《模拟电子电路-模电-课件-清华大学-华成英-4-集成运算放大电路》.ppt

华成英 第四章 集成运算放大电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3 4.3 集成运放的电路分析及其性能指标集成运放的电路分析及其性能指标华成英 4.14.1 概述一、一、集成运放的特点集成运放的特点二、二、集成运放电路的组成集成运放电路的组成三、三、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 华成英 一、集成运放的特点（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电路和电流源电路。差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。化并不带来工艺的复杂性。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。的大电阻。（4 4）采用复合管。）采用复合管。 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。华成英 二、集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。双端输入、单端输出的差分放大电路。华成英 集成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。的放大能力。功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。为各为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。华成英 三、集成运放的电压传输特性 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)华成英 4.24.2 集成运放中的电流源一、镜像电流源一、镜像电流源二、微电流源二、微电流源三、多路电流源三、多路电流源四、有源负载四、有源负载华成英 一、镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，则若在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负反电路中有负反馈吗？馈吗？基准电流基准电流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III华成英 二、微电流源eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBE)(E1E0SEe eUUUUUIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。华成英 三、多路电流源 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。选取发射极电阻的数值。 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来确定集电结面积。确定集电结面积。 根据所需静态电流，根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。来确定沟道尺寸。华成英 四、有源负载哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu用于共射放大电路华成英 2. 用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。0 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：华成英 4.34.3 集成运放的电路分析及其性能指标二、读图举例二、读图举例三、集成运放的性能指标三、集成运放的性能指标一、读图方法一、读图方法华成英 一、读图方法了解要分析的电路的应用场合、用途和技术了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。指标。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。电路。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。能和性能。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。华成英 二、举例：F007通用型集成运放通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。华成英 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路华成英 双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的准除交越失真的准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路分解电路华成英 输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9，因，因IC10不变不变 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出华成英 输入级的分析T7的作用：抑制共模信号的作用：抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源负的有源负载，而载，而T4又是又是T6的有源负载，增的有源负载，增大电压放大倍数。大电压放大倍数。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍数大、输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对并完成电平转换（即对“地地”输输出）。出）。华成英 中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级华成英 输出级的分析 D1和和D2起过流保护作用，未起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。过流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导导通，为通，为T14基极分流，从而保基极分流，从而保护了护了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高华成英 判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。华成英 三、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几V/ 0 输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几nA/ 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 20lgAod使使uO为为0在输入端所加的补偿电压在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大超过此值不能正常放大差模信号差模信号超过此值输入级放大管击穿超过此值输入级放大管击穿华成英 清华大学 华成英 讨论1. 输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端积累电流放大积累电流放大系数系数超超管管