2、中間級(jí)：電壓放大，要求：放大倍數(shù)要盡可能大，通常采用共射或共源電路，并采用恒流源負(fù)載和復(fù)合管以增加電壓放大倍數(shù)。,2019/7/13,模電課件,二、集成運(yùn)放的電路組成,3、輸出級(jí)：雙極型運(yùn)算放大器的輸出級(jí)采用互補(bǔ)輸出形式，其主要功能是提高負(fù)載能力并增大輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)范圍。兩只輸出管輪流導(dǎo)通。為消除交越失真，通常會(huì)給輸出管提供適當(dāng)?shù)钠秒娏鳌?4、偏置電路：運(yùn)算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設(shè)計(jì)有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實(shí)現(xiàn)，熟悉各種形式的恒流源電路是閱讀運(yùn)放電路的基礎(chǔ)。,2019/7/13,模電課件,三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性,集成運(yùn)放的電壓傳輸特性是開(kāi)環(huán)時(shí)，uo與uPuN之間關(guān)系。,集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。當(dāng)uP為正時(shí)，uo為正，稱uP為“同相輸入端”，當(dāng)uN為正時(shí)，uo為負(fù)，稱uN為“反相輸入端”。,即：,式中Aod為差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，一般很大，可達(dá)幾十萬(wàn)倍。 為凈輸入電壓，即差模輸入電壓,2019/7/13,模電課件,所以線性區(qū)很窄。,uo的最大值Uom=10V。,電壓傳輸特性,2019/7/13,模電課件,4.2集成運(yùn)放中的電流源電路,集成運(yùn)放中的電流源由晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管組成，其作用： 1、為各級(jí)放大器提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)； 2、代替大電阻，以提高放大電路的放大能力。,2019/7/13,模電課件,一、基本電流源電路,1、鏡像電流源,當(dāng) 與 特性參數(shù)完全一致時(shí)，由 可推得,Io,IO和IR呈鏡像關(guān)系，此電路稱為鏡像電流源。,晶體管 是基準(zhǔn)管，它的 ， 工作在放大狀態(tài)。,2019/7/13,模電課件,恒流輸出管 的交流通路如圖(b)所示，將晶體管用微變等效 模型替代后的電路模型如圖(c)，顯然，恒流源的內(nèi)阻,2019/7/13,模電課件,2 、基本鏡像恒流源電路的擴(kuò)展電路有兩種，如圖所示。,以基準(zhǔn)管的集電極面積為基準(zhǔn)， 可得到一組與集電極面積成正 比的多個(gè)恒流源 。,（1）多路電流源電路,2019/7/13,模電課件,（2）加射極輸出器的電流源,T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1，所以IB0 =IB1=IB 。,增加 管可以進(jìn)一步減少恒流輸出 與基準(zhǔn)電流 之間的差值。,IR怎么算？,2019/7/13,模電課件,二.威爾遜恒流源電路，試計(jì)算恒流輸出值。,IR,整理后可得,Io更加穩(wěn)定,IR怎么算？,2019/7/13,模電課件,三、微電流源,晶體管 是基準(zhǔn)管，它的 ， 工作在放大狀態(tài)。,T0管發(fā)射極電流與發(fā)射極電壓之間的關(guān)系為：,T1管發(fā)射極電流與發(fā)射極電壓之間的關(guān)系為：,由基極回路方程得：,2019/7/13,模電課件,將式（1）,式（2）代入式（3），同時(shí)考慮IC0IE0 IC1IE1,若不采用微電源源電路，采用基本恒流源電路，雖然只需要一個(gè) 電阻R，但此時(shí)電阻阻值要求為： 此阻值遠(yuǎn)大于微電源電路中電阻R與Re之和，意味著需要占用 更多的芯片面積。,例，當(dāng)電源電壓等于+15V， ， 若要產(chǎn)生 的恒流源，試確定電阻R1的值。 將參數(shù)代入式（4）可得,2019/7/13,模電課件,例題：,求圖示電路各管的集電極電流。它們的均為5，它們b-e間的電壓值約為0.7V。,解：先求基準(zhǔn)電流，R5上的電流為基準(zhǔn)電流。,T10與T11構(gòu)成微電流源：,T12與T13構(gòu)成鏡像電流源：,2019/7/13,模電課件,構(gòu)成這類(lèi)放大電路的主要元器件有三極管（場(chǎng)效應(yīng)管）、電阻、 電解電容（耦合或旁路用）等。,圖1,2019/7/13,模電課件,圖2是uA741運(yùn)算放大電路的原理圖，其中的電阻、電容和晶體管全部由單晶硅材料制作。,圖2,2019/7/13,模電課件,2靜態(tài)偏置電路設(shè)計(jì) 分立元件放大電路中的電阻常用材料是金屬膜，成本遠(yuǎn)低于三極管。因此，分立元件放大電路中的偏置電路盡量采用電阻分壓器形式。而集成運(yùn)放由于制作工藝的特點(diǎn)，制作一個(gè)大電阻所需的硅芯片面積要遠(yuǎn)高于制作晶體管的面積。因此，在集成放大電路中會(huì)盡量少用電阻，一般不采用電阻分壓方式提供靜態(tài)偏置。 分立元件放大電路中常用的大容量（大于1 ）電容通常是鋁質(zhì)電解電容，小容量電容有瓷片電容等，成本一般都較低。設(shè)計(jì)時(shí)可應(yīng)用大電容實(shí)現(xiàn)低頻交流旁路(圖1中的Ce)或直流隔直作用(圖1中的C1，C2)。而集成運(yùn)放中，利用PN結(jié)電容效應(yīng)很難制作出容量稍大的電容。 由于制造工藝的限制，分立元件放大電路中不同三極管特性參數(shù)的離散性很大，例如，即使同一批次三極管的放大倍數(shù) 可能在200400之間，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮。集成放大電路的特點(diǎn)是在同一基片上可以制作參數(shù)一致性好的晶體管。 因此，集成運(yùn)放電路中大量采用晶體管設(shè)計(jì)恒流源偏置電路。集電極負(fù)載也不采用電阻，而是采用恒流源作為負(fù)載。,2019/7/13,模電課件,3級(jí)間耦合設(shè)計(jì) 放大電路的主要性能指標(biāo)有：電壓放大倍數(shù)，電流放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻和通頻帶等。不同組態(tài)的單級(jí)放大電路的的指標(biāo)特性如表1。 單級(jí)放大電路由于不能同時(shí)滿足上述四個(gè)指標(biāo)，因而必須采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大。級(jí)間耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合等。 由于電解電容成本不高，在分立放大電路中級(jí)間常采用阻容耦合，這樣可減少各級(jí)之間靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響。 在集成運(yùn)放電路中通常只能制作小容量（幾十pF）電容，不能制作大容量電解電容，級(jí)間通常采用直接耦合。,2019/7/13,模電課件,四、以電流源為有源負(fù)載的放大電路,1、有源負(fù)載共射放大電路,在集成運(yùn)放的共射（共源）放大電路中，為了提高電壓放大倍數(shù)，常用電流源電路取代Rc （或Rd ），這樣在電源電壓不變的情況下，既獲得合適的靜態(tài)電流，又可以得到很大的等效的Rc（或 Rd ）。,這是一個(gè)共發(fā)射極放大電路。以前在Vcc和T1之間接Rc?，F(xiàn)在由電流源代替。,T2、T3和R組成鏡像電流源。只要確定R，IR就確定。Ic2就確定。因此可以提供合適的靜態(tài)偏置。,2019/7/13,模電課件,這個(gè)集電極負(fù)載叫做有源負(fù)載（有電源才能工作），電流源動(dòng)態(tài)電阻等于uCE2/ic2 ,為無(wú)窮大。,對(duì)于共射極放大電路,Rc用有源負(fù)載代替，提高了 放大倍數(shù)。,2019/7/13,模電課件,2019/7/13,模電課件,運(yùn)算放大器的讀圖過(guò)程如下： （1） 運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)分解 根據(jù)運(yùn)放結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將運(yùn)放分解成輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)、基準(zhǔn)電流源等四個(gè)基本部分。 （2） 基準(zhǔn)電流分析 運(yùn)放電路中均有一個(gè)供偏置用的基準(zhǔn)電流源，由它產(chǎn)生基準(zhǔn)參考電流IR 。 （3） 靜態(tài)偏置分析 在基準(zhǔn)電流基礎(chǔ)上，通過(guò)鏡像直流電流或微鏡像直流電流源，產(chǎn)生各種大小的直流恒流源或直流微恒流源，這些直流恒流源提供放大用晶體管的靜態(tài)偏置。 將鏡像直流源電路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各級(jí)直流偏置。 （4） 交流分析 運(yùn)算放大電路的主要功能是進(jìn)行線性放大。此外還有一些附加功能電路，如交越失真補(bǔ)償電路等， 這些電路通常并不影響放大電路指標(biāo)計(jì)算。對(duì)輔助電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以方便交流分析。,2019/7/13,模電課件,得到簡(jiǎn)化的交流等效電路后，將晶體管用小信號(hào)模型替代，就可以 計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。,（1） 運(yùn)放電路的結(jié)構(gòu)分解 輸入級(jí)是一個(gè)差動(dòng)放大電路，主要由T1、T3（共集-共基組合） 和T2、T4組成。中間放大級(jí)由T16、T17、T13組成共集共射電路； 輸出級(jí)由T14、T18 、 T19組成互補(bǔ)輸出電路。,（2） 基準(zhǔn)電流分析 T12、R5、T11組成運(yùn)放的基準(zhǔn)電流源,流過(guò)R5的基準(zhǔn)電流為,2019/7/13,模電課件,（3） 靜態(tài)偏置分析 T10與T11構(gòu)成微鏡像電流源，一方面給T3、T4的基極提供偏置，另一方面由T8、T9構(gòu)成的鏡像電流源給T1、T2、T3、T4的集電極提供恒流偏置，同時(shí)作為T(mén)1、T2的恒流負(fù)載。 T13與T12構(gòu)成鏡像電流源。T13一方面給T17提供偏置電流，同時(shí)作為T(mén)17的有源負(fù)載。 將電路中的鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖3所示。,圖3,2019/7/13,模電課件,（4） 交流分析 差分輸入級(jí)中的T5、T6、T7管構(gòu)成高精度鏡像電流源作為差分電路的有源負(fù)載。,輸出級(jí)中的R7,R8,T15組成倍增電路（交流短路）， 給互補(bǔ)輸出管T14，T18,T19提供靜態(tài)偏置，以消除交越越失真。,同相，反相,電壓放大級(jí)：復(fù)合管T16，T17，有源負(fù)載IC13 。,2019/7/13,模電課件,4.4 集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路,1、輸入失調(diào)電壓Uio 輸入電壓為0時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。 Uio越小，電路對(duì)稱性越好。,2、輸入失調(diào)電流Iio 輸入電壓為0時(shí)，差分輸入級(jí)差分對(duì)管基極電流之差。 用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。,3、輸入偏置電流IIB 運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。,4、輸入失調(diào)電壓溫漂dUio/dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量dUio與溫度變化量dT之比。,5、輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量dUio與溫度變化量dT之比。,2019/7/13,模電課件,6、最大差模輸入電壓Uidmax 運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí)，差分管將反向擊穿。,8、開(kāi)環(huán)差模增益Aod 運(yùn)放在無(wú)反饋條件下，輸出電壓變化量與輸入電壓變化量之比。,9、差模輸入電阻rid 輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。,10、共模抑制比KCMR,7、最大共模輸入電壓Uicmax 在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過(guò)此值，輸入差分對(duì)管飽和。,或,極限參數(shù),2019/7/13,模電課件,11、3dB帶寬fH 運(yùn)放的Aod不是不變的，運(yùn)放Aod在高頻段下降3dB(即下降到約0.707倍)所對(duì)應(yīng)的頻率。,12、單位增益帶寬fC f增大，運(yùn)放Aod下降,當(dāng)Aod下降到1所對(duì)應(yīng)的f。,2019/7/13,模電課件,4.6 集成運(yùn)放的使用,使用集成運(yùn)算放大器應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題 1） 調(diào)零 由于集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路參數(shù)不可能完全對(duì)稱， 因此使電路不能達(dá)到零入零出, 通常的做法是外接調(diào)零電阻。腳和腳是差動(dòng)輸入級(jí)的外接調(diào)零電阻管腳，腳為負(fù)電源端。在輸入信號(hào)為零,調(diào)節(jié)Rp可使輸出電