模电课件第四章集成运算放大电路.ppt

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1、第四章第四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一、集成运放的电路结构特点一、集成运放的电路结构特点集成运算放大电路：高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。集成运算放大电路：高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。2022/12/31模电课件二、集成运放的电路组成二、集成运放的电路组成1、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用用CC-CB复合管，以便拓展通频带。复合管，以便拓展通频带。2

2、、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。放大倍数。2022/12/31模电课件二、集成运放的电路组成二、集成运放的电路组成3、输出级：双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，、输出级：双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真，通常会给输出围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真

3、，通常会给输出管提供适当的偏置电流。管提供适当的偏置电流。4、偏置电路：运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置、偏置电路：运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。2022/12/31模电课件三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性是开环时，集成运放的电压传输特性是开环时，uo与与uP uN之间之间关系。关系。集成运放有两个输入端，一个输出端。当集成运放有两个输入端，

4、一个输出端。当uP为正时，为正时，uo为正，称为正，称uP为为“同相输入端同相输入端”，当，当uN为正时，为正时，uo为为负，称负，称uN为为“反相输入端反相输入端”。即：即：式中式中Aod为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。为净输入电压，即差模输入电压为净输入电压，即差模输入电压,集成运放符号集成运放符号2022/12/31模电课件所以线性区很窄。所以线性区很窄。uo的最大值的最大值 Uom=10V。电压传输特性电压传输特性2022/12/31模电课件4.2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路集成运放中的集成运放中的电流源由晶体管或

5、场效应管组成，其作用：电流源由晶体管或场效应管组成，其作用：1、为各级放大器提供合适的静态工作点；、为各级放大器提供合适的静态工作点；2、代替大电阻，以提高放大电路的放大能力。、代替大电阻，以提高放大电路的放大能力。2022/12/31模电课件一、基本电流源电路一、基本电流源电路1、镜像电流源、镜像电流源由基极输入回路得由基极输入回路得，所以，所以，当当时，时，。当当与与特性参数完全一致时，由特性参数完全一致时，由可推得可推得IoIO和和IR呈镜像关系，此电路称为镜像电流源。呈镜像关系，此电路称为镜像电流源。晶体管晶体管是基准管，它的是基准管，它的，工作在放大状态。工作在放大状态。基准电流基准

6、电流输出电流输出电流2022/12/31模电课件恒流输出管恒流输出管的交流通路如图的交流通路如图(b)所示，将晶体管用微变等效所示，将晶体管用微变等效模型替代后的电路模型如图模型替代后的电路模型如图(c)，显然，恒流源的内阻，显然，恒流源的内阻2022/12/31模电课件2、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图所示。、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图所示。以基准管的集电极面积为基准，以基准管的集电极面积为基准，可得到一组与集电极面积成正可得到一组与集电极面积成正比的多个恒流源比的多个恒流源。（1）多路电流源电路）多路电流源电路2022/12/31模电课件（2）加射极输出器的电流源）

7、加射极输出器的电流源T T0 0,T T1 1和和T T2 2特性完全相同。由于特性完全相同。由于U UBE0BE0 =U UBE1BE1，所以所以I IB0 B0=I IB1B1=I IB B。增加增加管可以进一步减少恒流输管可以进一步减少恒流输出出与基准电流与基准电流之间的差值。之间的差值。IR怎么算？怎么算？2022/12/31模电课件二二.威尔逊恒流源电路，试计算恒流输出值。威尔逊恒流源电路，试计算恒流输出值。ICIE3ICIR整理后可得整理后可得Io更加稳定更加稳定IR怎么算？怎么算？2022/12/31模电课件三、微电流源三、微电流源晶体管晶体管是基准管，它的是基准管，它的，工作在

8、放大状态。工作在放大状态。T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为：管发射极电流与发射极电压之间的关系为：T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为：管发射极电流与发射极电压之间的关系为：由基极回路方程得：由基极回路方程得：2022/12/31模电课件将式（将式（1）,式（式（2）代入式（）代入式（3），同时考虑），同时考虑IC0 IE0IC1 IE1若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个电阻电阻R，但此时电阻阻值要求为：，但此时电阻阻值要求为：此阻值远大于微电源电路中电阻此阻值远大于微电源电路中电阻R与与Re之和，意味着

9、需要占用之和，意味着需要占用更多的芯片面积。更多的芯片面积。基准输出例，当电源电压等于例，当电源电压等于+15V，若要产生若要产生的恒流源，试确定电阻的恒流源，试确定电阻R1的值。的值。将参数代入式（将参数代入式（4）可得）可得2022/12/31模电课件例题：例题：求图示电路各管的集电极电流。它们的求图示电路各管的集电极电流。它们的均为均为5，它们它们b-e间的电压值约为间的电压值约为0.7V。解：解：先求基准电流先求基准电流，R5上的电流为上的电流为基准电流。基准电流。T10与与T11构成微电流源：构成微电流源：T12与与T13构成镜像电流源：构成镜像电流源：2022/12/31模电课件集

10、成运放和分立元件放大集成运放和分立元件放大电路在路在电路路结构上有何不同考构上有何不同考虑？【解答解答过程程】：1组成放大成放大电路的器件或原材料。路的器件或原材料。图1是典型分立（或离散）元器件构成的放大是典型分立（或离散）元器件构成的放大电路原理路原理图构成这类放大电路的主要元器件有三极管（场效应管）、电阻、构成这类放大电路的主要元器件有三极管（场效应管）、电阻、电解电容（耦合或旁路用）等。电解电容（耦合或旁路用）等。图12022/12/31模电课件图图2是是uA741运算放大电路的原理图，其中的电阻、电容和晶体管运算放大电路的原理图，其中的电阻、电容和晶体管全部由单晶硅材料制作。全部由单

11、晶硅材料制作。图22022/12/31模电课件2静态偏置电路设计静态偏置电路设计分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜，成本远低于三极管。因此，分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器形式。而集成运放由于制作工艺的特点，制作一个大电阻所需的硅制作一个大电阻所需的硅芯片面积要远高于制作晶体管的面积芯片面积要远高于制作晶体管的面积。因此，在集成放大电路中会在集成放大电路中会尽量少用电阻尽量少用电阻，一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。分立元件放大电路中常用的大容量（大于1）电容通常是铝质电解电容，小容量电容有瓷片电容等，成本一般都较低。设计时可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直

12、流隔直作用(图1中的C1，C2)。而集成运放中，利用而集成运放中，利用PN结电容效应很难制作出容量稍结电容效应很难制作出容量稍大的电容。大的电容。由于制造工艺的限制，分立元件放大电路中不同三极管特性参数的离散性很大，例如，即使同一批次三极管的放大倍数可能在200400之间，设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。因此，集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路晶体管设计恒流源偏置电路。集电极负载也不采用电阻，而是采用恒流源作为负载集电极负载也不采用电阻，而是采用恒流源作为负载。2022/12/31模电课件3级间耦合设计级间耦合设计放大电路的主要性能

13、指标有：电压放大倍数，电流放大倍数，输入电阻，输出电阻和通频带等。不同组态的单级放大电路的的指标特性如表1。单级放大电路由于不能同时满足上述四个指标，因而必须采用多级级联放大。级间耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。由于电解电容成本不高电解电容成本不高，在分立放大电路中级间常采用阻容耦合，这样可减少各级之间静态工作点的相互影响。在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十只能制作小容量（几十pF）电容）电容，不能制作大容量电解电容，级间通常采用直接耦合级间通常采用直接耦合。2022/12/31模电课件四、以电流源为有源负载的放大电路四、以电流源为有源负载的放大电路1、有源负载共射放大电路

14、、有源负载共射放大电路在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数，常用电流源电路取代倍数，常用电流源电路取代Rc（或（或Rd），这样在电源电压不变），这样在电源电压不变的情况下，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效的的情况下，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效的Rc（或（或Rd）。）。这是一个共发射极放大电这是一个共发射极放大电路。以前在路。以前在Vcc和和T1之间接之间接Rc。现在由电流源代替。现在由电流源代替。T2、T3和和R组成组成镜像镜像电流源电流源。只要确定。只要确定R，IR就确定。就确定。Ic2就确定。

15、就确定。因此可以提供合适的因此可以提供合适的静态偏置。静态偏置。基准电流基准电流输出电流输出电流2022/12/31模电课件这个集电极负载叫做有源负载这个集电极负载叫做有源负载（有电源才能工作），电流源（有电源才能工作），电流源动态电阻等于动态电阻等于 uCE2/ic2,为无穷为无穷大。大。对于共射极放大电路对于共射极放大电路Rc用有源负载代替，提高了用有源负载代替，提高了放大倍数。放大倍数。2022/12/31模电课件2022/12/31模电课件运算放大器的读图过程如下：运算放大器的读图过程如下：（1）运放电路结构分解运放电路结构分解根据运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、根据

16、运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、基准电流源等四个基本部分。基准电流源等四个基本部分。（2）基准电流分析基准电流分析运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参考电流考电流IR。（3）静态偏置分析静态偏置分析在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供放大用晶体管的静态偏置。放大用晶体管的静态偏置。将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得

17、到等效直流通路，将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各级直流偏置。用于分析各级直流偏置。（4）交流分析交流分析运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加功能电路，功能电路，如交越失真补偿电路等，如交越失真补偿电路等，这些电路通常并不影响放大电这些电路通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交流分析。可以方便交流分析。2022/12/31模电课件得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，

18、就可以计算放大电路的动态指标。计算放大电路的动态指标。（1）运放电路的结构分解运放电路的结构分解输入级是一个差动放大电路，主要由输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3（共集（共集-共基组合）共基组合）和和T2、T4组成。中间放大级由组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集组成共集共射电路；共射电路；输出级由输出级由T14、T18、T19组成互补输出电路。组成互补输出电路。（2）基准电流分析基准电流分析T12、R5、T11组成运放的基准电流源组成运放的基准电流源,流过流过R5的基准电流为的基准电流为2022/12/31模电课件（3）静态偏置分析静态偏置分析T10与与T11构成微镜像电

19、流源，一方面给构成微镜像电流源，一方面给T3、T4的基极提供的基极提供偏置，另一方面由偏置，另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的的集电极提供恒流偏置，同时作为集电极提供恒流偏置，同时作为T1、T2的恒流负载。的恒流负载。T13与与T12构成镜像电流源。构成镜像电流源。T13一方面给一方面给T17提供偏置电流，提供偏置电流，同时作为同时作为T17的有源负载。的有源负载。将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流直流通路通路如图如图3所示。所示。图32022/12/31模电课件（4）交流分析交

20、流分析差分输入级中的差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度镜像电流源作为差管构成高精度镜像电流源作为差分电路的有源负载。分电路的有源负载。输出级中的输出级中的R7,R8,T15组成倍增电路（组成倍增电路（交流短路交流短路），），给互补输出管给互补输出管T14，T18,T19提供静态偏置，以消除交越越失真。提供静态偏置，以消除交越越失真。同相，反相同相，反相电压放大级：复合管电压放大级：复合管T16，T17，有源负载，有源负载IC13。2022/12/31模电课件4.4 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1、输入失调电压Uio输入电压为输入电压为0时，将

21、输出电压除以电压增益，即为折算到输入端时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。的失调电压。Uio越小，电路对称性越好。越小，电路对称性越好。2、输入失调电流Iio输入电压为输入电压为0时，差分输入级差分对管基极电流之差。时，差分输入级差分对管基极电流之差。用于表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。3、输入偏置电流IIB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。入电流的大小。4、输入失调电压温漂dUio/dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量在规定工作温度范

22、围内，输入失调电压随温度的变化量dUio与与温度变化量温度变化量dT之比。之比。5、输入失调电流温漂dIio/dT在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量dUio与与温度变化量温度变化量dT之比。之比。2022/12/31模电课件6、最大差模输入电压Uidmax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，差分管将反向击穿。分管将反向击穿。8、开环差模增益开环差模增益Aod运放在无反馈条件下，输出电压变化量与输入电压变化量之比。运放在无反馈条件下，输出电压变化量与输入电压变化量之

23、比。9、差模输入电阻差模输入电阻rid输入差模信号时，运放的输入电阻。输入差模信号时，运放的输入电阻。10、共模抑制比共模抑制比KCMR7、最大共模输入电压Uicmax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，输入差分对管饱和电压超过此值，输入差分对管饱和。或或极极限限参参数数2022/12/31模电课件11、3dB带宽fH运放的运放的Aod不是不变的，运放不是不变的，运放Aod在高频段下降在高频段下降3dB(即下降到即下降到约约0.707倍倍)所对应的频率。所对应的频率。12、单位增益带宽fCf增大，运放增大，运

24、放Aod下降下降,当当Aod下降到下降到1所对应的所对应的f。3dB2022/12/31模电课件4.6集成运放的使用集成运放的使用使用集成运算放大器应该注意的几个问题使用集成运算放大器应该注意的几个问题1）调零调零由由于于集集成成运运算算放放大大器器的的内内部部电电路路参参数数不不可可能能完完全全对对称称，因因此此使使电电路路不不能能达达到到零零入入零零出出,通通常常的的做做法法是是外外接接调调零零电电阻阻。脚脚和和脚脚是是差差动动输输入入级级的的外外接接调调零零电电阻阻管管脚脚，脚脚为为负负电电源源端端。在在输输入入信信号号为为零零,调调节节Rp可可使使输输出出电压为零。电压为零。2022/

25、12/31模电课件2）保护保护当当集集成成运运算算放放大大器器输输入入端端的的差差模模或或共共模模输输入入电电压压信信号号过过大大时时，会会使使输输入入级级晶晶体体管管的的PN结结击击穿穿或或饱饱和和。所所以以可可在在集集成成运运放放的的两两个个输输入入端端之之间接入反向并联的二极管，间接入反向并联的二极管，如图所示。如图所示。2022/12/31模电课件为为防防止止将将集集成成运运算算放放大大器器的的正正负负电电源源极极性性接接反反，可可利利用用图图示示的的电电路路来来保保护护。如如果果电电源源极极性性接接错错，二二极极管管将将处处于于截截止止状状态态将将电电源源电电压压隔隔断断，从从而而起到保护集成运放的作用。起到保护集成运放的作用。运放原理复杂，但使用简单。运放原理复杂，但使用简单。如果如果+Vcc处接成负处接成负电源，电源，VD1就截止。就截止。2022/12/31模电课件