第六章 集成運(yùn)算放大器

會計(jì)學(xué)1第六章集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。什么是集成運(yùn)算放大器？第1頁/共49頁直耦放大電路的特殊問題——零點(diǎn)漂移零漂現(xiàn)象：產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。輸入ui=0時，，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。第2頁/共49頁例如

若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓假設(shè)第一級是關(guān)鍵3.減小零漂的措施用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用差動放大電路等效100uV漂移1V第3頁/共49頁1.鏡像電流源基準(zhǔn)電流：

無論T2的負(fù)載如何變化，IC2的電流值將保持不變。5.1集成運(yùn)算放大器中的偏置電路一.電流源電路因?yàn)椋核裕旱?頁/共49頁2.微電流源（1）電流?。ㄒ?yàn)椤鱑BE小）。微電流源的特點(diǎn)：（2）電流穩(wěn)定（電流負(fù)反饋）第5頁/共49頁3.多路電流源第6頁/共49頁二.差動輸入級1.有源負(fù)載差動放大電路T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負(fù)載。同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。第7頁/共49頁5.2差動放大電路一.結(jié)構(gòu):對稱性結(jié)構(gòu)即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb第8頁/共49頁2023/1/19

1.差動放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時加信號。單端輸入——僅從一個輸入端對地加信號。

2.差動放大電路可以有兩個輸出端。雙端輸出——從C1

和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。二.幾個基本概念第9頁/共49頁3.差模信號與共模信號差模信號：共模信號：差模電壓增益：共模電壓增益：總輸出電壓：4.共模抑制比第10頁/共49頁三.差動放大電路的基本工作原理

1.靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：

忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V第11頁/共49頁2.抑制零漂的原理:Uo=UC1-UC2

=0當(dāng)ui1

=

ui2

=0時，當(dāng)溫度變化時：UC1=UC2設(shè)T

ic1,ic2uc1

,uc2

uo=uc1-uc2=0第12頁/共49頁(1)加入差模信號

ui1=-ui2=uid/2，3.電路的動態(tài)分析

所以，Re對差模信號相當(dāng)于短路。若ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2IRe不變

UE不變

uic=0。第13頁/共49頁①求差模電壓放大倍數(shù)：

因?yàn)閡i1=-ui2設(shè)ui1,ui2

uo1,uo2。電路對稱│uo1│=│uo2│

uo=uo1–uo2=2uo1

差模電壓放大倍數(shù)第14頁/共49頁②差模輸入電阻③輸出電阻第15頁/共49頁(2)加入共模信號

ui1=ui2=uic，

uid=0。設(shè)ui1，ui2

uo1，uo2。因ui1=ui2，

uo1=uo2uo=0(理想化)。共模電壓放大倍數(shù)第16頁/共49頁四.差動放大器的輸入輸出方式

差動放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）

2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）

3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）

4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻第17頁/共49頁1.雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）輸出電阻第18頁/共49頁2.雙端輸入單端輸出

這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）差模輸入電阻（3）輸出電阻第19頁/共49頁（4）共模電壓放大倍數(shù)

ui1=ui2=uic，

設(shè)ui1，ui2

ie1，ie1。

iRe（=2ie1）畫出共模等效電路第20頁/共49頁動畫演示求共模電壓放大倍數(shù)：第21頁/共49頁

3.單端輸入雙端輸出

單端輸入等效雙端輸入:

因?yàn)镽e＞＞從T2發(fā)射極看進(jìn)去的等效電阻，故Re可視為開路，于是有ui1=－ui2=ui/2

計(jì)算同雙端輸入雙端輸出：動畫演示第22頁/共49頁4.單端輸入單端輸出

注意放大倍數(shù)的正負(fù)號：設(shè)從T1的基極輸入信號，如果從uo1

輸出為負(fù)號；從uo2

輸出為正號。

計(jì)算同雙入單出：

第23頁/共49頁

(1)差模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

差動放大器動態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié)

雙端輸出時：

單端輸出時：

(2)共模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

雙端輸出時：

單端輸出時：第24頁/共49頁

(3)差模輸入電阻

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。

單端輸出時，

雙端輸出時，

(4)輸出電阻第25頁/共49頁(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標(biāo)。，或

雙端輸出時KCMR可認(rèn)為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：動畫演示

第26頁/共49頁五.帶恒流源的差動放大電路

根據(jù)共模抑制比公式：

加大Re，可以提高共模抑制比。為此可用恒流源T3來代替Re

。等效很大的交流電阻，直流電阻并不大。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，而不影響差模放大倍數(shù)，從而增加共模抑制比。恒流源的作用第27頁/共49頁帶恒流源的差動放大電路的計(jì)算：

靜態(tài)工作點(diǎn)：

動態(tài)：

恒流源等效電阻：第28頁/共49頁2.克服交越失真的互補(bǔ)對電路

靜態(tài)時，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。電路中增加D1、D2工作原理：第29頁/共49頁5.3集成運(yùn)放簡介

一.

集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)第30頁/共49頁

二.

簡單的集成運(yùn)放

原理電路：第31頁/共49頁＋－u-－u+uo集成運(yùn)算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端第32頁/共49頁三.通用型集成運(yùn)放F007AB第33頁/共49頁AB第34頁/共49頁分析：1.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負(fù)載。A路為輸出級提供偏置。第35頁/共49頁2.輸入級：T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達(dá)到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。第36頁/共49頁3.中間級：T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負(fù)載。T14和T20管組成互補(bǔ)對稱輸出級，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過大時不致燒壞。4.輸出級：5.相位分析：用“瞬時極性法”判定，3號腿為同相端；2號腿為反相端。第37頁/共49頁

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。5.4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

2.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第38頁/共49頁

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第39頁/共49頁6.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第40頁/共49頁

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。第41頁/共49頁

11.－3dB帶寬

fH

：

運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運(yùn)放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為

第42頁/共49頁

反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運(yùn)放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集成運(yùn)放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。5.5特殊集成運(yùn)算放大器第43頁/共49頁

1.高輸入阻抗型

這種類型的集成運(yùn)放差模輸入電阻往往大于109W，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級。這種類型的集成運(yùn)放，輸入級經(jīng)常采用結(jié)型場效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動輸入級，稱為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動輸入級。其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。

第44頁/共49頁2.高精度、低漂移型要求集成運(yùn)放具有很低的漂移量和很高的精度。一般ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。

大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計(jì)和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，還有的運(yùn)放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。第45頁/共49頁3.高速型

高速運(yùn)放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR