篇3章集成运放新.ppt

篇3章集成运放新 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望输入级采用输入级采用差分放大差分放大电路电路中间级采用中间级采用CE(CS)电路电路低温漂低温漂，高共模抑制高共模抑制比比和和高输入电阻高输入电阻高电压增益高电压增益输出级采用互补对称式输出级采用互补对称式射射极跟随器极跟随器结构结构低输出电阻低输出电阻，较较强带负载能力强带负载能力二、集成运放的主要特点二、集成运放的主要特点 同一硅片同一硅片 相同工艺相同工艺采用采用结构对称结构对称为特征的电路为特征的电路元件参数具有良好的元件参数具有良好的一致性和同向偏差一致性和同向偏差 芯片面积小芯片面积小 功耗很低功耗很低采用采用微电流源微电流源作为作为偏置偏置及及有有源负载源负载工作电流极小工作电流极小(如几如几几十微安几十微安)无法制造大容量电容无法制造大容量电容采用采用直接耦合直接耦合方式方式 电路符号电路符号 低频小信号模型低频小信号模型RidRod0Aod2.3.2 集成集成运放中的恒流源偏置电路运放中的恒流源偏置电路一、一、基本镜像电流源基本镜像电流源参考电流参考电流(时,误差5%)两只特性完全相同的晶体管两只特性完全相同的晶体管T1、T2组成镜像电流源组成镜像电流源,R确定参考电流确定参考电流T管减小输出电管减小输出电流与参考电流的流与参考电流的误差误差二、跟随型镜像电流源电路二、跟随型镜像电流源电路当当50时，输出电流时，输出电流IL与参考电流与参考电流IREF的相对的相对误差小误差小于于0.08%误差误差温度补偿作用温度补偿作用：T IC1(IL)I REF VREF IC1(IL)IB VBE 三、三、多路电流源电路多路电流源电路当当 参参 考考 电电 流流IREF确确 定定 后后，在在各各支支路路串串入入不不同同的的射射极极电电阻阻，可可得得到到不不同同的的输输出出电电流。流。2.3.3运放输入级运放输入级差分放大电路差分放大电路(1)直流分析直流分析1.差分放大电路的基本形式和工作原理差分放大电路的基本形式和工作原理IC1QIC2QVC1QVC2QVCCICQRcVOQVC1QVC2Q0+VCC-VEERC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-若若RC1=RC2=RC 由由于于电电路路结结构构对对称称，元元件件参参数数和和特特性性相相同同，因因而而温温度度变变化化时时VC1Q、VC2Q始始终终相相等等，VOQ0，有有效效地地抑抑制制温温漂漂和和零漂零漂。若若Rc1Rc2，则两个三极管，则两个三极管的的ICQ和和VCQ是否相等是否相等？差模差模成分：两个输入信号成分：两个输入信号之差之差。共模共模成分：两个输入信号成分：两个输入信号平均值平均值。差模差模成分反映被测信号的变化，需要成分反映被测信号的变化，需要进一步放大。进一步放大。共模共模成分反映测量的初始条件或外界干扰，不但不必放大，而成分反映测量的初始条件或外界干扰，不但不必放大，而且还需要且还需要加以抑制加以抑制。(2)差分放大电路的动态分析差分放大电路的动态分析放大差模信号放大差模信号,抑制共模信号抑制共模信号b1b2Rt1Rt2RRW+VCC桥式测量电路桥式测量电路反映被测温度的变化反映被测温度的变化并不反映被测温度的变化并不反映被测温度的变化差分放大电路的输入差分放大电路的输入:+VCC-VEERC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-+-+VCC-VEERC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-+-差分放大电路交差分放大电路交流通路流通路差模交流通路差模交流通路共模交流通路共模交流通路差模输入方式差模输入方式：只考虑差模输入电压，：只考虑差模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个即差分放大电路的输入端加上两个幅度相幅度相同同而而极性相反极性相反的信号。的信号。共模输入方式共模输入方式：只考虑共模输入电压，：只考虑共模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个即差分放大电路的输入端加上两个极性相极性相同同且且幅度也相同幅度也相同的信号。的信号。Avc小小Avd大大差分放大电路具有对差分放大电路具有对差模信号进行放大差模信号进行放大、对、对共模信共模信号进行抑制号进行抑制的能力。的能力。关于差放电路的一般分析步骤关于差放电路的一般分析步骤:实际电路实际电路直流通路直流通路交流通路交流通路差模交流通路差模交流通路共模交流通路共模交流通路实际信号实际信号差模信号差模信号共模信号共模信号差模量差模量共模量共模量直流量直流量总变总变化量化量总总量量2.差分放大电路动态性能指标的计算差分放大电路动态性能指标的计算(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数Avde点交流接地点交流接地差模交流通路差模交流通路RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-二个输出端上的差模输出电二个输出端上的差模输出电压压大小相等而极性相反大小相等而极性相反RC1e+-c1RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-RC1e+-c1RC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-共模交流通路共模交流通路RCe+-c2c1+-RCRC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相等并且极性也相同；双端输出时，共模输出电压为零。等并且极性也相同；双端输出时，共模输出电压为零。Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力，温漂的能力，Avc 越小越小，则，则抑制温漂能力越强抑制温漂能力越强。(4)共模抑制比共模抑制比KCMR定义为差模电压放大倍数与共模电压放定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。大倍数之比的绝对值。常用常用分贝分贝表示：表示：理想的差分放大电路双端输出时，理想的差分放大电路双端输出时，KCMRC1输出时越大越大 越大越大,实用电实用电路中常用恒流源来代替路中常用恒流源来代替T3Re3R-VEEe越大越大 越大越大,实用电实用电路中常用路中常用恒流源恒流源来代替来代替R-VSS+VDDRLsgRLrdsR-+-dRCe+-c2c1+-RC总的交流输出为差模信号作用下的输出和共模信号下的输出总的交流输出为差模信号作用下的输出和共模信号下的输出相迭加相迭加【例例】已知差分放大电路已知差分放大电路vI1=5.01V、vI2=4.99V，Avd-80，Avc-0.01，求，求vO？解：解：3.输入输出方式输入输出方式差分放大电路有两个输入端和两个输出端。差分放大电路有两个输入端和两个输出端。端输入，端输入，端接地时：端接地时：vI1vI，vI20单端输入可作为双端输入一样处理单端输入可作为双端输入一样处理空载时单端输出的差模电压放大倍数是双端输出的差空载时单端输出的差模电压放大倍数是双端输出的差模电压放大倍数的一半。模电压放大倍数的一半。vO1vO2单端输入和双端输入单端输入和双端输入:单端输出和双端输出单端输出和双端输出:+VCC-VEERC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-(2)差模输入电阻差模输入电阻Rid（单端输入、双端输入一样）（单端输入、双端输入一样）RC1e+-c1RC1RC2T1T2Reb2iE1iE2ec1c2+-+-+-(3)差模输出电阻差模输出电阻Ro单端输出：单端输出：双端输出：双端输出：RCe+-c2c1+-RCRC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1c2+-+-+-接上负载后接上负载后负载中点相当于接地RCRCT1T2Reb1b2iE1iE2e+-+-+-【例例】差差分分放放大大电电路路如如图图所所示示，已已知知=80，rbe=2k。求求该该电电路路的的差差模模电电压压放放大大倍倍数数Avd、差差模模输输入入电电阻阻Rid和输出电阻和输出电阻Ro。解：解：先画出差模交流通路：先画出差模交流通路：【例】【例】差分放大电路如图所差分放大电路如图所示，输出端取自示，输出端取自T1管的集电管的集电极。已知极。已知T1、T2管的管的=80，rbb=100，RW=200，RC=50k，其余参数如图中，其余参数如图中所示。设电位器的滑动端置所示。设电位器的滑动端置于中间位置。求于中间位置。求:（1）该差分放大电路的静态）该差分放大电路的静态工作点工作点ICQ、VOQ；（2）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻差模输入电阻Rid和输出电阻和输出电阻Ro；（3）共模抑制比）共模抑制比KCMR；（4）若输入电压为）若输入电压为vI1=16mV、vI2=10mV，求输出电压求输出电压vO。解：解：(1)(2)差模交流通路差模交流通路(3)共模交流通路共模交流通路(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，则4.场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路FET差分放大电路差分放大电路差差模输入电阻很高模输入电阻很高，减小了输入偏置电流减小了输入偏置电流的不对称性。的不对称性。式中Rod=2Rd差模交流通路差模交流通路2.3.4 运放中间级和输出级运放中间级和输出级一、中间级一、中间级电压放大电路电压放大电路主要任务是主要任务是提高电压增益提高电压增益，常用共射放大电路。，常用共射放大电路。Rc代之以代之以恒流源恒流源；采用纵向三极管或达林顿采用纵向三极管或达林顿复合管复合管，提高，提高；增加一级增加一级CC电路电路(射极跟随器射极跟随器)进行阻抗变换。进行阻抗变换。恒流源恒流源+射极跟随器射极跟随器恒流源恒流源+复合管复合管T1T2二、二、运放输出级运放输出级互补对称共集输出电路互补对称共集输出电路集成运放的输出要求集成运放的输出要求 输出电阻小输出电阻小 最大不失真输出电压尽可能大最大不失真输出电压尽可能大 输出级的输入电阻又必须大输出级的输入电阻又必须大1运放输出级的基本电路运放输出级的基本电路静态静态(vi0)时，时，T、T管均截止，管均截止，VOQ0T1T2管子属于管子属于乙类乙类放大：导通角为放大：导通角为=,三极管半周导通三极管半周导通甲类甲类放大：导通角为放大：导通角为=2,前面讨论的单管放大电路前面讨论的单管放大电路甲乙类甲乙类放大：导通角放大：导通角介于介于和和2之间之间正半周正半周(vi0)时，时，T管导通，管导通，T管截止管截止，+VCCT1RLGND负半周负半周(vi0)时，时，T1管截止，管截止，T2管导通管导通，GNDRLT2-VCC静态静态(vi0)时，时，T、T管均截止，管均截止，VOQ0QQ甲类甲类乙类乙类甲乙类甲乙类 最大输出电压幅值最大输出电压幅值最大输出电压为最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为。当电源电压为15V时，时，最大不失真输出电压幅度一般为最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。不会超过电源电压不会超过电源电压。输入电阻较高输入电阻较高T1T2 交越失真交越失真在输入信号小于三极管在输入信号小于三极管的开启电压时，的开启电压时，T与与T管均截止，产生管均截止，产生交越失交越失真真。T1T22甲乙类甲乙类互补对称互补对称输出电路输出电路静态静态T1、T2处于处于微导通微导通状态，克服交越失真状态，克服交越失真.VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的。当输入正弦波时，由于二极管的动态电动态电阻很小阻很小，所以，所以vb1vb2vi。利用二极管提供静态偏置利用二极管提供静态偏置Q利用恒压电路提供静态偏置利用恒压电路提供静态偏置选择合适的选择合适的R1、R2阻值，使阻值，使VCE3 1.4V。+VCC-VEERC1RC2T1T2Reb1b2iE1iE2ec1(-)(-)(+)(+)b1:同相输入端同相输入端 b2:反相输入端反相输入端 2.3.5 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标集成运放集成运放线性放大区线性放大区所所对应的输入信号对应的输入信号范围很范围很小小。一、一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数集成运放的电压传输特性和三项基本参数例如设例如设Aod=105，、为为10V，则则Vim10/105 10-4V 0.1mV+_A+vid_vo实际运放实际运放的传输特性曲线不通过坐标原点，称为的传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在运放。为了弥补输出失调电压，通常在运放输入级电路中设置了输入级电路中设置了调零端调零端。在在理想条件理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标过坐标原点原点。运放的电压既可以用。运放的电压既可以用增量增量(或交或交流量流量)表示，也可以用表示，也可以用瞬时量瞬时量表示。表示。（1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数Aod如如CF741的的Rid1M，高阻型运放的，高阻型运放的Rid 可达可达104M以上。以上。Aod一般为一般为104106(即即80120dB)。在手册中在手册中Aod常以常以V/mV作单位，作单位，如如100V/mV即为即为105。（2）差模输入电阻）差模输入电阻Rid+_A+vid_vo（3）输出电阻）输出电阻Ro集成运放的集成运放的Ro通常为通常为100至至1k之间。之间。由由3项基本参数可画出运放的低频模型：项基本参数可画出运放的低频模型：二、集成运放的失调参数二、集成运放的失调参数集成运放在集成运放在vId=0时的输时的输出电压称作出电压称作输出失调输出失调电压电压，记作，记作VOO。（1）输入失调电压）输入失调电压VIO为了使输出电压回到零，为了使输出电压回到零，需在输入端加上需在输入端加上反向补反向补偿电压偿电压，该补偿电压称，该补偿电压称为为输入失调电压输入失调电压。（2）输入失调电压漂移）输入失调电压漂移dVIO/dT输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。随温度而变化的程度。（3）输入失调电流）输入失调电流 IIO反映集成运放反映集成运放输入端输输入端输入电流的不平衡入电流的不平衡程度。程度。偏置电流偏置电流输入失调电流输入失调电流（4）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂dIIO/dT反映输入失调电流反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。随温度而变化的程度。分析输出失调模型分析输出失调模型(1)应选择应选择R1R2。R、R2 称为称为输入平衡电阻输入平衡电阻。(2)R和和R2越越小小，则则IIO对对VOO的的影影响响也也越越少少。因因此此，在在实实际际使使用用时时，要要求求运运放放两两个个输输入入端端的的外外接接平平衡衡电阻相等且电阻相等且较小较小。(3)即即使使运运放放输输入入端端短短路路，输输出出电电压压也也已已进进入入饱饱和和状状态态(假假定定Aod=104，VIO为为1.5mV，则则VOO已已达达15V)。因因此此，集集成成运运放放在在用用作作线线性性放放大大时时必必须须接接成成闭闭环方式环方式。运放的运放的“虚短虚短”和和“虚断虚断”A+vId_(+)(-)vO因为理想运放的因为理想运放的A很大，在线性工作范围内，很大，在线性工作范围内，；称为；称为“虚短虚短”又理想运放的输入电阻又理想运放的输入电阻 很大，所以输入电流很大，所以输入电流 ；称为；称为“虚断虚断”分析负反馈运算电路时要经常利用运放的分析负反馈运算电路时要经常利用运放的“虚短虚短”和和“虚断虚断”三、集成运放的共模参数三、集成运放的共模参数（1）共模抑制比）共模抑制比KCMR集成运放的共模抑制比一般在集成运放的共模抑制比一般在60dB以上，性以上，性能较好的运放在能较好的运放在100dB以上。以上。（2）最大共模输入电压）最大共模输入电压 VIcmax当共模输入电压超出当共模输入电压超出VIcmax时，将影响运放电路时，将影响运放电路中相关晶体管的工作状态。运放中相关晶体管的工作状态。运放失去正常的差失去正常的差模放大能力模放大能力。（3）共模输入电阻）共模输入电阻Ric四、集成运放的时域和频域参数四、集成运放的时域和频域参数（1）-3dB带宽带宽 f HBWf Hf Lf H通用型运放的带宽通用型运放的带宽fH仅仅为几赫兹至几十赫兹。为几赫兹至几十赫兹。（2）单位增益带宽）单位增益带宽 f c指运放差模开环电压增益指运放差模开环电压增益Aod下降至下降至0dB 时的频率。时的频率。（3）转换速率）转换速率SR（也称压摆率）（也称压摆率）是衡量运放在大幅度信号作用下是衡量运放在大幅度信号作用下工作速度工作速度的的参数。参数。（4）全功率带宽）全功率带宽 f p表示当运放输出较大幅度电压时，为保证输表示当运放输出较大幅度电压时，为保证输出波形不产生因出波形不产生因SR为有限值而引起的波形失为有限值而引起的波形失真，运放所能工作的最高频率。真，运放所能工作的最高频率。五、五、集成运放应用时应考虑的几个问题集成运放应用时应考虑的几个问题 运放类型：运放类型：通通用用型型：其其性性能能指指标标适适合合于于一一般般性性使使用用，产产品品量大面广。量大面广。低低功功耗耗型型：静静态态功功耗耗在在1mw左左右右，可可用用于于便便携携设备。设备。高精度型高精度型：失调电压温漂在：失调电压温漂在1V以下。以下。高速型高速型：转换速率在：转换速率在10V/s左右。左右。高阻型高阻型：输入电阻在：输入电阻在1012左右。左右。宽带型宽带型：单位增益带宽在：单位增益带宽在10MHz左右。左右。高压型高压型：允许供电电压在：允许供电电压在30V以上。以上。功率型功率型：允许的供电电压较高可输出电流较大。：允许的供电电压较高可输出电流较大。选择集成运放时注意的问题：选择集成运放时注意的问题：不要盲目追求指标先进。不要盲目追求指标先进。应尽量选择通用型运放应尽量选择通用型运放 应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施 要注意单元之间的输出电平配合问题要注意单元之间的输出电平配合问题 要注意性能指标的测量条件要注意性能指标的测量条件 在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大太大 跨导型跨导型：输入量为电压，输出为电流。：输入量为电压，输出为电流。差动电流型差动电流型：输入为差分电流，输出为电压。：输入为差分电流，输出为电压。其它：如其它：如程控型程控型、电压跟随型电压跟随型等。等。