模電課件-第5章-集成運(yùn)算放大電路

1、第四章 集成運(yùn)算放大電路4.1 集成運(yùn)算放大電路概述集成運(yùn)算放大電路概述 4.2 電流源電流源 4.3 集成運(yùn)放內(nèi)部電路簡介集成運(yùn)放內(nèi)部電路簡介 4.4 集成運(yùn)放的性能指標(biāo)和低頻等效電路集成運(yùn)放的性能指標(biāo)和低頻等效電路 4.5 集成運(yùn)放電路的種類及選擇集成運(yùn)放電路的種類及選擇 4.6 集成運(yùn)放的使用集成運(yùn)放的使用第四章 集成運(yùn)算放大電路 了解集成電路的組成、特點(diǎn)，集成運(yùn)放的典型電路、集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)、各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)、集成運(yùn)放使用中應(yīng)注意的問題等。 理解集成運(yùn)算放大電路各基本組成部分的功能和相互關(guān)系，理解差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)、共模抑制比、有源負(fù)載、復(fù)合管、交越失真、過載保護(hù)、

2、理想運(yùn)放、“虛短”、“虛斷”等基本概念。 掌握鏡像電流源、比例電流源、微電流源、互補(bǔ)對(duì)稱電路的組成、工作原理和基本分析方法，掌握理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)，掌握復(fù)合管的構(gòu)成方法。NoImage 集成運(yùn)放電路的概念集成運(yùn)放電路的概念 將放大電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。將放大電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。分類分類模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 4.1 集成運(yùn)算放大電路概述集成運(yùn)算放大電路概

3、述集成運(yùn)放的外形：集成運(yùn)放的外形： 級(jí)間耦合采用直接耦合方式，電路結(jié)構(gòu)緊級(jí)間耦合采用直接耦合方式，電路結(jié)構(gòu)緊湊；湊； 采用差分放大電路做為輸入級(jí)；采用差分放大電路做為輸入級(jí)； 偏置電流由電流源提供；偏置電流由電流源提供； 多采用復(fù)合管，提高電路性能；多采用復(fù)合管，提高電路性能； 用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。于制作的大電阻。集成運(yùn)放的特點(diǎn)（一）集成運(yùn)放的特點(diǎn)（一） 片內(nèi)元器件管子性能一致性高。電路元件制作片內(nèi)元器件管子性能一致性高。電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性

4、好。均一性好。 電阻電阻由由硅半導(dǎo)體硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到構(gòu)成，范圍在幾十到20千千歐，精度低。歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接替或外接。 電容電容幾十幾十pF 以下的小電容用以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成。構(gòu)成。大電容要外接大電容要外接。 二極管二極管一般用一般用三極管的發(fā)射結(jié)三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。構(gòu)成。集成運(yùn)放的特點(diǎn)（二）集成運(yùn)放的特點(diǎn)（二）集成運(yùn)放電路的組成（一）集成運(yùn)放電路的組成（一） 偏置電路：偏置電路：為各級(jí)放大為各級(jí)放大電路提供合適的靜態(tài)工電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源供電作點(diǎn)。采用電流源供電方式。方式。 輸入級(jí)：輸

5、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。要求有主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。足夠的放大能力。 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，最大不失真電壓盡可能大。小，最大不失真電壓盡可能大。NoImageNoImage-VEE +VCC E RC T1RC T2T5T6RC3 RE2 RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨

6、器差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器第第2級(jí)級(jí)第第1級(jí)：級(jí)：差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器第第3級(jí)：級(jí)：單管放大器單管放大器 + 集成運(yùn)放的組成（二）集成運(yùn)放的組成（二）極極 性性 判判 斷斷 采用采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器；四級(jí)以上的多級(jí)放大器； 輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器； 輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，減小輸入電流，增加輸入電阻增加輸入電阻； 輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器，以進(jìn)輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器，以進(jìn)行功率放大，行功率放大，提高帶負(fù)載的能力提高帶負(fù)載的能力。集成運(yùn)放的組成（二）集成運(yùn)放的組成（二） ri 大

7、大: 幾十幾十k 幾百幾百k； ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 ；集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)運(yùn)放符號(hào)和電壓傳輸特性運(yùn)放符號(hào)和電壓傳輸特性 Aod 很大很大: 104 107 KCMR 很大很大在線性區(qū)在線性區(qū)：uOAod(uPuN)， Aod是差模放大倍數(shù)。是差模放大倍數(shù)。NoImageNoImage集成運(yùn)放有集成運(yùn)放有線性放大區(qū)線性放大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)（或非線性區(qū)）。（或非線性區(qū)）。線性區(qū)線性區(qū)曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)；曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)；飽和區(qū)飽和區(qū)輸出電壓只有兩種可能的情況：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或或UOM。 例：若例：若UOM=14V，Aod=5*10

8、5。 則只有當(dāng)則只有當(dāng)| uP-uN|1M, 有的可達(dá)有的可達(dá)100M以以上上 輸出電阻輸出電阻ro：ro =幾幾幾十幾十 -3dB帶寬帶寬BW：運(yùn)放是直流放大器，運(yùn)放是直流放大器， 也可放大也可放大低頻信號(hào)，但不適用于高頻信號(hào)。低頻信號(hào)，但不適用于高頻信號(hào)。 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO及溫漂及溫漂 VIO/ T 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO及溫漂及溫漂 IIO/ T 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax -3dB帶寬帶寬op07的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1) 低的輸入噪聲電壓幅度0.

9、35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓10 V3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2 V/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/MO5) 低的輸入偏置電流 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 寬的共模輸入電壓范圍14V8) 寬的電源電壓范圍 3V 22V INA118的主要參數(shù)： 最大偏移電壓：50V； 最大輸入基極電流：5nA； 最小共模抑制比：110dB； 輸入過壓保護(hù)電壓：40V； 電源電壓：1.35V18V； 帶寬：單位增益時(shí)為 800kHz； 穩(wěn)定時(shí)間：單位增益時(shí)為 25s； 工作溫度范圍：4085； 封裝形式：8 腳 DIP集成運(yùn)放的低頻等效電路集成運(yùn)放的

10、低頻等效電路 ro 圖圖4.10 簡簡化化的的運(yùn)運(yùn)放放低低頻頻等等效效電電路路 rid + - uo AoduI uI 理想運(yùn)放：理想運(yùn)放： ri ro 0 Aod KCMR 4.5 集成運(yùn)放的種類與選擇集成運(yùn)放的種類與選擇 一、集成運(yùn)放的發(fā)展一、集成運(yùn)放的發(fā)展 第一代：基本沿用了分立元件放大電路的設(shè)計(jì)思想，電路的第一代：基本沿用了分立元件放大電路的設(shè)計(jì)思想，電路的集成度很低。集成度很低。 典型產(chǎn)品：典型產(chǎn)品：uA709;F003 第二代：普遍采用了有源負(fù)載。第二代：普遍采用了有源負(fù)載。 典型產(chǎn)品：典型產(chǎn)品：uA741;F007 第三代：輸入級(jí)采用了超第三代：輸入級(jí)采用了超管，版圖設(shè)計(jì)上考慮了

11、熱效應(yīng)的管，版圖設(shè)計(jì)上考慮了熱效應(yīng)的影響。影響。 典型產(chǎn)品：典型產(chǎn)品：AD508;F1556 第四代：采用了斬波穩(wěn)零和動(dòng)態(tài)穩(wěn)零技術(shù)。第四代：采用了斬波穩(wěn)零和動(dòng)態(tài)穩(wěn)零技術(shù)。 典型產(chǎn)品：典型產(chǎn)品：HA2900;5G7650二、集成運(yùn)放的種類二、集成運(yùn)放的種類 1.按工作原理分類按工作原理分類 電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型、互阻型電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型、互阻型 2.按可控性分類按可控性分類 高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等 3.按性能指標(biāo)分類按性能指標(biāo)分類 可變?cè)鲆孢\(yùn)放、選通控制運(yùn)放可變?cè)鲆孢\(yùn)放、選通控制運(yùn)放三、集成運(yùn)放的選擇三、集成運(yùn)放的選擇 了解

12、集成電路的類型，掌握集成電路的主了解集成電路的類型，掌握集成電路的主要參數(shù)是選擇集成電路的前提。要參數(shù)是選擇集成電路的前提。 選擇的依據(jù)：選擇的依據(jù)： 信號(hào)源的性質(zhì)；信號(hào)源的性質(zhì)； 精度的要求；精度的要求； 負(fù)載的性質(zhì)；負(fù)載的性質(zhì)； 環(huán)境條件。環(huán)境條件。4.6 集成運(yùn)放的使用集成運(yùn)放的使用集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放的電源供給方式 集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和和-VEE,但但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式式,對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。 對(duì)稱雙電源供電方式對(duì)稱雙電源供電方式：可把信號(hào)

13、源直接接到運(yùn)放的輸可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。 單電源供電方式單電源供電方式：保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn),在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，輸出在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。集成運(yùn)放的調(diào)零問題集成運(yùn)放的調(diào)零問題 由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)輸入信號(hào)

14、為零時(shí)為零時(shí),輸出往往不等于零。輸出往往不等于零。 為了提高電路的運(yùn)算精度為了提高電路的運(yùn)算精度,要求要求對(duì)失調(diào)電壓和對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。的調(diào)零。 常用的調(diào)零方法有常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零,而對(duì)而對(duì)于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零要采用外部調(diào)零方法。方法。內(nèi)部調(diào)零與外部調(diào)零電路內(nèi)部調(diào)零與外部調(diào)零電路集成運(yùn)放的自激振蕩問題集成運(yùn)放的自激振蕩問題 運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器器,在接成深度負(fù)反饋條件下在接成深度負(fù)反饋條件下,很容易產(chǎn)生自很容易產(chǎn)生自激振蕩。激振蕩。 為使放大器能穩(wěn)定的工作為使放大器能穩(wěn)定的工作,就需在電源端加就需在電源端加去耦電容或外接一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)去耦電容或外接一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),以消以消除自激振蕩。除自激振蕩。使用相位補(bǔ)償?shù)南约る娐芳蛇\(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放的保護(hù)問題 集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面：集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面： 電源保護(hù)電源保護(hù)電源極性接反和電壓跳變；電源極性接反和電壓跳變； 集成運(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放的保護(hù)問題 輸入保護(hù)輸入保護(hù)輸入差模電壓過高或者輸入共模電輸入差模電壓過