电子技术基础第五章集成运算放大器.ppt

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1、第五章 集成运算放大器第一节 概述引言引言集成电路集成电路 采用硅平面制造工艺，将二极管、三极管、电阻、电容等采用硅平面制造工艺，将二极管、三极管、电阻、电容等元器件以及它们之间的连线同时制造在一小块半导体基片上，元器件以及它们之间的连线同时制造在一小块半导体基片上，并封装在一个外壳内，并封装在一个外壳内，构成具有特定功能的构成具有特定功能的电路和系统。电路和系统。高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合的集成的具高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合的集成的具有很高电压放大倍数的多级放大电路。有很高电压放大倍数的多级放大电路。（1 1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实）元

2、器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。现需要对称结构的电路。（2 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，在在毫毫瓦以下。瓦以下。（3 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 4）只只能能制制作作几几十十pFpF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都采采用用直接耦合方式。如需大电容，只能外接。直接耦合方式。如需大电容，只能外接。（5 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。（6 6）一般

3、无二极管，）一般无二极管，用三极管代替用三极管代替(B(B、C C 极接在一起极接在一起)。集成运算放大器集成运算放大器集成电路的工艺特点集成电路的工艺特点集成运放的组成：输入级集成运放的组成：输入级 输输入入级级通通常常要要求求有有尽尽可可能能低低的的零零点点漂漂移移，较较高高的的共共模模抑抑制制能能力力，输输入入阻阻抗抗高高及及偏偏置置电电流流小小，因因此此一一般般采采用用差差分分放大电路。放大电路。中中间间级级主主要要承承担担电电压压放放大大的的任任务务，多多采采用用共共射射或或共共源源放放大大电电路路。为为了了提提高高电电压压放放大大倍倍数数，经经常常采采用用复复合合管管做做放大管，放

4、大管，用恒流源做有源负载。用恒流源做有源负载。集成运放的组成：中间级集成运放的组成：中间级 输输出出级级要要求求具具有有一一定定的的带带负负载载能能力力（即即输输出出电电阻阻小小）和和一一定定的的输输出出电电压压及及电电流流动动态态范范围围。因因此此输输出出级级多多采采用用射射极输出器、极输出器、互补对称电路。互补对称电路。集成运放的组成集成运放的组成：输出级：输出级 偏偏置置电电路路用用于于设设置置集集成成运运放放各各级级放放大大电电路路的的静静态态工工作作点点。一一般般采采用用镜镜像像电电流流源源，以以及及由由其其演演变变而而成成的的微微电电流流源、多路输出电流源等。源、多路输出电流源等。

5、集成运放的组成：集成运放的组成：偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入级输入级T1、T3 和和 T2、T4简化电路简化电路偏置电路偏置电路T5、T6有源负载有源负载中间级中间级T7、T8输出级输出级T11 T13甲乙类互补对称甲乙类互补对称功率放大电路功率放大电路(OCL)采用单电源采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为时，输入端静态电位应为 VCC。复合管，共发射极复合管，共发射极具有高增益具有高增益1.直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号#为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运为什么一般的集成运算放大器都要采用直接算放大器都

6、要采用直接算放大器都要采用直接算放大器都要采用直接耦合方式？耦合方式？耦合方式？耦合方式？2.直接耦合放大电路的零点漂移直接耦合放大电路的零点漂移零漂零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。主要原因主要原因：温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。Q点位置随着温度的上升和下降而移动，从另一个点位置随着温度的上升和下降而移动，从另一个角度来看：可以认为角度来看：可以认为Q点没有动，而产生了一个缓慢变化的交流点没有动，而产生了一个缓慢变化的交流 信号。这种信号又因为是直信号。这种信号又因为是直接耦合方式而被逐级放大。接耦合方式而被逐级放大。电源电

7、压波动也是原因之一电源电压波动也是原因之一温漂指标温漂指标：温度每升高温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。压值。例例若第一级漂移若第一级漂移100 uV（已折合到输入端）（已折合到输入端），则输出漂移则输出漂移 1 V。若第二级也漂移若第二级也漂移100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设第一级是关键第一级是关键3.减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 采用恒温环境。采用恒温环境。采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂移漂移 100 uV漂移漂移

8、 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+10 mV漂移漂移 1 V+10 mV第二节第二节 差分式放大电路差分式放大电路一、长尾差分式放大电路一、长尾差分式放大电路 由两个结构完全对称的由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极共射电路组成，通过射极公共电阻公共电阻R Reeee耦合构成。耦合构成。1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。uid1=-uid2 uid=uid1-uid2差模信号和共

9、模信号差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。共模信号：人为引入的一个信号，不是要放大的，而是用来描述零漂的大小。直接描述、测量零漂很麻烦，要先后测量两种不同的环境温度下的静态工作点，求取它们的差值。从另外一个角度：在同样的环境温度下，在输入端施加共模信号，测量输出端的信号，求取共模放大倍数。1.静态分析静态分析直流通路直流通路由于电路结构对称，管子由于电路结构对称，管子特性一致。特性一致。IB1=IB2=IBIC1=IC2=ICVC1=VC2=VC 2.差模交流信号差模交流信号分析分析:2.差模交流信号差模交流信号分析分析:画出对画出对差模交流信号的交流通路差模交流信号的交流通路理想

10、的直流电压源短路差模输入差模输入双端输出关键是此处对Ree的处理。在以前画交流通路时，线性电阻在交流通路中保留，阻值为线性电阻的交流电阻，因为是线性的，所以交流电阻与直流电阻相等。某瞬间的真实方向某瞬间的真实方向uid1=-uid2Ree上交流压降为上交流压降为0。因此，画因此，画差模交流信号差模交流信号交流通路时，交流通路时，Ree可视为短路，可视为短路，即两管的发射极直接接地。即两管的发射极直接接地。由由uc1=-uc2可知可知RL两端电位一端为正，一端为负，两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应的中点应是地电位，是地电位，即每管对地的负载电阻为即每管对地的负载电阻为RL/2.uid=u

11、id1-uid2参考方向参考方向求差模电压放大倍数画差模交流信号的小信号等效电路2.1.2 求差模输入电阻Rid=2(Rb+rbe)画求输入电阻的电路2.1.3 求差模输出电阻Rod 2 Rc画求输出电阻的电路2.2 差模输入单端输出差模输入单端输出(a)差模输入差模输入单端输出单端输出(注意从哪边输出，左边注意从哪边输出，左边)求差模电压放大倍数交流通路差模输入单端输出小信号等效电路如果从如果从T2的集电极输出交流信号的话，输出电压信号与输入电的集电极输出交流信号的话，输出电压信号与输入电压信号同相。压信号同相。2.2.2 求差模输入电阻Rid=2(Rb+rbe)画求输入电阻的电路2.2.3

12、 求差模输入电阻画求输出电阻的电路Rod Rc3.共模交流信号共模交流信号分析分析:(a)双端输出双端输出因为电路完全对称，所以双端输出时共模放大倍数为0。3.共模交流信号共模交流信号分析分析:（1）单端输出电压增益：）单端输出电压增益：从左边输出和从右边输出完全相同从左边输出和从右边输出完全相同(b)单端输出单端输出画交流通路时，单管射极电阻应为画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。输入电阻输入电阻共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR衡量差放的一个重要指标。衡量差放的一个重要指标。或或双端输出双端输出单端输出单端输出Ree的共模负反馈作用Ree值越大，共模负反馈作用越强Ree对差模信号短路

13、，没有任何作用Ree值太大，要求直流电压源越大，不现实因此采用恒流源电路4 4 对任意信号的分析方法对任意信号的分析方法ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2uic=(ui1+ui2)/2uid=ui1-ui2uid1=-uid2=uid/2差模电压放大倍数 共模电压放大倍数 总输出电压 ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2例例：ui1=10mV ui2=8mVuic=(ui1+ui2)/2=9mVuid=(ui1-ui2)=2mVui1=uic1+uid1=9+1ui2=uic2+uid2=9-1输出信号与输入信号相位关系的分析单端输入单端输出单端输入双端输出双

14、端输入双端输出双端输入单端输出二、二、恒流源差分放大电路恒流源差分放大电路（一）静态分析（一）静态分析（二）对差模交流信号的分析（二）对差模交流信号的分析（三）对共模交流信号的分析（三）对共模交流信号的分析共模放大倍数为0。通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数1.输入失调电压输入失调电压VIO2.输入偏置电流输入偏置电流IIB3.输入失调电流输入失调电流IIO4.温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO/T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO/T5.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidma

15、x6.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax7.最大输出电流最大输出电流Iomax集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数8.开环差模电压增益开环差模电压增益AVO9.开环带宽开环带宽BW(fH)10.单位增益带宽单位增益带宽 BWG(fT)11.转换速率转换速率SR通用型高输入阻抗型高精度(低漂移型)高速型和宽带型低功耗型高压型功率型 为满足实际使用中对集成为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性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运放外，发展了适应不同需要放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在的专用型集成运放。它们在某

16、些技术指标上比较突出。某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要标可以对其进行分类，主要有通用、高输入阻抗、高精有通用、高输入阻抗、高精度、高速、低功耗和高压型度、高速、低功耗和高压型等几种。等几种。专用型集成电路运算放大器专用型集成电路运算放大器通 用 型 通用型运算放大器的技术指标比较通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用几代的演变，早期的通用型运放已很型运放已很少使用了。以典型的通用型运放少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压为

17、例，输入失调电压12mV、输入失调电流、输入失调电流20nA、差模输入、差模输入电阻电阻2M，开环增益，开环增益100dB、共模抑制、共模抑制比比90dB、输出电阻、输出电阻75、共模输入电压、共模输入电压范围范围 13V、转换速率、转换速率 s。高输入阻抗型 广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反保持放大器、对数和反对数放大器、模数和数模转换器。对数放大器、模数和数模转换器。例如：例如：LF356、LF355、LF347 全全MOSFET的的CA3130 更小偏置电流的有更小偏置电流的有AD5

18、15、LF0052 高精度(低漂移型）一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。仪表中。例如：例如：AD508、OP-27 ICL7650 高速型和宽带型 用于宽频带放大器，高速用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益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，用于小信号放带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重大时，可注重fH或或fc，用于高速大信号放大时，用于高速大信号放大时，同时还应注重同时还应注重SR。例如：。例如：AD9618 LH0032低功耗型 一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、空一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工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。作电流微弱。例如：例如：ICL7641 CA3078 功 率 型 这种运放的输出功率可达这种运放的输出功率可达1W以上，输出电以上，输出电流可达几个安培以上。流可达几个安培以上。例如：例如：LM12 TP1465 运算放大器图片运算放大器图片 运算放大器图片运算放大器图片