第四章集成运放优秀课件.ppt

第四章集成运放第1页，本讲稿共38页4.1.1集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元元器器件件具具有有良良好好的的一一致致性性和和同同向向偏偏差差，因因而而特特别别有利于实现需要对称结构的电路。有利于实现需要对称结构的电路。（2）集集成成电电路路的的芯芯片片面面积积小小，集集成成度度高高，所所以以功功耗耗很很小小，在毫瓦以下。在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只只能能制制作作几几十十pF以以下下的的小小电电容容。因因此此，集集成成放放大大器器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述第2页，本讲稿共38页4.1.2 集成运算放大器的组成及其各部分的作用集成运算放大器的组成及其各部分的作用 一一.集成运放的总体结构集成运放的总体结构第3页，本讲稿共38页u-u+uo集成运算放大器符号及电压传输特性集成运算放大器符号及电压传输特性 反相输入端反相输入端 u（uN）同相输入端同相输入端 u+（uP）输出端输出端 uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高:输入电阻大输入电阻大:输出电阻小输出电阻小:第4页，本讲稿共38页电压传输特性电压传输特性uouP、（uN）uO=f(uP-uN)uO=Aod(uP-uN)差模开环放大倍数差模开环放大倍数第5页，本讲稿共38页 1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。2.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达欧姆，场效应管输入级可达109欧欧姆以上。姆以上。3.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路第6页，本讲稿共38页5.输入失调电压温漂在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。4.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。的指标。第7页，本讲稿共38页 7.输入失调电流输入失调电流在零输入时，差分输入级的差分对应管基极电流之差，用于表在零输入时，差分输入级的差分对应管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。征差分级输入电流不对称的程度。6.输入偏置电流输入偏置电流IB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对应管输入电流的大小。用于衡量差分放大对应管输入电流的大小。8.输入失调电流温漂输入失调电流温漂在规定工作温度范围内，输入失调电流随温在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。度的变化量与温度变化量之比值。第8页，本讲稿共38页9.最大差模输入电压最大差模输入电压10.最大共模输入电压最大共模输入电压运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入对差分管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。第9页，本讲稿共38页11.3dB带宽带宽 f H：运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的所定义的带宽带宽 f H。12.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率速率SR的表达式为的表达式为 第10页，本讲稿共38页 集成运放的低频等效电路第11页，本讲稿共38页运算放大器外形图运算放大器外形图第12页，本讲稿共38页运算放大器外形图运算放大器外形图第13页，本讲稿共38页1.镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：无论无论Rc的值如何，的值如何，IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。4.2 集成运算放大器中的电流源电路集成运算放大器中的电流源电路一一 电流源电路电流源电路因为：因为：所以：所以：ICIBIC2第14页，本讲稿共38页2.比例电流源比例电流源该电路具有较高的温度稳定性该电路具有较高的温度稳定性第15页，本讲稿共38页3.微电流源微电流源很小，很小，由于由于所以所以IC2也很小也很小第16页，本讲稿共38页1.加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源二二 改进型电流源电路改进型电流源电路第17页，本讲稿共38页2.威尔逊电流源威尔逊电流源第18页，本讲稿共38页三三.多路电流源多路电流源第19页，本讲稿共38页多集电极管构成的电流源多集电极管构成的电流源第20页，本讲稿共38页四四.以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路 T2、T3、R组组成成镜镜像像电电流流源源，作作为为T1共共射射电电路路的的负负载载。共共射射电电路路的的电电压增益为：压增益为：对于此电路对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，就是镜像电流源的交流电阻，因此增益比用电阻因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。作负载时大大提高了。放大管放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源1.有源负载共射极放大电路有源负载共射极放大电路第21页，本讲稿共38页2.有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。iC1=iC2 iC3=iC1 iC3=iC4 iO=iC4 iC2=2=2 iC1 第22页，本讲稿共38页3.共集共集共基差动输入级共基差动输入级输入阻抗高。输入阻抗高。T3、T4为横向为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。管，可承受几十伏的反向电压。第23页，本讲稿共38页 4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介第24页，本讲稿共38页三三.通用型集成运放通用型集成运放F007第25页，本讲稿共38页1.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置构成了主偏置电路，产生基准电流电路，产生基准电流：其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组组成成微微电电流流源源，通通过过T8和和T9组组成成的的镜镜象象电电流流源源为为差差动动输输入入级提供偏置电流。级提供偏置电流。T12和和T13管管构构成成镜镜象象电电流流源源。T13管管为为中中间间级级、输输出出级级提提供供偏偏置置电电流流,作作为为中中间级的有源负载。间级的有源负载。第26页，本讲稿共38页2.输入级：输入级：T1、T2和和 T3、T4管组成共集一共管组成共集一共基复合差动输入电路。其中基复合差动输入电路。其中T1和和T2管管作为射极输出器，输入电阻高。作为射极输出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达反向击穿电压高，可使输入差模信号达到到30V以上。以上。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组组成成具具有有基基极极补补偿偿作作用用的的电电流流源源，作作为为差差动动输输入入级级的的有有源源负负载载，可可以以提提高高输输入入级的增益。级的增益。它它们们同同时时还还有有单单端端输输出出转转换换为为双双端端增益的功能。增益的功能。第27页，本讲稿共38页3.中间级：中间级：T16和和T17是复合管是复合管组成的共射放大电组成的共射放大电路，路，T13管作这一级管作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。第28页，本讲稿共38页 4.输出级：输出级：T14和和T18、T19管管组组成成互互补补对对称称输输出出级级，T15、R7和和 R8为为其其提提供供静静态态偏偏置克服交越失真。置克服交越失真。D1管管R7和和R9保保护护T14管管，使使其其在在正正向电流过大时不致烧坏向电流过大时不致烧坏。D2管管R8和和 R10保保护护 T18 T19管管在在负负向电流过大时不致烧坏。向电流过大时不致烧坏。第29页，本讲稿共38页5.相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，“+”号腿为同相端；号腿为同相端；“”号腿号腿为反相端。为反相端。+-第30页，本讲稿共38页 为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的能指标比较适中的通用型通用型运放外，还有适应不同需要的运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。等几种。4.5 特殊集成运算放大器第31页，本讲稿共38页 一.高速型和宽带型 用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 第32页，本讲稿共38页 二.高精度(低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177 CF714 第33页，本讲稿共38页 三.高输入阻抗型 用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549 CF155/255/355 第34页，本讲稿共38页四四.低功耗型低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W。第35页，本讲稿共38页 五.功 率 型 这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12 TP1465 第36页，本讲稿共38页本章小结本章小结1直接耦合放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。运算放大器都用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。第37页，本讲稿共38页3集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的主要参数的物理意义，才能在使用中恰当地选择元器件。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。5集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，应掌握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。第38页，本讲稿共38页