模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：4-集成運(yùn)算放大電路

1、第四章第四章 集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路2021-11-1914.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成運(yùn)放中的電流源集成運(yùn)放中的電流源4.3 4.3 集成運(yùn)放的電路分析集成運(yùn)放的電路分析 及其性能指標(biāo)及其性能指標(biāo)2021-11-1924.14.1 概述一、一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)集成運(yùn)放的特點(diǎn)二、二、集成運(yùn)放電路的組成集成運(yùn)放電路的組成三、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 2021-11-193一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。差分放大電路和電流源電路。（2 2

2、）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐返膹?fù)雜）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐返膹?fù)雜化并不帶來(lái)工藝的復(fù)雜性?；⒉粠?lái)工藝的復(fù)雜性。（3 3）用有源元件替代無(wú)源元件，如用晶體管取代難于制作）用有源元件替代無(wú)源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。的大電阻。（4 4）采用復(fù)合管。）采用復(fù)合管。 集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算，故而得名。耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算，故而得名。2021-11-194二、集成運(yùn)放電路的組成兩個(gè)兩個(gè)輸入端輸入端一個(gè)一個(gè)輸出端輸出端 若將集成

3、運(yùn)放看成為一個(gè)若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子黑盒子”，則可等效為一個(gè)，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。2021-11-195集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用輸入級(jí)輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高。小，輸入端耐壓高。中間級(jí)中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。放大能力。輸出級(jí)輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大小，最大不失真輸出電壓盡可能大。不失真輸出電

4、壓盡可能大。偏置電路偏置電路：為各級(jí)為各級(jí)放大電路設(shè)置合適放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。用電流源電路。2021-11-196三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 由于由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。非線非線性區(qū)性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是集成運(yùn)放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成

5、運(yùn)放工作在非線性區(qū)。，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。uO=f(uP-uN)2021-11-1974.24.2 集成運(yùn)放中的電流源一、鏡像電流源一、鏡像電流源二、微電流源二、微電流源三、多路電流源三、多路電流源四、有源負(fù)載四、有源負(fù)載2021-11-198一、鏡像電流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，則若在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反電路中有負(fù)反饋嗎？饋嗎？基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III20

6、21-11-199二、微電流源eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU(UUIIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)單，首先確定設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)單，首先確定IE0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。2021-11-1910三、多路電流源 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定集電結(jié)面積。

7、確定集電結(jié)面積。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。來(lái)確定溝道尺寸。2021-11-1911四、有源負(fù)載be1bLce2ce11)( rRRrrAu用于共射放大電路2021-11-19122. 用于差分放大電路 C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路的使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：2021-11-19134.34.3 集成運(yùn)放的電路分析及其性能指標(biāo)二、讀圖舉例二、讀圖舉例

8、三、集成運(yùn)放的性能指標(biāo)三、集成運(yùn)放的性能指標(biāo)一、讀圖方法一、讀圖方法2021-11-1914一、讀圖方法（1）了解用途：）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)指標(biāo)。指標(biāo)。（2）化整為零：）化整為零：將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。電路。（3）分析功能：）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功能和性能。能和性能。（5）定量計(jì)算：）定量計(jì)算：必要時(shí)可

9、估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。2021-11-1915二、舉例：F007通用型集成運(yùn)放通用型集成運(yùn)放 對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)電路。號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)電路。2021-11-1916 若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)

10、電流。找出偏置電路2021-11-1917雙端輸入、單端雙端輸入、單端輸出差分放大電輸出差分放大電路路以復(fù)合管為放大管、以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共恒流源作負(fù)載的共射放大電路射放大電路用用UBE倍增電路消倍增電路消除交越失真的除交越失真的準(zhǔn)準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)互補(bǔ)輸出級(jí)三級(jí)放大電路三級(jí)放大電路簡(jiǎn)化電路分解電路2021-11-1918輸入級(jí)的分析 T3、T4為橫向?yàn)闄M向PNP型管，輸型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。幅值大。共基形式頻帶寬。共集共集-共基形式共基形式Q點(diǎn)的穩(wěn)定：點(diǎn)的穩(wěn)定：T（）IC

11、1 IC2 IC8 IC9與與IC8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9，因，因IC10不變不變 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出2021-11-1919輸入級(jí)的分析T7的作用：的作用：抑制共模信號(hào)抑制共模信號(hào) T5、T6分別是分別是T3、T4的有源負(fù)的有源負(fù)載，而載，而T4又是又是T6的有源負(fù)載，增的有源負(fù)載，增大電壓放大倍數(shù)。大電壓放大倍數(shù)。作用？作用？+_放大差模信號(hào)放大差模信號(hào)+_特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓

12、高，共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地地”輸輸出）。出）。2021-11-1920中間級(jí)的分析 中間級(jí)是主放大器，它中間級(jí)是主放大器，它所采取的一切措施都是為所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。了增大放大倍數(shù)。 F007的中間級(jí)是以復(fù)合的中間級(jí)是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無(wú)等效的集電極電阻趨于無(wú)窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。部流入輸出級(jí)。中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)2021-11-1921輸出級(jí)的分析 D1和和D2起過(guò)流保護(hù)作用，未起過(guò)流保護(hù)

13、作用，未過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，為為T(mén)14基極分流，從而保護(hù)基極分流，從而保護(hù)了了T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，UBE倍增電路消除交越失真。倍增電路消除交越失真。中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)電流采樣電阻電流采樣電阻特點(diǎn)：特點(diǎn)： 輸出電阻小輸出電阻小 最大不失真輸出電壓高最大不失真輸出電壓高2021-11-1922判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端和反相輸入端 輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制能力強(qiáng)、允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等。能力強(qiáng)、允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等。2021-11-1923三、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)參數(shù) F007F007典型值典型值 理想值理想值 開(kāi)環(huán)差模增益開(kāi)環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV 0 UIO的溫漂的溫漂d UIO/dT() 幾幾V/ 0 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的溫漂的溫漂d UIO