清华模电4章集成运算放大电路.ppt

v4.1 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述v4.2 4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路v4.3 4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介v4.4 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v4.5 4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择v4.6 4.6 集成运放的使用集成运放的使用第第 4 4 章章 集成运算放大电路集成运算放大电路4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 集成运算放大电路是以半导体单晶硅为芯片，采用集成运算放大电路是以半导体单晶硅为芯片，采用专门制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电专门制造工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元件及它们的连线组成的完整电路制作在一起，使容等元件及它们的连线组成的完整电路制作在一起，使之具有特定功能。最初用于模拟信号运算如比例，求和之具有特定功能。最初用于模拟信号运算如比例，求和等，简称集成运放。等，简称集成运放。集成运放：集成运放：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集成运放的特点：集成运放的特点：1 采用直接耦合方式采用直接耦合方式(硅片上不能制作大电容硅片上不能制作大电容)2 大量采用差放电路大量采用差放电路(作输入级作输入级)和恒流源电路和恒流源电路(作偏置电作偏置电路或有源负载路或有源负载)。3 允许采用复杂的电路形式提高性能允许采用复杂的电路形式提高性能4 常用有源元件取代电阻常用有源元件取代电阻(硅片上不宜制作高阻值电阻硅片上不宜制作高阻值电阻)5 采用晶体管和场效应管的复合形式以得到各方面性能俱采用晶体管和场效应管的复合形式以得到各方面性能俱佳的效果。佳的效果。4.1.2 集成运放电路组成及各部分的作用集成运放电路组成及各部分的作用输入级：一般是双端输入的差分放大电路，它的好坏直接影响集成运放输入级：一般是双端输入的差分放大电路，它的好坏直接影响集成运放的性能参数的性能参数(如输入电阻、共模抑制比等如输入电阻、共模抑制比等)。一般要求输入电阻大、差模。一般要求输入电阻大、差模放大倍数高，抑制共模信号能力强。放大倍数高，抑制共模信号能力强。中间级：主要是放大作用，多采用共射或共源放大电路，经常用复合管中间级：主要是放大作用，多采用共射或共源放大电路，经常用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载，做放大管，以恒流源作集电极负载，AuAu可达千倍以上。可达千倍以上。输出级：应具有输出电阻小、输出电压线性范围宽，非线性失真小等特输出级：应具有输出电阻小、输出电压线性范围宽，非线性失真小等特点。多采用互补对称输出电路。点。多采用互补对称输出电路。偏置电路：用于设置各级放大电路的静态工作点，采用电流源电路偏置电路：用于设置各级放大电路的静态工作点，采用电流源电路4.1.3 集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性uo=Aod(uP-uN)差模开环放大倍数差模开环放大倍数Aod，通常非常高可达几，通常非常高可达几十万倍。对理想运放：十万倍。对理想运放：Aod Rid Ro=0线性区非线性区从外部看，可认为集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高差从外部看，可认为集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好抑制温漂的差分放模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好抑制温漂的差分放大电路。大电路。4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路基本电流源：基本电流源：镜像电流源镜像电流源 比例电流源比例电流源 微电流源微电流源改进型电流源电路：改进型电流源电路：加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源 威尔逊电流威尔逊电流 电流源电路可以为各级提供合适的静态电流，或电流源电路可以为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载，提高放大电路的放大能力。作为有源负载，提高放大电路的放大能力。镜像电流源镜像电流源 Ic1与与Ic0成镜像关系成镜像关系 当当R和和VCC确定时，确定时，IC1也就随之确定。也就随之确定。因为：因为：所以：所以：镜像电流源具有一定的温度补偿作用。镜像电流源具有一定的温度补偿作用。不足：在不足：在VCC一定时，若要求一定时，若要求IC1较大，较大，IR就较大，就较大，R的功耗也就大，不适的功耗也就大，不适于集成电路。于集成电路。比例电流源比例电流源IC1与与IR成比例关系成比例关系UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1因为因为所以所以改变改变Re0 Re1就可改变就可改变IC1IR的比例关系的比例关系Re0 Re1是电流负反馈电阻，因此输出电是电流负反馈电阻，因此输出电流流IC1具有更高的温度稳定性具有更高的温度稳定性微电流源微电流源由于由于uBE很小，只有几十毫伏，很小，只有几十毫伏，甚至更小，因此只要用几千欧的甚至更小，因此只要用几千欧的Re就可得到几十微安的就可得到几十微安的IC1用较小阻值的电阻获得较小用较小阻值的电阻获得较小的输出电流的输出电流此式是关于此式是关于IC1的超越方程，但实的超越方程，但实际设计时，际设计时，IC1和和IR是已知的只需求是已知的只需求解解R和和Re1的值。的值。加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源改进型电流源电路改进型电流源电路 减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流稳定输出电流 利用利用T2管的电流放大作用，管的电流放大作用，使得镜像电流源中原来基极电使得镜像电流源中原来基极电流流IB0和和IB1对基准电流对基准电流IR的分的分流，变成只有原分流的流，变成只有原分流的1/2，使使IC1和和IR可以保持良好的可以保持良好的镜镜像像关系关系威尔逊电流源威尔逊电流源T1管的作用与工作点稳定电路的管的作用与工作点稳定电路的Re相同。因为相同。因为c-e间等效电阻非常大，间等效电阻非常大，所以可以使所以可以使IC2高度稳定。高度稳定。UBE1=UBE0IB1=IB0IC2IE2 IC1 IC0 IR4.2.3 多路电流源电路多路电流源电路 集成运放是一个多级放大电路，需要多路电流源分别集成运放是一个多级放大电路，需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。利用一个基准电流去获得多给各级提供合适的静态电流。利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应个电路需要。个不同的输出电流，以适应个电路需要。下面是基于比例电流源的多路电流源。下面是基于比例电流源的多路电流源。IR为基准电流。为基准电流。UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re3IE0Re0IE1Re1IE2Re2IE3Re3当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻就可以得到所需电流。基于比例电流源的多路电流源基于比例电流源的多路电流源多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源T多为横向多为横向PNP型管。当基极电型管。当基极电流一定时，集电极电流之比等于流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。它们的集电区面积之比。ID正比于沟道宽长比正比于沟道宽长比S4.4 集成运放集成运放的性能指标及低频等效电路的性能指标及低频等效电路1 开环差模增益开环差模增益 Aod ：无外加反馈时的差模电压放大倍数。一般无外加反馈时的差模电压放大倍数。一般Aod在在105107之之间，即间，即100dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上以上2 共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Aod/Aoc)单位分贝单位分贝(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。3.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欧姆以上。欧姆以上。4.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，在输入端所加的补偿电压。是表征运放输入电压为零时，在输入端所加的补偿电压。是表征运放内部电路对称性的指标。值越小，对称性越好。内部电路对称性的指标。值越小，对称性越好。5.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表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IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。于衡量差分放大对管输入电流的大小。最大差模输入电压最大差模输入电压UIdmax使使PN结不发生反向击穿所允许的最大差模电压，大于此结不发生反向击穿所允许的最大差模电压，大于此值，输入级将损坏。值，输入级将损坏。7.最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmax 输入级正常放大差模信号时允许输入的最大共模信号输入级正常放大差模信号时允许输入的最大共模信号8 3dB带宽带宽 f H：使差模电压放大倍数在高频段下降使差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H 9.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：在大信号作用下输出电压在单位时间变化量的最大值。在大信号作用下输出电压在单位时间变化量的最大值。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为的表达式为 集成运放集成运放的低频等效电路的低频等效电路4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择按供电方式：按供电方式：双电源供电、单电源供电双电源供电、单电源供电按集成度分：按集成度分：单运放、双运放、四运放单运放、双运放、四运放按制造工艺：按制造工艺：双极型、双极型、CMOS型和型和BiMOS型型按工作原理分类：按工作原理分类：1 电压放大型：电压放大型：F007、F324、C14573等等2 电流放大型：电流放大型：LM3900 F19003 跨导型：将输入电压转化为输出电流跨导型：将输入电压转化为输出电流 LM3080 F30804 互阻型：将输入电流转化为输出电压互阻型：将输入电流转化为输出电压 AD8009 AD8011按可控性分类：按可控性分类：1可变增益运放：电压控制增益的放大电路可变增益运放：电压控制增益的放大电路 数字编码信号控制开环差模增益数字编码信号控制开环差模增益2 选通控制运放：输入为多通道，输出为一个通道，利用输选通控制运放：输入为多通道，输出为一个通道，利用输入逻辑信号的选通作用来确定电路对那个通道的输入信号进入逻辑信号的选通作用来确定电路对那个通道的输入信号进行放大。行放大。按性能指标分：按性能指标分：通用型、特殊型通用型、特殊型 特殊型：1 高阻型：测量放大、信号发生或采样保持电路 2 高速型：单位增益带宽和转换速率高 A/D转换 D/A转换、锁相环的视频放大电路 3 高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益等 对微弱信号的精密测量和运算，高精密仪器中 4 低功耗型：用于能源有严格限制的情况 集成运放的选择：集成运放的选择：1 信号源的性质根据信号源是电压源还是电流源，内阻大小、输入信号幅值及频率的变化范围等，选择运放的rid、-3dB带宽、转换速率SR等参数2 负载的性质根据负载电阻大小，确定所需运放的输出电压和输出电流幅值。3 精度要求根据精度要求选择运放的Aod、UIO、IIO、SR等参数4 环境条件根据环境温度变化范围，选择运放失调电压及失调电流的温漂dUIO/dT dIIO/dT4.6 集成运放的使用集成运放的使用1 外引线外引线(管脚管脚)：集成运放有金属壳封装和双列直插式封：集成运放有金属壳封装和双列直插式封装，使用前需查手册，认清各管脚，正确连线。管脚编装，使用前需查手册，认清各管脚，正确连线。管脚编号一般逆时针排列。号一般逆时针排列。2 2 参数测量：用简易测试法判断其好坏，对管脚测试有无参数测量：用简易测试法判断其好坏，对管脚测试有无短路、断路。短路、断路。(用万用表用万用表)3 3 调零或调整偏置电压：由于失调电压的存在，输入为零调零或调整偏置电压：由于失调电压的存在，输入为零时输出往往不为零，对内部无自动稳零措施的运放需外时输出往往不为零，对内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路；对单电源供电的运放，还需在输入加直流加调零电路；对单电源供电的运放，还需在输入加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正负偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正负两个方向的变化信号。两个方向的变化信号。4 4 消除自激振荡。加电容消除自激振荡。加电容5 5 必要的保护措施：必要的保护措施：内部都有补偿电容、部分产品内部有内部都有补偿电容、部分产品内部有稳零措施。稳零措施。输入保护措施输出保护电路电源端保护本章小结本章小结 1 1直流放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大直流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。因此，运算放大大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。器都使用差动放大器作为输入级。2 2电电流流源源电电路路是是构构成成运运放放的的基基本本单单元元电电路路，其其特特点点是是直直流流电电阻阻小小，而而交交流流电电阻阻很很大大。电电流流源源电电路路既既可可以以为为电电路路提提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集成运放的主要品种是集成运放的主要品种是BJT集成运放、集成运放、FET集成运放集成运放以及由这两种工艺结合而得到的以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和和BiCMOS集成集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的运放。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。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。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。况选择不同的运放模型。