童詩白 模擬電路課件4-2-4

1、第四版童詩白,第四章集成運算放大電路,4.1集成運算放大電路概述,4.2集成運放中的電流源電路,4.3集成運放電路簡介,4.5集成運放的種類及選擇,4.4集成運放的指標(biāo)及低頻等效電路,4.6集成運放大的使用,第四版童詩白,本章重點和考點：,1.集成電路的特點。,2.偏置電路（電流源）的作用、分類及計算。,3.理想集成運算放大電路（IC）的性能指標(biāo)。,第四版童詩白,本章討論的問題：,1.什么是集成運算放大電路？將分立元件直接耦合放大電路做在一個硅片上就是集成運放嗎？集成運放電路結(jié)構(gòu)有什么特點？,2.集成運放由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,3.如何設(shè)置集成運放中各級放大電路的靜態(tài)工作點？,4

2、.集成運放的電壓傳輸特性有什么特點？,5.如何評價集成運放的性能？有哪些主要指標(biāo)？,6.集成運放有哪些類型？如何選擇？使用時應(yīng)注意哪些問題？,4.1集成運算放大電路概述,集成電路簡稱 IC (Integrated Circuit),集成電路按其功能分,數(shù)字集成電路,模擬集成電路,模擬集成電路類型,集成運算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等。,集成電路的外形,集成電路的外形,(a)雙列直插式,(b)圓殼式,(c)扁平式,4.1.1集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點,一. 對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。,二. 集成電路中電

3、阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。,三. 在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。,四. 在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。,五. 集成電路中的 NPN 、 PNP管的 值差別較大，通常 PNP 的 10 。常采用復(fù)合管的形式。,一、輸入級,差分電路，大大減少溫漂。,二、中間級,采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。,三、輸出級,互補對稱 電路，帶負載能力強,四、偏置電路,電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。,4.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用,實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多

4、級直接耦合放大電路。,圖 4.1.1集成運算的基本組成,4.1.3集成運放的電壓傳輸特性,圖 4.1.2集成運放的符號和電壓傳輸特性,uO=f(uP-uN),集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端uP和反向輸入端uN。,電壓傳輸特性,輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即,集成運放的工作區(qū)域,線性區(qū)域：,Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù),非線性區(qū)域：,輸出電壓只有兩種可能的情況：,+UOM或-UOM,UOM為輸出電壓的飽和電壓。,4.2集成運放中的電流源電路,集成運放電路中的晶體管和場效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)電流; 或作為有源負載取代高阻值電阻，從而增

5、大放大電路的電壓放大倍數(shù)。,4.2.1基本電流源電路,一、鏡像電流源 (電流鏡 Current Mirror),基準(zhǔn)電流,由于 UBE1 = UBE2，T1與 T2 參數(shù)基本相同，則,IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC,所以,當(dāng)滿足 2 時，則,圖 4.2.1,二、比例電流源,由圖可得,UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2,由于 UBE1 UBE2 ，則,忽略基極電流，可得,兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。,圖 4.2.2比例電流源,三、微電流源,在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻 Re。,引入Re使 UBE2 UB

6、E1，且 IC2 IC1 ，即在 Re 值不大的情況下，得到一個比較小的輸出電流 IC2 。,圖 4.2.3 微電流源,基本關(guān)系,因二極管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,圖 4.2.3微電流源,復(fù)習(xí)：,1.集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點？,2.集成運放的組成部分？ 輸入級常用什么結(jié)構(gòu)？ 輸出級常用什么結(jié)構(gòu)？,3.集成運放的二個工作區(qū)域？各自特點？,4.2.2 改進型電流源電路,問題：基本電流源電路在很小時， IR和 IC2相差很大。,為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準(zhǔn)電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本電流源電路進行改進。,一、加射極輸出器 的電流源,由于增加了T3，使IC

7、2更加接近IREF（如何證明）,缺點： 1. 受電源波動影響大； 2.電流最低至mA級。,IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(+1),如10 IC2=0.982 IREF,增加電阻Re2目的是使IE3增大。,圖4.2.4加射極輸出器的電流源,二、威爾遜電流源,T1管的c-e串聯(lián)在T2管的發(fā)射極，其作用與典型的工作點穩(wěn)定電路中的Re相同。,圖4.2.5威爾遜電流源,公式推導(dǎo)（略）,當(dāng)10 IC2=0.984 IR,可見，在很小時，也可認(rèn)為IC2= IR 。 IC2受基極電流影響很小。,問題：IR如何計算？,4.2.3多路電流源,電路圖,公式推導(dǎo),IC= IE IREF- IB

8、/(+1),當(dāng)較大時IC=IREF,由于各管的， UBE相同，,IEREIREFRE=IE1RE1 =IE2RE2=IE3RE3,IC2IE2=IREFRE/RE2,IC3IE3=IREFRE/RE3,IC1IE1=IREFRE/RE1,所以,圖4.2.6基于圖4.24的多路電流源,多集電極管構(gòu)成的多路電流源,圖4.2.7多集電極管構(gòu)成的多路電流源,當(dāng)基極電流一定時，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。,MOS管多路電流源,圖4.2.8MOS管多路電流源,設(shè)溝道寬長比W/LS,漏極電流之比正比于溝道的寬長比。,例4.2.1圖4.2.9所示電路是F007的電流源部分。其中T10與T11為縱向

9、NPN管； T12與T13是橫向PNP管，它們的為5，b-e間電壓值約為0.7V，試求各管的電電流。,圖4.2.9F007中的電流源電路,解,0.73mA,IC1028uA,0.52mA,4.2.4 以電流源為有源負載的放大電路,在集成運放中，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，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的等效RC或Rd的。,晶體管和場效應(yīng)管是有源元件，又可作為負載，故稱為有源負載。,一、有源負載共射放大電路,1.電路圖,2.靜態(tài)分析（求參考電流，略）,3.動態(tài)分析,二、有源負載差分放大電路,利用鏡像電流源 可以使單端輸出差分放大電路的差模放大倍

10、數(shù)提高到接近雙端輸出的情況。,2.靜態(tài)分析,1.電路圖,3.動態(tài)分析,放大電路采用差分輸入、單端輸出；工作電流由恒流源 I 決定；輸出電流 io = ic4 - ic2 = 2ic4,圖4.2.11有源負載差分放大電路,4.3集成運放電路簡介,典型的集成運放,雙極型集成運放 F007,CMOS 集成運放 C14573,一、引腳,4.3.1雙極型集成運放 F007,F007 的引腳及連接示意圖,(a),(b)連接示意圖,二、電路原理圖,圖 4.3.1F007 電路原理圖,1. 偏置電路,至輸入級,至中間級,基準(zhǔn)電流：,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。,各路偏置電流的關(guān)系：,IREF,I11,

11、IC10,I3, 4,IC9,IC8,IC12,IC13,微電流源,鏡像電流源,輸入級,鏡像電流源,中間級,輸出級,圖 4.3.1-1F007 的偏置電路,2. 輸入級,T1、T2、T3、T4 組成共集 - 共基差分放大電路；T1、T2 基極接收差分輸入信號。,T5、T6 有源負載；,T4 集電極送出單端輸出信號至中間級。,uO,RW 調(diào)零電阻，R 外接電阻。,T7 與R2 組成射極輸出器。,圖 4. 3. 1-2,若暫不考慮 T7 和調(diào)零電路則電路可簡化為：,(1). T1、T2 共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。 (2). 共基組態(tài)的 T3、T4，與有源負載 T5、T6 組合

12、，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。,(3). T3、T4 共基接法能改善頻率響應(yīng)。 (4). 該電路具有共模負反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。,圖 4.3.1.2 簡化示意圖,3. 中間級,輸入來自 T4 和 T6集電極；,輸出接在輸出級的兩個互補對稱放大管的基極。,中間級 T16、 T17 組成復(fù)合管， T13 作為其有源負載。,8、9兩端外接30pF 校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。,4. 輸出級,圖 4.3.1-4F007 輸出級原理電路,T14、 T18 、T19 準(zhǔn)互補對稱電路；,D1、 D2 、R9、R10 過載保護電路；,T15 、R7、R8 為功率管提供靜態(tài)基流。,調(diào)節(jié) R7、R8 阻

13、值可調(diào)節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為 UBE 倍增電路。,過載保護電路,二極管保護電路,保護元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,輸出電流正常， VD3、VD4 截止，保護不起作用；,若 VT1 正向 IC1， URe1 ，VD3 導(dǎo)通， IB1 ，IC1 。輸出電流無法增大，保護功率管 VT1 。,若 VT2 反向電流IC2， URe2 ，VD4 導(dǎo)通， IB2， IC2 。避免 VT2 電流過大。,圖 4. 2. 25過載保護電路,三極管保護電路,保護元件：,工作原理與二極管保護原理類似。,VT3、VT4、Re1、Re2。, Re 愈大，則 IEm 愈??；, 溫度升高， UD、

14、 UBE 降低，Iem 減小。更有利于保護在高溫下的集成運放。,圖 4. 2. 25過載保護電路,4.3.2.單極型集成運放,一、電路結(jié)構(gòu),雙入雙出差分式放大電路 耗盡型NMOSFET對管T1、 T2,有源負載 增強型NMOSFET對管T3T4,偏置電路 TREF、T5、T6 T7組成。,二、工作原理,電路的基準(zhǔn)電流IREF ID5 ID6 I0,靜態(tài)分析 ID1 ID2 I0/2 輸出電壓 UoQ UoD1Q- UoD2Q 0,動態(tài)分析 uo uoD1- uoD2,差模電壓增益 AVD uo / uid - gm (rds1/ rds3).,4.4集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路,一、開環(huán)差

15、模電壓增益 Aod,一般用對數(shù)表示，定義為,單位：分貝,理想情況 Aod 為無窮大； 實際情況 Aod 為 100 140 dB。,4.4.1集成運放的主要性能指標(biāo),二、輸入失調(diào)電壓 UIO,三、輸入失調(diào)電壓溫漂 UIO,定義：,為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。,一般運放：UIO 為 1 10 mV；,高質(zhì)量運放：UIO 為 1 mV 以下。,定義：,一般運放為 每度 10 20 V；,高質(zhì)量運放低于每度 0.5 V 以下；,四、輸入失調(diào)電流 IIO,五、輸入失調(diào)電流溫漂 IIO,當(dāng)輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即,定義：,一般運放為 幾十 一百納安；高質(zhì)量的低于

16、1 nA。,定義：,一般運放為 每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。,六、輸入偏置電流 IIB,七、差模輸入電阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定義：,輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。,定義：,一般集成運放為幾兆歐。,定義：,多數(shù)集成運放在 80 dB 以上，高質(zhì)量的可達 160 dB。,九、最大共模輸入電壓 UIcm,輸入端所能承受的最大共模電壓。,十、最大差模輸入電壓 UIdm,反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。,十一、 - 3 dB帶寬 fH,表示 Aod 下降 3 dB 時的頻率。一般集成運放 fH 只有幾赫至幾千赫。,十二、 單位增益帶寬fc,Aod 降至

17、 0 dB 時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于 1 。,十三、 轉(zhuǎn)換速率 SR,額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為 V / s 。,在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的 SR 值。,其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。,4.4.2集成運放的低頻等效電路,考慮各種失調(diào)因素時等效電路圖,不考慮各種失調(diào)因素的電路圖,4.5集成運放的種類及選擇,4.5.1集成運放的發(fā)展概況,4.5.2集成運放的種類,一、按工作原理分類,1.電壓放大型F007、F324 2.電流放大型LM3900、F1900 3.跨導(dǎo)型LM3080、F3080

18、 4.互阻型AD8009、AD8011,二、按可控性分類,1.可變增益運放 2.選通運放,1.高精度型,性能特點：,漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）,2.低功耗型,性能特點：,靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2 個數(shù)量級(不超過毫瓦級)，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）,三、按性能指標(biāo)分類,3.高阻型,性能特點：,通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達 1012 。,高阻型運放可用在測量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）,4.高速型,大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，

19、轉(zhuǎn)換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達 1 000 V/s，單位增益帶寬可達 10 MHz，甚至幾百兆歐。,性能特點：,常用在A / D 和 D / A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）,5.高壓型,性能特點：,輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。,6.大功率型,性能特點：,可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負載上可得到較大的輸出功率。,4.5.3運放的選擇（略）,4.6集成運放的使用,一、集成運放的外引線（管腳）,二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,1. 不能調(diào)零,調(diào)零電位器故障；,電路接線有誤或有虛焊；,反饋極性接錯或負反饋開環(huán)；,集成運放內(nèi)部損壞；,重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象,4.6.1使用時必做的工作,2. 漂移現(xiàn)象嚴(yán)重,存在虛焊點,運放