模电第五章集成运算放大电路.ppt

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1、第五章第五章集成运算放大电路集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点5.2集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分5.3集成运放的典型电路集成运放的典型电路5.4集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标5.5理想运算放大器理想运算放大器5.6各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点5.7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5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点集成电路简称集成电路简称 IC(Integrated Circuit)集成电路按集成电路按其功能分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模拟集成电路类型电路类

2、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；集成中频放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数器；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形图图 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特点：集成运算放大电路特点：1.参数对称性好，适用于构成差分放大电路。参数对称性好，适用于构成差分放大电路。2.集集成成电电路路中中电电阻阻，其其阻阻值值范范围围一一般般在在几几十十欧欧到到几几十十千千欧欧

3、之之间间，如如需需高高阻阻值值电电阻阻时时，一一般般用用三三极极管管有有源源元元件件代代替或采用外接。替或采用外接。3.几几十十PF以以下下的的小小电电容容用用PN结结的的结结电电容容构构成成，大大电容要外接。电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。5.在在芯芯片片上上制制作作比比较较大大的的电电容容和和电电感感非非常常困困难难，电电路通常采用直接耦合电路方式。路通常采用直接耦合电路方式。5.2集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分实实质质上上是是一一个个具具有有高高放放大大倍倍数数的的多多级级直直接接耦耦合合放放大大电路。电路。图图 集成运算的基

4、本组成集成运算的基本组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级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偏置电路偏置电路 输入级：输入级：对整个运放的性能指标影响较大，通常采对整个运放的性能指标影响较大，通常采用差分放大器以减小零点漂移。用差分放大器以减小零点漂移。中间级：中间级：主要完成电压放大任务，要求有高的电压主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。输出级：输出级：为了进行功率放大，以驱动负载工作，一为了进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用互补对称的功率放大电路。般采用互补对称的功率放大电路。偏

5、偏置置电电路路：向向各各放放大大级级提提供供合合适适的的偏偏置置电电流流，确确定定各级静态工作点。各级静态工作点。一、镜像电流源一、镜像电流源(电流镜电流镜 Current Mirror)+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基准电流基准电流由由于于 UBE1=UBE2，VT1与与 VT2 参数基本相同，则参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以所以当满足当满足 2 时，则时，则图图 偏置电路偏置电路特点：特点：电路结构简单电路结构简单具有温度补偿作用具有温度补偿作用+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UB

6、E1UBE2二、比例电流源二、比例电流源+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2由图可得由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，则，则忽略基极电流，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值成反比，故称为比例电流源。阻值成反比，故称为比例电流源。图图 比例电流源比例电流源+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2缺点：缺点：1.变化，变化，也变化。也变化。2.难以获得微安级的偏置电流。难以获得

7、微安级的偏置电流。特点：特点：电路结构简单电路结构简单温度补偿作用更好（温度补偿作用更好（）三、微电流源三、微电流源 在在镜镜像像电电流流源源的的基基础础上上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe 引引入入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 IC1，即即在在 Re 值值不不大大的的情情况况下下，得得到到一一个个比比较较小的输出电流小的输出电流 IC2。图图 5.3.4 微电流源微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re具体估算具体估算因二极管方程因二极管方程 若若 IC1和和 IC2 已知，可求出已知，可求出 Re。图图 微电

8、流源微电流源特点：特点：引入了引入了 提高了恒流源对电源提高了恒流源对电源变化的稳定性变化的稳定性 提高了恒流源对温度提高了恒流源对温度变化的稳定性变化的稳定性+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re特点：特点：引入了引入了 提高了恒流源对电源提高了恒流源对电源变化的稳定性变化的稳定性 提高了恒流源对温度提高了恒流源对温度变化的稳定性变化的稳定性特点：特点：引入了引入了 提高了恒流源对电源提高了恒流源对电源变化的稳定性变化的稳定性 提高了恒流源对温度提高了恒流源对温度变化的稳定性变化的稳定性-VEEVT11VT10IC10IC11R4+VCCR5IREFVT12VT13IC13例题

9、例题（P184）练习：练习：P217 5-1 5-3作业：作业：P217 5-4 5-5差分放大输入级差分放大输入级 因因为为集集成成运运放放实实质质上上是是一一个个具具有有高高放放大大倍倍数数的的多多级级直直接接耦耦合合放放大大电电路路，输输入入级级的的性性能能对对于于整整个个运运放放的的性性能能的的影影响响至至关关重重要要，因因此此，集集成成运运放放输输入入级级大大都都采采用用差差分放大电路的形式，以克服温度带来的零点漂移。分放大电路的形式，以克服温度带来的零点漂移。电路形式电路形式基本形式基本形式长尾式长尾式恒流源式恒流源式一、基本形式差分放大电路一、基本形式差分放大电路+VCCRc2V

10、T1VT2Rb2Rc1Rb1uI1+uoR1R2uI2工作原理：工作原理：1.静态分析静态分析理想情况下，电路完全对称。理想情况下，电路完全对称。当输入电压等于零时，当输入电压等于零时，UCQ1=UCQ2UO=0 当温度变化时，两管集电极电流和集电极电位当温度变化时，两管集电极电流和集电极电位会发生相同的变化，所以输出电压也为零，零点漂会发生相同的变化，所以输出电压也为零，零点漂移就会互相抵消。移就会互相抵消。+VCCRc2VT1VT2Rb2Rc1Rb1uI1+uoR1R2uI22.动态分析动态分析加上输入信号，加上输入信号，有三种信号输入有三种信号输入方式。方式。（1）差模输入信号）差模输入

11、信号如如果果两两个个输输入入电电压压大大小小相相等等，极极性性相相反反，称称为为差模输入电压差模输入电压(用符号用符号 uId 表示表示)。差模信号一般是有用的信号，是要放大的信号。差模信号一般是有用的信号，是要放大的信号。（2）共模输入信号）共模输入信号如如果果两两个个输输入入电电压压大大小小相相等等，极极性性相相同同，称称为为共模输入电压共模输入电压(用符号用符号 uIc 表示表示)。差差动动放放大大电电路路的的零零点点漂漂移移可可以以看看成成是是一一对对共共模模信信号号。共模信号是无用信号，是放大电路应该抑制的。共模信号是无用信号，是放大电路应该抑制的。（3）任意输入信号任意输入信号:分

12、解：分解：差模分量差模分量共模分量共模分量叠加：叠加：例：例：所以：所以：则：则：3.电压放大倍数电压放大倍数在差模信号作用下：在差模信号作用下：差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uId+uoR1R2+VCCRcVT1VT2RbRcRb+uIc+uoRR共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：希望：希望：Ac 愈愈小愈好，而小愈好，而Ad 愈愈大愈好。大愈好。图图 共模输入电压共模输入电压理想情况下，理想情况下，共模抑制比：共模抑制比：共模抑制比共模抑制比 KCMR(1)KCMR 描描述述差差分分放放大大电电路路对对零零点点漂漂移移的的抑抑制制能能

13、力力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；愈大，抑制零漂能力愈强；(2)理理想想情情况况下下，电电路路参参数数完完全全对对称称，Ac=0，KCMR=。(3)基基本本形形式式差差放放的的单单边边输输出出的的零零点点漂漂移移丝丝毫毫没没有有改改善。善。（4）存在的问题及改进的方案）存在的问题及改进的方案 以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种放大电路一样，对零漂毫无抑制能

14、力，而这种“单端输出单端输出”方式的形方式的形式又是经常采用的。式又是经常采用的。稳定静态工作点，就是要减小稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样的变化，而抑制零点漂移也同样是减小是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。在上图电路中，在上图电路中，RE 越大越大，则，则工作点越稳定工作点越稳

15、定，零点漂移零点漂移也越小也越小。但。但RE 太大，在一定的工作电流下，太大，在一定的工作电流下，RE上的压降上的压降太大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工太大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作电流和动态范围，而作电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源又希望取得大些，常采用双电源供电，用电源供电，用电源VEE提供提供RE上所需的电压。采用双电源供电上所需的电压。采用双电源供电后，输出电压的动态范围大多了。后，输出电压的动态范围大多了。二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。可减小每个管子输出端的温漂。1.电路组成电路组成+V

16、CC (1)Re 称为称为“长尾电阻长尾电阻”,作用是引入作用是引入共模负反馈共模负反馈。对。对差模信号无负反馈。差模信号无负反馈。(2)Re 愈愈大大，Ac 愈愈小小。每个管子的零漂愈小。每个管子的零漂愈小。图图 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 (3)Re 愈愈大大，其其上上的的直直流流压压降降越越大。引入大。引入VEE来补偿。来补偿。RcVT1VT2Rc+uoRR-VEEReuI2uI12.静态分析静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc+uId+uoRR-VEERe当当 uId=0 时，由于电路结构对称，故：时，由于电路结构对称，故：IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=I

17、CQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQIBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则则ICQ IBQ(对地对地)图图 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路3.动态分析动态分析（交流通路）（交流通路）RcVT1VT2Rc+uoRR uI1 uI2则则同理同理图图 长尾式差分放大长尾式差分放大电路的交流通路电路的交流通路输出电压为输出电压为差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为RcVT1VT2Rc+uoRR uI1 uI2图接有调零电位器的长尾差分电路图接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI

18、2RWVEE+VCCRe例题例题P190交流通路交流通路三、恒流源式差分放大电路三、恒流源式差分放大电路 用用三三极极管管代代替替“长长尾尾式式”电电路路的的长长尾尾电电阻阻，即即构构成成恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.电路组成电路组成VT3：恒流管：恒流管作用：作用：能能使使 iC1、iC2基基本本上上不不随随温温度度的的变变化化而而变变化化，从从而而抑抑制制共共模模信信号号的的变变化。化。图图 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路2.静态分析静态分析当忽略当忽略 VT3 的基极电流时，的基极电流时

19、，Rb1 上的电压为上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到于是得到图图 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路3.动态分析动态分析由由于于恒恒流流三三极极管管相相当当于于一一个个阻阻值值很很大大的的长长尾尾电电阻阻，它它的的作作用用也也是是引引入入一一个个共共模模负负反反馈馈，对对差差模模电电压压放放大大倍倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为四、差分放大电路的输入、输出接法四、差分放大电路的输入、输出接

20、法有四种不同的接法有四种不同的接法双端输入、双端输出；双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。单端输入、单端输出。1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1uIuI2+VCCVEEIR2+图图(a)双端输入、双端输出双端输入、双端输出2.双端输入、单端输出双端输入、单端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1RuIuI2+VCCVEEIR2+uouo uO 约为双端输出的一半，即约为双端输出的一半，即图图(b)双端输入、单端输出双端输入、单端输出若由若由 VT2 集电集电极输出，极输出

21、，uO 为为“正正”。3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出Rc2VT1VT2Rc1+uoR1R2uI+VCCVEEI+计算同双入双出，所以计算同双入双出，所以图图(c)单端输入、双端输出单端输入、双端输出 单端输入，当共模负单端输入，当共模负反馈足够强时，反馈足够强时，因为右侧的因为右侧的R R2 2+r rbebe归算到发射极回路的值归算到发射极回路的值(R2+rbe)/(1+)0，VT1 导通，导通，VT2 截止截止iC1：+VCC VT1 RL 地地uI u-时，时，uO=+UOPP当当 u+u-时时,uO=-UOPP1.uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在在非非线线性性区区内内

22、，(u+-u-)可可能能很很大大，即即 u+u-。“虚虚地地”不存在不存在2.理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零实实际际运运放放 Aod ，当当 u+与与 u-差差值值比比较较小小时时，仍仍有有 Aod(u+-u-)UOPP，运放工作在线性区。，运放工作在线性区。例例如如：F007 的的 Uopp=14 V，Aod 2 105，线线性性区区内输入电压范围内输入电压范围uOu+-u-O实际特性实际特性非线性区非线性区非线性区非线性区线性区线性区但线性区范围很小。但线性区范围很小。图图 集成运放的传输特性集成运放的传输特性5.6各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点一、高精度型

23、一、高精度型性能特点：性能特点：漂漂移移和和噪噪声声很很低低，开开环环增增益益和和共共模模抑抑制比很高，误差小。制比很高，误差小。二、低功耗型二、低功耗型性能特点：性能特点：静静态态功功耗耗一一般般比比通通用用型型低低 1 2 个个数数量量级级(不不超超过过毫毫瓦瓦级级)，要要求求电电压压很很低低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型三、高阻型性能特点：性能特点：通通常常利利用用场场效效应应管管组组成成差差分分输输入入级级，输输入电阻高达入电阻高达 1012 。高高阻阻型型运运放放可可用用在在测测量量放放大大器器、采采样样-保保持持电电路路、带带通滤波

24、器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。四、高速型四、高速型大大信信号号工工作作状状态态下下具具有有优优良良的的频频率率特特性性，转转换换速速率率可可达达每每微微秒秒几几十十至至几几百百伏伏，甚甚至至高高达达 1 000 V/s，单单位位增增益益带带宽宽可可达达 10 MHz，甚至几百兆欧。，甚至几百兆欧。性能特点：性能特点：常常用用在在A/D 和和 D/A 转转换换器器、有有源源滤滤波波器器、高高速速采样采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型五、高压型性能特点：性能特点：输

25、出电压动态范围大，电源电压高，输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。功耗大。六、大功率型六、大功率型性能特点：性能特点：可可提提供供较较高高的的输输出出电电压压较较大大的的输输出出电电流，负载上可得到较大的输出功率。流，负载上可得到较大的输出功率。5.7集成运放使用中的集成运放使用中的几个具体问题几个具体问题集成运放参数的测试集成运放参数的测试使用中可能出现的异常现象使用中可能出现的异常现象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；重重新新接接通通即即

26、可可恢恢复复为为输输入入信信号号过过大大而而造成造成“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3.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

27、电容过大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保护元件保护元件图图 输入保护输入保护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：稳压管保护元件：稳压管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI图图 利用稳压管保护运放利用稳压管保护运放图图 电源接错保护电源接错保护4.输出限流保护输出限流保护+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VCCC1C1C2保护元件：保护元件：VT1、VT2(b)保护管工作特性保护管工作特性正常工作时工作点在正常工作时工作点在 A；工作电流过大，工作点经工作电流过大，工作点经B 移到移到 C 或或 D 点。点。(a)电电 路路 图图BCDAICUCEO图图 输出限流保护输出限流保护