第四章集成运算放大电路.pptx

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1、2023/3/201集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点5在集成电路中，NPN管都做成纵向管，大；PNP管都做成横向管，小而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，和(+1)差别大，IB往往不能忽略。1单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。适合于组成差动电路。2阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。3大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。4.在集成电路中，常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。第1页/共38页2023/3/202集

2、成运放的组成及各部分的作用集成运放的组成及各部分的作用对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高 KCMR,输入阻输入阻抗抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出主要提高带负载能力，给出足够的输出电流电流io。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。偏置电路偏置电路：为各级设置合适的静态工作点为各级设置合适的静态工作点第2页/共38页2023/3/203集成运放的符号集成运放的符号uPuN uoAod u u+uoAo同相输入端

3、：同相输入端：uP、u反相输入端：反相输入端：uN、u 运放的电压传输特性运放的电压传输特性线性区线性区线性区：线性区：饱和区：饱和区：饱和区饱和区集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性第3页/共38页2023/3/2044.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 基本电流源电路基本电流源电路一、镜像电流源 current mirrorT T0 0、T T1 1对称。对称。（常数）（常数）电路具有温度补偿作用：电路具有温度补偿作用：温度温度I IC1C1 I IC1 C1 I ICOCOIIR RUUR RUUB BIIB B第4页/共38页2023/3/205二、比例电流源希

4、望得到：希望得到：IC1 IR。当当Re0、Re1差别不太大时：差别不太大时：由于由于Re0、Re1的存在，的存在，IC1的稳定性比镜像电流源好。的稳定性比镜像电流源好。第5页/共38页2023/3/206三、微电流源 Widlar current mirror希望得到：很小的希望得到：很小的IC1(A级级)。而R又不能太大，前面的电流源电路不适用。电路中，电路中，11时：时：第6页/共38页2023/3/207 改进电流源电路改进电流源电路一、加射极输出的电流源IC1与与IR的不同是由于的不同是由于2IB引起的。引起的。加入电流放大电路加入电流放大电路第7页/共38页2023/3/208二、

5、威尔逊电流源对基本对基本3管电流源进行改进，使管电流源进行改进，使IC1与与IR更加接近。更加接近。Wilson Current SourcePNP威尔逊电流源威尔逊电流源第8页/共38页2023/3/209多路电流源电路同时有多路电流输出。同时有多路电流输出。1.1.基于比例电流源基于比例电流源各各BJT的的UBE近似相等，有：近似相等，有：2.2.基于多集电极三极管基于多集电极三极管各集电极的面积为各集电极的面积为S0、S1、S2，有：，有：第9页/共38页2023/3/20103.MOS管多路电流源管多路电流源各各MOS管沟道的管沟道的W/L为为S0、S1、S2、S3，则，则第10页/共

6、38页2023/3/2011例题：例题：电路如图所示，计算：电路如图所示，计算：IR、IC10、IC13。解：解：第11页/共38页2023/3/2012 电流源负载放大电路电流源负载放大电路为了提高电路的增益为了提高电路的增益Au，用电流源替代，用电流源替代Rc/Rd。一、有源负载共射电路有源负载电路有源负载电路实际电路实际电路微变等效电路微变等效电路T2、T3没有输入信号，受控源开路。没有输入信号，受控源开路。电路增益电路增益基本共射电路基本共射电路第12页/共38页2023/3/2013二、有源负载差分电路电路：电路：电流镜的作用电流镜的作用 由于镜像电流源的作用，增益是电阻负载的由于镜

7、像电流源的作用，增益是电阻负载的2倍。倍。电路增益电路增益差差模模信信号号 单端输出结构单端输出结构。第13页/共38页2023/3/20144.3 集成运放简介集成运放简介一、F007电路1.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11产产生基准电流。生基准电流。分分 析析 T10、T11和和R4组成组成微电流源；微电流源；T8和和T9镜象电流源。镜象电流源。T12和和T13管电流源作管电流源作为中间级的有源负载、为中间级的有源负载、并为输出级提供偏置。并为输出级提供偏置。双极型集成运放第14页/共38页2023/3/20152.输入电路：输入电路：T1、T2和和 T3、T4管管组成共集一共基

8、复合组成共集一共基复合差动输入电路。差动输入电路。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组成镜象电流组成镜象电流源，作为差动输入级源，作为差动输入级的有源负载，可以提的有源负载，可以提高输入级的增益。高输入级的增益。3.中间级：中间级：T16和和T17是复合管组是复合管组成的共射放大电路，成的共射放大电路，T13管作这一级的集管作这一级的集电级有源负载。电级有源负载。4.输出级：输出级：T14和和T18、T19 管组成互补输出级。管组成互补输出级。T15与与R7、R8组成电压源，提供静态偏置。组成电压源，提供静态偏置。D1、D2为过流保护电路。为过流保护电路。第15页/共38页2023/3/2

9、016二、LM324电路第16页/共38页2023/3/2017LM324简化电路简化电路(1/4)第17页/共38页2023/3/2018MC14573电路T1、T2、T7、R：多路电流源：多路电流源T3、T4、T5、T6：有源负载差分放大：有源负载差分放大T8：共源放大：共源放大运放实物图片运放实物图片单极型集成运放第18页/共38页2023/3/2019集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标1.1.开环差模增益开环差模增益A Aodod在集成运放无外加反馈时差模放大倍数称为开环差模增益。在集成运放无外加反馈时差模放大倍数称为开环差模增益。6060180 dB,F007:100dB1

10、80 dB,F007:100dB左右。左右。2.2.共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR8080180 dB,F007:80dB180 dB,F007:80dB左右。左右。4.4 集成运放性能指标和低频等效电路集成运放性能指标和低频等效电路第19页/共38页2023/3/20203.3.差模输入电阻差模输入电阻r ridid在输入差模信号时的输入电阻。在输入差模信号时的输入电阻。F007:F007:大于大于2M2M；反映反映U UBEBE的失配的失配 r ridid 越大从信号源索取的电流越小。越大从信号源索取的电流越小。4.4.输入失调电压输入失调电压U UIOIO及其温漂及其温漂dUdU

11、IOIO/dT/dTU UIOIO是使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。是使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。F007:2F007:210mV,OP177:4uV 10mV,OP177:4uV。第20页/共38页2023/3/2021dUIO/dT是UIO 的温度系数，是衡量运放温漂的重要参数。低漂移低漂移1uV/1uV/,超低漂移超低漂移0.1UUicmaxicmax时，运放不能正常工作。时，运放不能正常工作。8.8.最大差模输入电压最大差模输入电压U UIdmaxIdmax U UIdmaxIdmax是不至于使是不至于使PNPN结反向击穿允许的最大差模输入电压。结反向击穿允许的

12、最大差模输入电压。FOO7:FOO7:30V 30V第22页/共38页2023/3/20239.-3dB9.-3dB带宽带宽f fH Hf fH H是使是使A Aodod下降下降3dB3dB时的信号频率。时的信号频率。FOO7:FOO7:7Hz7Hz10.10.单位增益带宽单位增益带宽f fc cf fc c是使是使A Aodod下降到零分贝时的信号频率。下降到零分贝时的信号频率。理想运放：理想运放：A Aodod 、K KCMRCMR、r ridid、f fH H等均为等均为，U UIOIO、dUdUIOIO/dT/dT、I IIOIO、dIdIIOIO/dT/dT、I IIBIB等均为等均

13、为0 0。11.11.转换速率转换速率 SRSR：集成运放对信号变化速度的适应能力集成运放对信号变化速度的适应能力.第23页/共38页2023/3/2024说明说明参数参数典型值典型值LM324 A741 MC14573开环差模增益开环差模增益 Aod105 2 105 3 104共模抑制比共模抑制比 KCMR=20lg(AOd/AOc)80 dB 90 80单位增益带宽单位增益带宽fCAOd1时的频率时的频率1.3 MHz 1.4转换速率转换速率S R0.4 V/s 0.5 2.5输入失调电压输入失调电压UIO2 mV 1 5Input Offset Voltage30 nA 20 0.2输

14、入失调电流输入失调电流IIO输入偏置电流输入偏置电流IIB150 nA 80 1最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmaxVCC1.5 VCC VCC2KCMR下降下降最大差模输入电压最大差模输入电压UIdmax32 V 30差分管击穿差分管击穿差模输入电阻差模输入电阻rid 2 M 第24页/共38页2023/3/2025集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路输入等效电路输入等效电路输出等效电路输出等效电路简化等效电路简化等效电路rO：输出电阻：输出电阻 数量级数量级理想运放理想运放Aod、KCMR、rid、fC、S R ro、UIO、IIB、IIO。0第25页/共38页2023/3

15、/20264.5 4.5 集成运放的种类及选择集成运放的发展概况集成运放的种类一、按工作原理分类1.电压放大型F007、F3242.电流放大型LM3900、F19003.跨导型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011第26页/共38页2023/3/20271.可变增益运放2.选通运放二、按可控性分类1.高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037）三、按性能指标分类第27页/共38页2023/3/20282.低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低 1 2 个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。（TLC

16、2552）3.高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达 1012 。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130）第28页/共38页2023/3/20294.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D 和 D/A 转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）第29页/共38页2023/3/20305.高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源

17、电压高，功耗大。6.大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。运放的选择（略）第30页/共38页2023/3/20314.6集成运放的使用集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）一、集成运放的外引线（管脚）二、使用中可能出现的异常现象二、使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；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“堵塞”现象原因使用时必做的工作第31页/共38页2023/3/20322.漂移现象严重存在虚焊点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输入回路二极管受

18、光照射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原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大第32页/共38页2023/3/2033保护措施保护措施一、输入保护(a)防止输入差模信号幅值过大 (b)防止输入共模信号幅值过大 +V+AR1D1D2RFR-VuOuI保护元件保护元件uO+AR1RFD1D2uI保护元件图 输入保护措施第33页/共38页2023/3/2034二、电源极性错接保护保护元件：D1、D2三、输出端错接保护保护元件：稳压管 DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI图图 利用稳压

19、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第34页/共38页2023/3/2035四、输出限流保护+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保护元件：T1、T2(b)保护管工作特性正常工作时工作点在 A；工作电流过大，工作点经B 移到 C 或 D 点。(a)电 路 图BCDAICUCEO第35页/共38页2023/3/2036输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来输出电压幅值。+uNuPA图提高输出电压的电路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1T2R1R2R3R4b1b2e1e2第36页/共38页2023/3/2037二、增大输出电流在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级。第37页/共38页2023/3/2038感谢您的观看！第38页/共38页