模电课件第3章集成运放.ppt

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1、集成运算放大器集成运算放大器integrated operational amplifierChapter 3Page 1主要内容主要内容集成运放的简介集成运放的简介差动放大电路差动放大电路电流源电路电流源电路通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器集成运放的主要参数集成运放的主要参数理想集成运算放大器理想集成运算放大器23.1 集成运放的简介集成运放的简介一、简介一、简介 集成电路是集成电路是60年代初期发展起来的。年代初期发展起来的。采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶片上制作具采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶片上制作具有特定功能的电子线路。有特定功能的电子线路。集成电路分为：模拟集成电路

2、与数字集成电路。集成电路分为：模拟集成电路与数字集成电路。根据用途和具体功能不同，可分为集成运算放大器、根据用途和具体功能不同，可分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成带宽放大器、集成电压比较集成功率放大器、集成带宽放大器、集成电压比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成器、集成乘法器、集成稳压器、集成A/D和和D/A转换转换器等。其中通用性最强、应用最为广泛的就是集成器等。其中通用性最强、应用最为广泛的就是集成运算放大器。运算放大器。3中间级中间级输入级输入级偏置电路偏置电路输出级输出级ui+ui uo集成运放是一个高增益直接耦合放大电路。集成运放是一个高增益直接耦合放大电路。采用具有两个输入

3、端采用具有两个输入端子的差动放大电路子的差动放大电路提供增益，通常是共提供增益，通常是共射组态的放大电路射组态的放大电路二、组成二、组成多数由恒流多数由恒流源电路组成源电路组成由有较强带负载能力由有较强带负载能力的互补推挽电路组成的互补推挽电路组成4三、特点三、特点集成运放在内部结构上充分利用集成工艺的特点。集成运放在内部结构上充分利用集成工艺的特点。1、集成工艺难以制作电感和较大容量的电容（一般只能、集成工艺难以制作电感和较大容量的电容（一般只能制作制作200pF以下的电容）。集成运放均采用直接耦合方式。以下的电容）。集成运放均采用直接耦合方式。2、集成电路中的电阻多是半导体的体电阻，阻值越

4、大，、集成电路中的电阻多是半导体的体电阻，阻值越大，所占硅片面积越大。故大电阻往往利用有源负载实现。所占硅片面积越大。故大电阻往往利用有源负载实现。3、集成工艺较易制作良好匹配性的同种元、器件，在集、集成工艺较易制作良好匹配性的同种元、器件，在集成运放中广泛采用对称性电路结构。成运放中广泛采用对称性电路结构。53.2 集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路差动放大电路的组成与原理差动放大电路的组成与原理差动放大电路的分析计算差动放大电路的分析计算 集成运放的许多重要参数均取决于输入级。差动集成运放的许多重要参数均取决于输入级。差动输入是集成运放中重要的基本单元电路，它能有效输入是集成

5、运放中重要的基本单元电路，它能有效地抑制零点漂移，提供一定的增益，具有低噪声等地抑制零点漂移，提供一定的增益，具有低噪声等性能。性能。3.2.13.2.1差动放大电路差动放大电路6产生零点漂移的主要原因：产生零点漂移的主要原因：产生零点漂移的主要原因：产生零点漂移的主要原因：温度变化，直流电源波动，温度变化，直流电源波动，器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。故也称零漂为温漂。放大电路中第一级对整个放大电路的零漂影响最放大电路中第一级对整个放大电路的零漂影响最大，且级数越多，零漂越严重。大，且级数越多，零漂越严重。uI

6、0，uO0 零点漂移零点漂移1、直流放大器的零点漂移问题、直流放大器的零点漂移问题72、差动放大电路的组成与原理、差动放大电路的组成与原理 差动放大电路是由两个差动放大电路是由两个结构对称、参数完全相同结构对称、参数完全相同的共射放大电路组成。的共射放大电路组成。（1）典型差放电路组成）典型差放电路组成8（2）差放抑制零点漂移的原理）差放抑制零点漂移的原理静态时：静态时：静态时：静态时：输出电压输出电压输出电压输出电压温度发生变化时温度发生变化时温度发生变化时温度发生变化时输出电压的漂移输出电压的漂移输出电压的漂移输出电压的漂移结论：抑制了零点漂移结论：抑制了零点漂移9（3）差模信号与共模信号

7、的概念）差模信号与共模信号的概念差模增益差模增益1）差模信号）差模信号uid：在两个输入端加上幅度相等，在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。极性相反的信号。2）共模信号）共模信号uic：在两个输入端加上幅度相等，在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。极性相同的信号。共模增益共模增益103）一般信号）一般信号 电路的输入信号一般是差模和共模信号共存的。电路的输入信号一般是差模和共模信号共存的。可分解为差模分量信号与共模分量信号：可分解为差模分量信号与共模分量信号：根据线性电路叠加定理，可得根据线性电路叠加定理，可得一般输入信号时差放输出电压一般输入信号时差放输出电压的表达式的表达式11

8、ui1=10 mV,ui2=8 mV，Aud103，Auc0，求求uo=?123 差动放大电路的分析计算差动放大电路的分析计算(1)差放的静态分析差放的静态分析(2)差放的动态分析差放的动态分析13（1）差放的静态分析）差放的静态分析静态时：静态时：ui1=ui2=0设电路完全对称。设电路完全对称。由由0 VEE回路得回路得VEE=IBRb+UBE+2IERe通常，通常，1，UBEVEE，IBRb 1IC2=IC1 IREF1）输出电流）输出电流IC2与基准电流与基准电流 IREF相等。把相等。把IC2看作是看作是 IREF的镜像的镜像镜像电流源。镜像电流源。2）IC2的大小仅取决于的大小仅取

9、决于VCC和和R，与温度无关。，与温度无关。1 1、基本镜像电流源、基本镜像电流源、基本镜像电流源、基本镜像电流源312、Wilson电流源电流源整理得：整理得：323、微电流源电路微电流源电路 运放输入级的工作电流运放输入级的工作电流IC经经常要偏置到常要偏置到510A，微电流源，微电流源则可满足此需要。则可满足此需要。很小很小334、多路电流源多路电流源当当BJT的的足够大时，足够大时，IC1 IREFIE1Re1 IREFRe1=IE2Re2=IE3Re3又称比例电流源。又称比例电流源。345、有源负载、有源负载 T1为放大管，为放大管，T2、T3为电流源，为电流源，作有源负载作有源负载

10、RC，其，其动态内阻为动态内阻为阻值很大，可提高阻值很大，可提高T1组组成的共射放大电路的增成的共射放大电路的增益。益。ro=rce353.4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 输入失调参数输入失调参数 差模特性参数差模特性参数 共模特性参数共模特性参数 动态参数动态参数 电源特性参数电源特性参数36 指标参数指标参数 F007典型值典型值 理想理想值值开环差模增益开环差模增益 Auo 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0UIO的温漂的温漂d UIO/dT()几几V/0输入失调电流输入失调

11、电流 IIO(|IB1-IB2|)20nA 0IIO的温漂的温漂d IIO/dT()几几nA/0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S 371、输入失调电压、输入失调电压UIO2、输入偏置电流、输入偏置电流IIB和输入失调电流和输入失调电流IIO 输入电压为零时，输入偏输入电压为零时，输入偏置电流置电流IIB为为2个静态输入电流个静态输入电流的平均值的平均值 在室温及标准电源电压下，输入电压为零时，在室温及标准电源电压下，输入电压为

12、零时，为使运放输出电压为零，在输入端加的补偿电压称为使运放输出电压为零，在输入端加的补偿电压称失调电压失调电压UIO。UIO越大，电路的对称程度越差，越大，电路的对称程度越差，其值一般在其值一般在1V几几mV。输入失调电流输入失调电流IIO为为2个静态输入电流之差个静态输入电流之差3.4.1 输入失调参数输入失调参数38 偏置电流偏置电流IIB越小越好。其值一般为：越小越好。其值一般为：BJT在在10nA1A；FET在在0.1nA0.05pA。输入失调电流输入失调电流IIO反映电路的对称程度。其值一般反映电路的对称程度。其值一般在在1nA0.1A。3、温度漂移、温度漂移 输入失调电压温漂输入失

13、调电压温漂UIO/T：规定温度范规定温度范围内围内UIO的变化量与温度变化量之比。的变化量与温度变化量之比。其值一般其值一般在在（1020）V/C。输入失调电流温漂输入失调电流温漂IIO/T：规定温度范围内规定温度范围内IIO的变化量与温度变化之比。的变化量与温度变化之比。其值一般为其值一般为nA/C。393.4.2 差模特性参数差模特性参数1、开环差模电压放大倍数、开环差模电压放大倍数Auo 在标准电源电压及规定负载下，运放工作在在标准电源电压及规定负载下，运放工作在开环时，开环时，它决定运放运算的精度，它决定运放运算的精度，Auo一般在一般在80120dB。2、最大差模输入电压、最大差模输

14、入电压Uidmax 运放正常工作时允许输入的最大差模电压。运放正常工作时允许输入的最大差模电压。超过此值，会使输入对管的超过此值，会使输入对管的PN结反向击穿。一般结反向击穿。一般为几至几十伏。为几至几十伏。403差模输入电阻差模输入电阻rid运放输入差模信号时的输入电阻。运放输入差模信号时的输入电阻。rid越大，越大，对信号源的影响越小。对信号源的影响越小。BJT输入级的输入级的rid为为105106，MOSFET输入级的输入级的rid可达可达109以上。以上。413.4.3 共模特性参数共模特性参数1、共模抑制比、共模抑制比KCMR一般在一般在80dB以上。以上。2、最大共模输入电压、最大

15、共模输入电压Uicmax 运放所能承受的最大共模输入电压。超过运放所能承受的最大共模输入电压。超过Uicmax，共模抑制比将显著下降。，共模抑制比将显著下降。一般定义一般定义KCMR下降下降6dB时的共模输入电压为时的共模输入电压为Uicmax。423.4.4 动态参数动态参数1、开环带宽、开环带宽fBWfBW=fH2、转换速率、转换速率SR 运放在额定负载及输入阶跃大信号时，输出运放在额定负载及输入阶跃大信号时，输出电压变化的最大速率。电压变化的最大速率。反映运放对高速变化的输入信号的响应情况。反映运放对高速变化的输入信号的响应情况。集成运放是高增益的直流放大器，下限频率集成运放是高增益的直

16、流放大器，下限频率fL=0,上限频率上限频率fH就是其开环带宽就是其开环带宽fBW。433.4.5 电源特性参数电源特性参数2、电源电压抑制比、电源电压抑制比KSVR 运放工作在线性区时，输入失调电压随电运放工作在线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率。源电压的变化率。反映电源电压对运放输出性能的影响。反映电源电压对运放输出性能的影响。1、电源电压变化范围、电源电压变化范围在保证运放处于放大状态，且性能参数变化不在保证运放处于放大状态，且性能参数变化不大的前提下，电源电压允许的最大值与最小值大的前提下，电源电压允许的最大值与最小值之差。之差。44集成运放的电路符号集成运放的电路符号u+同相输

17、入端同相输入端u 反相输入端反相输入端uo 输出端输出端Auo 开环电压放大倍数开环电压放大倍数453.5 理想集成运算放大器理想集成运算放大器l理想运算放大器理想运算放大器的技术参数的技术参数l集成集成运放工作的运放工作的传输特性传输特性l集成集成运放的工作特运放的工作特点点46一、一、理想运算放大器理想运算放大器的技术参数的技术参数 理想运放是将集成运放的各项技术指标理想化，即理想运放是将集成运放的各项技术指标理想化，即1、差模电压放大倍数、差模电压放大倍数Auo=。2、差模输入电阻、差模输入电阻rid=。3、输出电阻、输出电阻ro=0。4、带宽、带宽BW=。5、共模抑制比、共模抑制比KC

18、MR=。现代运放在低频工作时的性能已十分接近理想运现代运放在低频工作时的性能已十分接近理想运放，故在分析运放应用电路时，将实际运放视为理放，故在分析运放应用电路时，将实际运放视为理想运放进行估算。想运放进行估算。47二、二、集成运放工作的传输特性集成运放工作的传输特性+Uim Uimuid/mVuo/V+Uom Uom0饱和区饱和区线性区线性区实际运放实际运放理想运放理想运放48三、三、集成运放的工作特点集成运放的工作特点 输出电压与两个输入端电输出电压与两个输入端电压之间存在线性放大关系，即压之间存在线性放大关系，即uo=Auo（u+u）（1）差模输入电压等于零）差模输入电压等于零 虚短虚短

19、虚短虚短Auo=（2）输入电流等于零）输入电流等于零虚断虚断虚断虚断rid=1、工作在线性区的特点、工作在线性区的特点+Uim Uimuid/mVuo/V+Uom Uom0492、工作在非线性区的特点工作在非线性区的特点uid/mVuo/V+Uom Uom0（1）输出电压只有两种可能，）输出电压只有两种可能，即即当当u+u 时，时，uo=Uom；当当u+u 时，时，uo=Uom运放在非线性区时，差模输运放在非线性区时，差模输入电压较大，入电压较大，u+u（2）输入电流等于零）输入电流等于零50结论结论：1、理想运放工作在线性区或非线性区时其特点、理想运放工作在线性区或非线性区时其特点不同。在分

20、析各种应用电路时，必须首先判断不同。在分析各种应用电路时，必须首先判断运放的工作区域。运放的工作区域。2、运放的、运放的Auo通常很大，即使（通常很大，即使（u+u）很小，）很小，仍可使运放超出线性工作范围。故为保证运放仍可使运放超出线性工作范围。故为保证运放工作在线性区域，必须在电路中引入深度负反工作在线性区域，必须在电路中引入深度负反馈。馈。51本章要求1、熟悉集成运算放大器的组成及结构特点。、熟悉集成运算放大器的组成及结构特点。2、熟悉常用电流源电路及其应用。、熟悉常用电流源电路及其应用。3、掌握差动放大电路的组成及工作原理，深、掌握差动放大电路的组成及工作原理，深刻理解差模增益、共模增益、共模抑制比的刻理解差模增益、共模增益、共模抑制比的概念，熟悉差放的输入、输出方式。概念，熟悉差放的输入、输出方式。4、熟悉集成运放的主要参数。、熟悉集成运放的主要参数。52