模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第13講集成運(yùn)算放大電路

1、第十三講 集成運(yùn)算放大電路第十三講 集成運(yùn)算放大電路一、概述二、集成運(yùn)放中的電流源電路三、集成運(yùn)放電路分析四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)五、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)六、集成運(yùn)放的種類(lèi)一、一、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）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。用差分放大電路和電流源電路。（2 2）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐窂?fù)雜）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐窂?fù)雜并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代無(wú)源元件，如用晶體管取代難于制）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。

2、作的大電阻。（4 4）采用復(fù)合管。）采用復(fù)合管。 1. 集成運(yùn)放的特點(diǎn)集成運(yùn)放的特點(diǎn) 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。2. 集成運(yùn)放電路的組成集成運(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，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用前置級(jí)，多

3、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。主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。的放大能力。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，最小，最大不失真輸出電壓盡可能大。大不失真輸出電壓盡可能大。為各為各級(jí)放大電路設(shè)置級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源點(diǎn)。采用電流源電路。電路。輸入級(jí)：雙端輸入單端輸出的差放輸入級(jí)：雙端輸入單端輸出的差放中間級(jí)：以復(fù)合管為放大管的共射放大電路中間級(jí)：以復(fù)合管為放大管的共射放大電路輸出

4、級(jí)：準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)輸出級(jí)：準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大偏置電路：電流源偏置電路：電流源3. 集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性 uO=f(uP-uN) 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)。二、集成運(yùn)放中的電流源電路二、集成運(yùn)放中的電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源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。電路中有電路中有負(fù)反饋嗎？負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III1000 11ElnEETeEeIIURIRI1110 1ClnCReTeeRIIRURRII2. 比例電流源比例電流源3. 微電流源微電流源

6、 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。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eE1E0SEUUUUUIIII)(，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Re4. 有源負(fù)載有源負(fù)載1）用于共射放大電路）用于共射放大電路哪只管子為放大管？哪只管子為放大管？be1bL1 rRRAuRUVIEB3CCR 其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？RCQIII2C2

7、1（2）用于差分放大電路）用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)iO約為多少？約為多少？動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)iO約為約為多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。的差模放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：三、集成運(yùn)放電路分析1. 讀圖方法讀圖方法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

8、標(biāo)。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。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。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。必要時(shí)可估算或利用計(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。2. 舉例：舉例：型號(hào)為型號(hào)為F007的通用型集成運(yùn)放的通用型集成運(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

9、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。 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)電流。找出偏置電路雙端輸入、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)化電路簡(jiǎn)化電路分解電路分解電路輸入級(jí)的分析輸入級(jí)的分析 T3、T4為橫向?yàn)闄M向PN

10、P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（）IC1 IC2 IC8 IC9與與IC8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9因?yàn)橐驗(yàn)镮C10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、集電極輸出輸入級(jí)的分析輸入級(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的有源的有源負(fù)載，而負(fù)載，而

11、T4又是又是T6的有源負(fù)載。的有源負(fù)載。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、差模放大倍輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地地”輸輸出）。出）。中間級(jí)的分析中間級(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

12、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)輸出級(jí)的分析輸出級(jí)的分析D1和和D2起過(guò)流保護(hù)作用，未過(guò)起過(guò)流保護(hù)作用，未過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。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判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端和反相輸

13、入端F007所具有的高性能所具有的高性能 Ad較大：放大差模信號(hào)的能力較強(qiáng)較大：放大差模信號(hào)的能力較強(qiáng) Ac較小：抑制共模信號(hào)的能力較強(qiáng)較?。阂种乒材Ｐ盘?hào)的能力較強(qiáng) rid較大：從信號(hào)源索取的電流小較大：從信號(hào)源索取的電流小 ro?。簬ж?fù)載能力強(qiáng)小：帶負(fù)載能力強(qiáng) Uom大：其峰值接近電源電壓大：其峰值接近電源電壓 輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。差模電壓大。 uIcmax大：接近電源電壓大：接近電源電壓四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 開(kāi)環(huán)差模增益開(kāi)環(huán)差模增益 Aod 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 共模抑制比共模抑制比 K

14、CMR )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO 0UIO的溫漂的溫漂dUIO/dT() 0輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 0IIO的溫漂的溫漂dIIO/dT() 0 使輸出電壓等于零在輸入端加的補(bǔ)償電壓。使輸出電壓等于零在輸入端加的補(bǔ)償電壓。B2B1IOIII 越小越好越小越好四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UIcmax -3dB帶寬帶寬 fH 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 能正常放大差模信號(hào)時(shí)容許的最大的共模輸

15、入電壓。能正常放大差模信號(hào)時(shí)容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax 超過(guò)此值輸入級(jí)差分管將損壞。超過(guò)此值輸入級(jí)差分管將損壞。上限截止頻率。上限截止頻率。maxOddtuSR 對(duì)大信號(hào)的反應(yīng)速度對(duì)大信號(hào)的反應(yīng)速度五、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)五、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1. 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器Aod ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)線性區(qū)：uo = Aod(uP uN)非線性區(qū)：非線性區(qū)：uP uN 時(shí)， uo = +U0MuP uN 時(shí)， uo = + U0M uP uN 時(shí)， uo

16、= U0M uP uNuoU0M+U0M O非線性區(qū)六、集成運(yùn)放的種類(lèi)按工作原理按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信 號(hào)控制那個(gè)通道的信號(hào)放大號(hào)控制那個(gè)通道的信號(hào)放大六

17、、集成運(yùn)放的種類(lèi)按性能指標(biāo)按性能指標(biāo)rid，可高于，可高于1012。 用于測(cè)量放大器、信號(hào)發(fā)生器。用于測(cè)量放大器、信號(hào)發(fā)生器。 fH和和SR高，高， fH可達(dá)可達(dá)1.7GHz，SR可達(dá)可達(dá) 103V/S。 用于用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益，低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益， Aod高于高于105dB。 用于微弱信號(hào)的測(cè)量與運(yùn)算、高精度設(shè)備。用于微弱信號(hào)的測(cè)量與運(yùn)算、高精度設(shè)備。工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在100200W。 用于空間技術(shù)、軍事科學(xué)和工業(yè)中的遙感遙測(cè)。用于空間技術(shù)、軍事科學(xué)和工業(yè)中的遙感遙

18、測(cè)。通常情況下用通用型運(yùn)放，特通常情況下用通用型運(yùn)放，特殊情況下才用專(zhuān)用型運(yùn)放。殊情況下才用專(zhuān)用型運(yùn)放。討論一根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運(yùn)放填入空內(nèi)。根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運(yùn)放填入空內(nèi)。已知現(xiàn)有集成運(yùn)放的類(lèi)型是：已知現(xiàn)有集成運(yùn)放的類(lèi)型是： 通用型通用型 高阻型高阻型 高速型高速型 低功耗型低功耗型 高壓型高壓型 大功率型大功率型 高精度型高精度型1. 作低頻放大器，應(yīng)選用作低頻放大器，應(yīng)選用 。2. 作寬頻帶放大器，應(yīng)選用作寬頻帶放大器，應(yīng)選用 。3. 作幅值為作幅值為1V以下微弱信號(hào)的量測(cè)放大器，應(yīng)選用以下微弱信號(hào)的量測(cè)放大器，應(yīng)選用 。4. 作內(nèi)阻為作內(nèi)阻為10M信號(hào)源的放大器，應(yīng)選用信號(hào)源的放大器，應(yīng)選用 。5. 負(fù)載需負(fù)載需5A電流驅(qū)動(dòng)的放大器，應(yīng)選用電流驅(qū)動(dòng)的放大器，應(yīng)選用 。6. 要求輸出電壓幅值為要求輸出電壓幅值為80的放大器，應(yīng)選用的放大器，應(yīng)選用 。7. 宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用 。討論二1. 輸入級(jí)采用什么措施增大放大倍數(shù)？輸入級(jí)采用什么措施增大放大倍數(shù)？2. 中間級(jí)采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？中間級(jí)采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪