模擬電子技術(shù)第4章-集成運算放大電路課件

1、第4章集成運算放大電路4.1集成運算放大電路概述4.2集成運放中的偏置電路4.3集成運放中的輸入級單元電路差分放大電路4.4集成運放中的中間級單元電路4.5集成運放中的輸出級單元電路4.6通用集成運放介紹4.7集成運放的主要參數(shù)本章教學(xué)要求了解集成運算放大器組成和基本特點，了解集成運算放大器的主要性能指標(biāo)；理解電流源電路的工作原理；掌握差分電路的結(jié)構(gòu)、特點、工作原理和性能指標(biāo)的分析計算。4.1.1集成電路中元器件的特點1)集成電路中的元器件是在相同的工藝條件下制造的，鄰近的器件具有良好的一致性和同向偏差，因此，特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。2)由于集成電路中的電容是用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成的，

2、所以只能制作幾十皮法以下的電容。3)為了克服直接耦合電路的溫度漂移，采用了溫度補償?shù)氖侄巍?)盡量采用晶體管或場效應(yīng)晶體管構(gòu)成恒流源電路，代替高阻值(幾百千歐以上)的電阻。5)集成電路中，常采用復(fù)合管的接法以改進(jìn)單管的性能。4.1.2集成運放的典型結(jié)構(gòu)輸入級的作用是提供與輸出端成同相關(guān)系和反相關(guān)系的兩個輸入端uP和uN，并盡量減小溫漂，一般采用差分放大電路。中間級的作用是提供較高的電壓放大倍數(shù)，一般采用帶有源負(fù)載的共發(fā)射極電壓放大器。輸出級的作用是進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動負(fù)載工作，所以要求輸出電阻低、帶載能力強、能輸出足夠大的電壓和電流、波形失真小，一般采用互補推挽電路。偏置電路提供各級靜態(tài)工作電

3、流，一般采用電流源電路。4.1.3集成運放的種類及特點1.通用型集成運放2.高速型集成運放3.高輸入阻抗型集成運放4.高精度型集成運放5.低功耗型集成運放6.大功率型集成運放1.通用型集成運放 通用型集成運放實際就是具有最基本功能的最廉價的運放。這類運放用途廣泛，使用量最大。 例A741：輸入失調(diào)電流為20nA、輸入失調(diào)電壓為12mV、開環(huán)增益為100dB、共模抑制比為90dB、差模輸入電阻為2M、輸出電阻為100、共模輸入電壓的范圍13V、轉(zhuǎn)換速率為0.5V/s。2.高速型集成運放 高速型集成運放是指轉(zhuǎn)換速度較高的運放。一般轉(zhuǎn)換速度在100V/s以上。高速型集成運放用于高速模-數(shù)(A-D)、

4、數(shù)-模(D-A)轉(zhuǎn)換器、高速濾波器、高速采樣保持、鎖相環(huán)電路、模擬乘法器、比較器、視頻電路中。目前最高轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)可以做到6000V/s。高速型集成運放在對信號進(jìn)行測量或處理時，有時需要放大電路的反應(yīng)速度快，以保證精度。為此，在集成電路的設(shè)計中采取一定的措施(如加大電流)以提高轉(zhuǎn)換速度。3.高輸入阻抗型集成運放 在測量電路中往往需要高輸入電阻或低輸入電流的高阻型集成運放，這可通過輸入級采用超管或場效應(yīng)晶體管等措施來實現(xiàn)。國產(chǎn)高阻型集成運放如F3140，它的差模輸入電阻為10101012，它的輸入失調(diào)電流為10-12A，開環(huán)增益為100dB。國外這類產(chǎn)品有ICH8500A，它的輸入失調(diào)電流為10

5、-14A，開環(huán)增益為81dB。高阻型集成運放的用途十分廣泛，除了可用于測量放大器，還廣泛應(yīng)用于采樣保持電路、積分器、對數(shù)放大器、帶通濾波器等。4.高精度型集成運放 高精度是指集成運放低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高電壓放大倍數(shù)、高共模抑制比。國產(chǎn)的超低噪聲高精度運放F5037(對應(yīng)于CAW5037)的失調(diào)電壓為10V，失調(diào)電流為7.0nA，失調(diào)電壓的溫漂為0.2V/，開環(huán)增益約為105dB。又如CF725(對應(yīng)于A7245)也屬于高精度型集成運放。5.低功耗型集成運放 在空間技術(shù)和軍事科學(xué)等領(lǐng)域中，常常需要集成電路能在電源電壓較低(如12V)時工作，或者只取很微弱的電流(如10100A)，這時就需要

6、低功耗型集成運放。國產(chǎn)的F3078I，在電源電壓為6V時，電源電流是20A，靜態(tài)功耗是240W(相當(dāng)于運放CA3078的性能)。6.大功率型集成運放 隨著集成工藝的不斷發(fā)展，集成電路的輸出功率范圍逐漸擴大，已有輸出幾十瓦功率的集成電路。比如國產(chǎn)的FX0021，在電源電壓為15V時，最大輸出電流可達(dá)1.2A，最大輸出電壓幅值為12V。它的性能相當(dāng)于運放LH0221。MCEL165在18V電壓下輸出電流可達(dá)3.5A。4.2集成運放中的偏置電路4.2.1鏡像電流源電路4.2.2比例電流源電路4.2.3微電流源電路4.2.4電流源電路的作用4.2.1鏡像電流源電路優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，一定的溫度補償作用。缺

7、點：IR受電源變化的影響大。由于恒流特性不夠理想，晶體管C、E極間電壓變化時，IC2也會做相應(yīng)變化，即電流源的輸出電阻還不夠大。輸出電流IC2與基準(zhǔn)電流IR的精度取決于，特別是當(dāng)值不夠大時，兩者之間誤差更大。該電路只適用于較大工作電流(mA數(shù)量級)的場合。4.2.2比例電流源電路在參考電流IR一定的情況下，只要合理選擇兩個三極管的發(fā)射極電阻的比例，即可得到合適的IC2。4.2.3微電流源電路用小電阻即可實現(xiàn)微電流源。由于引入了電阻RE，因此微電流源的輸出電阻比VT2的輸出電阻rce2大得多，使輸出電流IC2更加穩(wěn)定。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，參考電流IR和UBE也將變化，由于RE的值一般為數(shù)千歐姆

8、，使UBE2UBE1，以致VT2的UBE2值很小而工作在輸入特性曲線的彎曲部分，則IC2的變化遠(yuǎn)小于IR的變化，故電源電壓波動對IC2的影響不大。例4-1電路如圖所示，已知VCC=12V，UBE1=0.7V，若測得試估算電阻RE和R的阻值。 解由二極管的伏安特性方程可得4.2.4電流源電路的作用 電流源電路除了能給放大電路提供穩(wěn)定的工作電流外，它還具有交流等效電阻較大的特點。因此，可以利用電流源電路代替放大電路的負(fù)載電阻，這時電流源稱之為有源負(fù)載。電路特點：電壓放大倍數(shù)高4.3集成運放中的輸入級單元電路差分放大電路4.3.1基本差分放大電路1.電路組成定義：差模信號 共模信號 所以：結(jié)論：兩輸

9、入端的共模信號uic的大小相等極性相同，兩輸入端的差模電壓+uid/2和- uid/2的大小相等極性相反。 2.靜態(tài)分析基本差分電路的直流等效電路3.差模分析a)差模信號交流通路b)半邊差模信號微變等效電路3.差模分析（1）雙端輸出（2）單端輸出結(jié)論：雙端輸出時差模放大倍數(shù)等于單管放大倍數(shù)；單端輸出時，差模放大倍數(shù)是單管放大倍數(shù)的一半。4.共模分析（1）雙端輸出（2）單端輸出5.共模抑制比共模抑制比衡量一個差分放大電路對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力雙端輸出：單端輸出：6.差分放大電路的作用抑制零點漂移 當(dāng)電源電壓波動或溫度變化時，兩晶體管集電極電流和電壓的變化量相同，盡管每只晶體管

10、都存在“零點漂移”，但兩晶體管的漂移信號(UC1和UC2)在輸出端恰好能互相抵消，使得輸出端不出現(xiàn)“零點漂移”，這就是差分放大電路能抑制“零點漂移”的原理。但實際上電路的元件參數(shù)很難完全對稱，因此就達(dá)不到預(yù)期的效果。由于溫漂的變化是同時作用于這個電路的兩部分，所以T1和T2的iC變化情況相同。這種作用，可以看成是在兩輸入端同時輸入一對同極性、同幅值的信號的結(jié)果。這種信號即為共模信號 。如電路對稱性好，則對應(yīng)的共模信號輸入時的輸出電壓為 將很小，也就是溫漂小。衡量的辦法是用 來表示。 越小表示電路抑制溫漂的能力越強。 4.3.2帶恒流源的差分放大電路4.3.2帶恒流源的差分放大電路帶調(diào)零措施的差

11、放電路a)調(diào)節(jié)IC的電路b)調(diào)節(jié)RC的電路例差分放大電路如圖所示，已知晶體管的1=2=60,3=80，rbb=300,RB=1k,RC1=RC2=RC=10k,RE3=3k,RC3=12k,VT1、VT2為硅管,VT3為鍺管，+VCC=+12V,-VEE=-12V。當(dāng)輸入信號Ui=0V時，測得輸出Uo=0V。試求：(1)估算VT1、VT2的工作電流IC1、IC2和電阻RE的大?。?2)當(dāng)Ui=10mV時，輸出電壓Uo的值。4.4.1復(fù)合管的組成4.4集成運放中的中間級單元電路4.4.2復(fù)合管放大電路a)復(fù)合管放大電路及其直流分析b)復(fù)合管放大電路的交流等效電路4.5集成運放中的輸出級單元電路互

12、補推挽放大電路4.6.1雙極型通用運放4.6.2CMOS運放4.6通用集成運放介紹集成運算放大器的符號a)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號b)國內(nèi)外常用符號4.6.1雙極型通用運放A741集成運算放大器的內(nèi)部原理圖1.偏置電路 A741的偏置電路是一種組合電流源。VT8、VT9、VT12、VT13為PNP型晶體管，VT10、VT11為NPN型晶體管。+VCC、VT12、R5、VT11和-VCC構(gòu)成了主偏置電路. VT10、R4和VT11組成微電流源電路(IREFIC11)。電流IREF為毫安數(shù)量級，而IC10為微安數(shù)量級。VT8和VT9組成鏡像電流源為差分輸入級提供偏置電流IC8，而IC9與IC10為VT3

13、和VT4提供偏置電流。VT12和VT13構(gòu)成雙端輸出的鏡像電流源。VT13是一個雙集電極晶體管，可視為兩個晶體管，它們的兩個集電結(jié)彼此并聯(lián)，其集電極電流IC13A和IC13B的大小比例為31。IC13B是作為中間級的有源負(fù)載，IC13B=(3/4)IC12。IC13A為輸出級提供偏置電流，IC13A=(1/4)IC12。2.輸入級 輸入級由VT1、VT2和VT3、VT4組成共集-共基復(fù)合差分放大電路,NPN型晶體管VT1、VT2組成共集電路可以提高輸入電阻，PNP型晶體管VT3、VT4組成共基電路與VT5、VT6、VT7組成的有源負(fù)載，可以提高輸入級的電壓增益和共模抑制比。VT7用來構(gòu)成VT5

14、、VT6的偏置電路，VT7的7比較大，IB7很小，所以無論有無差模輸入信號，均有IC3=IC5=IC6。3.中間級 中間級由VT16和VT17組成復(fù)合管共發(fā)射極電路，VT12和VT13B所組成的電流源作為它的有源負(fù)載，其交流電阻很大，因此本級可以獲得很高的電壓增益，同時也有較高的輸入電阻。電容C(30pF)用于頻率補償。4.輸出級 為了保證集成運放有一定的輸出功率以及較小的輸出電阻，因此輸出級采用NPN型晶體管VT14和PNP型晶體管VT20組成的互補推挽功率輸出電路，兩個晶體管都接成射極輸出器。VT18和VT19為輸出級的偏置電路，在靜態(tài)時，VT14和VT20處于微導(dǎo)通狀態(tài)，克服它們的死區(qū)電

15、壓，避免產(chǎn)生交越失真。5.輔助電路 為了防止輸出管VT14和VT20在RL過電流時而損壞，在A741運放中，由VT15、VT21和電阻R6、R7組成過載保護電路。發(fā)生過電流時，R6或R7兩端電壓降會增大，使VT15或VT21由截止變?yōu)閷?dǎo)通，將VT14或VT20的基極電流分流一部分，從而保護了輸出管VT14和VT20。 整個電路要求當(dāng)輸入信號為零時輸出也應(yīng)為零，這在電路設(shè)計方面已作考慮。在電路的輸入級中，VT5、VT6的發(fā)射極還接一電位器RP，中間滑動觸頭接-VCC，調(diào)節(jié)VT5、VT6的發(fā)射極電阻，可以保證靜態(tài)時輸出為零。4.6.2CMOS運放C14573電路原理圖4.7.1交流參數(shù)1.開環(huán)差模電壓增益Aod2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro3.共模抑制比KCMR4.開環(huán)帶寬fBW5.單位增益帶寬fBWG6.轉(zhuǎn)換速率SR4.7集成運放的主要參數(shù)4.7.2直流參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓uIO2.輸入偏置電流IIB3.輸入級失調(diào)電流IIO.溫度漂移本章小結(jié)集成運放是一種高增益的直接耦合放大電路，通常輸入級采用差分放大電路、中間級采用共射極放大電路、輸出級采用互補推挽放大電路、直流偏置采用電流源電路。差分放大電路主要利用電路的對稱性克服零點溫漂，它對差模信號有較大的放大能力，對共模信號有較強的抑制能力。差分放大電路可以等效為兩個對