模电04集成运放.ppt

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1、12集成电路简称集成电路简称 IC(Integrated Circuit)集成电路按其功能分集成电路按其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型模拟集成电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成高频放大器；集成中频放大器集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压器集成稳压器；集成数集成数/模和模模和模/数转换器等数转换器等4.1集成运算放大电路集成运算放大电路概述概述集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式 集成运算放大电路集成运算放大电

2、路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。路。因首先用于信号的运算，故而得名。3（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4 4）采

3、用复合管。）采用复合管。4.1.1 集成运放的特点集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。路。因首先用于信号的运算，故而得名。4.1集成运算放大电路集成运算放大电路概述概述4.1.2 集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若若将将集成运放看成为一个集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。的差分放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦

4、合放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。44.1.2 集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 集成运放可等效为一个双端集成运放可等效为一个双端 输入、单端输出的差分放大电路。输入、单端输出的差分放大电路。4.1.3 集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用输入级：输入级：输入级：输入级：前置级，采用差分放大电路。要求前置级，采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大，Ac小，输入端耐压高小，输入端耐压高.中间级：中间级：中间级：中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。主放大级，多采用共射放大电

5、路。要求有足够的放大能力。输出级：输出级：输出级：输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可小，最大不失真输出电压尽可能大。能大。偏置电路：偏置电路：偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路电流源电路。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=f(uP-uN)在线性区：在线性区：uOAod(uPuN)Aod是开环差模放大倍数是开环差模放大倍数 Aod高达几十万倍，集成运放工作在线性区时的最大高达几十万倍，集成运放工作在线性区时的最大

6、输入电压输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。非线非线性区性区UOM+UOM超过该值为超过该值为非线性区非线性区54.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路1.镜像电流源镜像电流源 在电流源电路中充分利用集成在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。运放中晶体管性能的一致性。基准电流基准电流为各级放大电路设置合适的静态工作点为各级放大电路设置合适的静态工作点T0 和和 T1 特特性完全相同性完全相同bec据据KVL据据KCL镜像关系镜像关系2.比例电流源比例电流源可提供与可提供与基准电流基准电流IR成比例的静态电流。成比例的静态电流。Re1

7、4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路Re0IE0IE1据据KVL由于由于(电流镜电流镜 Current Mirror)忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得两两个个三三极极管管的的集集电电极极电电流流之之比比近近似似与与发发射射极极电电阻阻的的阻阻值值成成反反比比，故称为比例电流源。故称为比例电流源。IC1可随可随Re0与与Re1的比值而改变的比值而改变。6T0 和和 T1 特特性完全相同性完全相同IE0IE1Re例例4.2.1 在镜像电流源的基础上接入电阻在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。引引入入Re使使 UBE UBE，且且 IC IC，Re 值值较小，亦可得到一个比较微小的输出电流较

8、小，亦可得到一个比较微小的输出电流 IC 3.微电流源微电流源据据KVL忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得求集电极电流求集电极电流基准电流基准电流微电流微电流用累试法求解用累试法求解镜像电流镜像电流7根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re34.2.3 多路电流源电路多路电流源电路 1.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2.2.多集电极管构成的多路电

9、流源多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个设三个集电区的面积分别为集电区的面积分别为S0、S1、S2，则则83.3.MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。MOS管的漏极电流正比于沟道管的漏极电流正比于沟道的宽长比。的宽长比。设宽长比设宽长比W/L=S，且，且T1T4的的宽长比分别为宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则，则基准电流基准电流4.2.4 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 1.有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路哪只管子为放大管？哪

10、只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h22?9（2）用于差分放大电路）用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？使单端输出电路的差使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍端输出时的差模放大倍数。数。静态：静态：动态：动态：4.1,4.34.610集成运放电路分析：集成运放电路分析：（1 1）了解用途：）了解用途：）了解用途：）了解用途：了解要

11、分析的电路的应用场合、用途和技术指标。了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2 2）化整为零：）化整为零：）化整为零：）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3 3）分析功能：）分析功能：）分析功能：）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4 4）统观整体：）统观整体：）统观整体：）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5 5）定量计算：）定量计算：）定量计算：）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的

12、主要参数。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。分析其原理和功能、性能分析其原理和功能、性能4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介4.3.1 双极性集成运放双极性集成运放F007电路分析电路分析 先找出偏置先找出偏置电路，再根据信电路，再根据信号流通顺序，将号流通顺序，将其分为输入级、其分为输入级、中间级和输出级中间级和输出级电路。电路。偏偏置置电电路路 若能够估算若能够估算出某一支路的电出某一支路的电流，则这个电流流，则这个电流往往是偏置电路往往是偏置电路中的基准电流。中的基准电流。基准电流基准电流微电流源微电流源镜像电流源镜像电流源镜像镜像 电流源电流源11双端输入、单端输出双端输

13、入、单端输出差分放大电路差分放大电路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路：三级放大电路：简化与分解电路简化与分解电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级12输入级的分析输入级的分析 T3、T4为为PNP型管，输入端耐压高。型管，输入端耐压高。共基形式共基形式频带宽。频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T()IC1 IC2IC8 IC9 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系因因IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC

14、2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出共集电路共集电路T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出共基电路共基电路双端输入、单端输出双端输入、单端输出差分放大电路差分放大电路共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。镜像电流源镜像电流源 T5、T6与与T7构成的电流源电路作为有源负载，构成的电流源电路作为有源负载，并将差模信号的输出电流倍增；并将差模信号的输出电流倍增；差模信号：差模信号：+抑制共模信号。抑制共模信号。共模信号：共模信号：特点：特点：输入电阻大、差模放大倍数大、输入电阻大、差模放大倍数大、共模放

15、大倍数小、输入端耐压高，共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对并完成电平转换（即对“地地”输出）。输出）。IC1IC813中间级的分析中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。中间级中间级输出级输出级输出级的分析：输出级的分析：D1和和D2起过流保护作用，未

16、过流时，起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。两只二极管均截止。iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，为导通，为T14基基极分流，从而保护极分流，从而保护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。电流采样电阻电流采样电阻特点：输出电阻小；特点：输出电阻小；最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高。iO14判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端接法接法输入输入输出输出相位关系相位关系共射共射bc反相反相共集共集be同相同相共基共基ec同相同相同相同相 输入端输入端反相反相 输入端输入端共集共集共基共基共射共射共射共射共射

17、共射共集共集共集共集15F007所具有的高性能所具有的高性能uAd较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强uAc较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强urid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小uro小：带负载能力强小：带负载能力强uUom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压u输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。uuIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压4.4集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数指标参数指标参数 F007F007典型值典型值典型值典型值

18、 理想值理想值理想值理想值 1.开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 2.差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 3.共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 4.UIO的温漂的温漂dUIO/dT()几几V/0 使输出电压等于零在使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。输入端加的补偿电压。5.输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 06.IIO的温漂的温漂dIIO/dT()几几nA/0 164.4集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数指标参数指标参数 F007F007典型值典型值典型值典型值 理想值理想值理想值理想值 1.开环差模增益开环差模增益 Aod 10

19、6dB 2.差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 3.共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 4.UIO的温漂的温漂dUIO/dT()几几V/05.输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 06.IIO的温漂的温漂dIIO/dT()几几nA/0 7.最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。8.最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V超过此值输入级差分管将损坏。超过此值输入级差分管将损坏。9.-3dB带宽带宽 fH 10Hz 上限截止频率。上限截止频率。为什么这么低？为什

20、么这么低？10.转换速率转换速率 SR 0.5V/S 对大对大信号的反应速度信号的反应速度174.5 集成运放的种类与使用集成运放的种类与使用按按工作原理工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按按性能指标分类性能指标分类高高高高 阻阻阻阻 型：型：型：型：rid，可高于可高于1012。用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。高高高高

21、 速速速速 型：型：型：型：fH和和SR高，高，fH可达可达1.7GHz，SR可达可达 103V/S。用于用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。转换电路、视频放大器。高精度型：高精度型：高精度型：高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增益，Aod高于高于105dB。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。低功耗型：低功耗型：低功耗型：低功耗型：工作电源电压低、静态功耗小，在工作电源电压低、静态功耗小，在100200W。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。高高高高 压压压压 型：型

22、：型：型：输出电压约输出电压约100V。大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器通常情况下用通常情况下用通用型通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。运放，特殊情况下才用专用型运放。4.5.1集成运放的种类集成运放的种类通通通通 用用用用 型：型：型：型：F007F007与与与与 741741是性能相近的通用型运放。是性能相近的通用型运放。是性能相近的通用型运放。是性能相近的通用型运放。作业：作业：4.1,4.34.64.2,自测题自测题一、二一、二18

23、讨论一讨论一根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。已知现有集成运放的类型是：已知现有集成运放的类型是：通用型通用型 高阻型高阻型 高速型高速型 低功耗型低功耗型 高压型高压型 大功率型大功率型 高精度型高精度型1.作低频放大器，应选用作低频放大器，应选用 。2.作宽频带放大器，应选用作宽频带放大器，应选用 。3.作幅值为作幅值为1V以下微弱信号的量测放大器，应选用以下微弱信号的量测放大器，应选用 。4.作内阻为作内阻为10M信号源的放大器，应选用信号源的放大器，应选用 。5.负载需负载需5A电流驱动的放大器，应选用电流驱动的放大器，

24、应选用 。6.要求输出电压幅值为要求输出电压幅值为80的放大器，应选用的放大器，应选用 。7.宇航仪器中所用的放大器，应选用宇航仪器中所用的放大器，应选用 。19讨论二1.输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？2.中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3.如何消除交越失真？如何消除交越失真？4.uI1、uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端增

25、大第二级的增大第二级的负载电阻负载电阻超超管管204.5.2集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题1.不能调零不能调零调零电位器故障；调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞堵塞”现象现象原因原因2.漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零

26、电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因213.产生自激振荡产生自激振荡消振消振措施措施按规定部位和参数接入校正网络按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错防止反馈极性接错避免负反馈过强避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大合理安排接线，防止杂散电容过大2.漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因224.5.3集成运放的保护集成运放的保护1.输入保护输入保护(a)反相输入保护反相输入保护(b)同相输入保护同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI保护元件保护元件保护元件保护元件uO+AR1RFVD1VD2uI保护元件保护元件2.电源极性错接保护电源极性错接保护保护元件：保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护输出端错接保护保护元件：保护元件：稳压管稳压管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI2325