模电第3章集成运放ppt课件

集成运算放大器集成运算放大器integrated operational amplifierChapter 3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3.1 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年代初期开展起来的。年代初期开展起来的。采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶片上制造采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶片上制造具有特定功能的电子线路。具有特定功能的电子线路。集成电路分为：模拟集成电路与数字集成电路。集成电路分为：模拟集成电路与数字集成电路。根据用途和详细功能不同，可分为集成运算放大根据用途和详细功能不同，可分为集成运算放大器、集胜利率放大器、集成带宽放大器、集成电压器、集胜利率放大器、集成带宽放大器、集成电压比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成A/D和和D/A转换器等。其中通用性最强、运用最为广泛的就是转换器等。其中通用性最强、运用最为广泛的就是集成运算放大器。集成运算放大器。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。采器具有两个输入端采器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才干由有较强带负载才干的互补推挽电路组成的互补推挽电路组成三、特点三、特点集成运放在内部构造上充分利用集成工艺的特点。集成运放在内部构造上充分利用集成工艺的特点。1、集成工艺难以制造电感和较大容量的电容普通只能、集成工艺难以制造电感和较大容量的电容普通只能制造制造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、集成工艺较易制造良好匹配性的同种元、器件，在集、集成工艺较易制造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构造。成运放中广泛采用对称性电路构造。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根本单元电路，它能有动输入是集成运放中重要的根本单元电路，它能有效地抑制零点漂移，提供一定的增益，具有低噪声效地抑制零点漂移，提供一定的增益，具有低噪声等性能。等性能。3.2.13.2.1差动放大电路差动放大电路 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。uI0，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 差动放大电路是由两个差动放大电路是由两个构造对称、参数完全一样构造对称、参数完全一样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2差放抑制零点漂移的原理差放抑制零点漂移的原理CCCCCCCCCRIVVVIII 2121021 CCOVVU2121CCCCVVII 021 CCOVVU结论：抑制了零点漂移结论：抑制了零点漂移3差模信号与共模信号的概念差模信号与共模信号的概念idoduduuA 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，极性一样的信号。极性一样的信号。icocucuuA 共模增益共模增益i2i1ididi2i1 2uuuuuuici2i1uuu3普通讯号普通讯号ocodicucidudouuuAuAu idic1i21uuu idic2i21uuu i2i1iduuu ）（i2i1ic21uuu 电路的输入信号普通是差模和共模信号共存的。电路的输入信号普通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，可得普通输入信号时差放输出电压普通输入信号时差放输出电压的表达式的表达式2V1021033icucidudo uAuAuui1=10 mV,ui2=8 mV，Aud103，Auc0，求求uo=?mV2i2i1iduuu mV921i2i1ic ）（uuu(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0VEE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看看作是作是 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决于VCC和和R，与温度无关。，与温度无关。1312CCCCREFIIIII )1)(2()1(3311 CCECIIII整理得：整理得：REFREFCIII )2(211 3、微电流源电路、微电流源电路 运放输入级的任务电流运放输入级的任务电流IC经常要偏置到经常要偏置到510A，微电流，微电流源那么可满足此需求。源那么可满足此需求。eE2BE2BE1BERIUUU eBEE2C2RUII 很小很小4、多路电流源、多路电流源 1BREFC1III当当BJT的的足够大时，足够大时，IC1 IREFIE1Re1 IREFRe1=IE2Re2=IE3Re3REFe2e1E2C2IRRII REFe3e1E3C3IRRII e1BECCREF2RRUVI 又称比例电流源。又称比例电流源。5、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组成的共射放大电路组成的共射放大电路的增益。的增益。ro=rce3.4 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 目的参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Auo 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0UIO的温漂d UIO/dT()几V/0输入失调电流 IIO(|IB1-IB2|)20nA 0IIO的温漂d IIO/dT()几nA/0 最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S 1、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IIO2BPBNIBIII 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 在室温及规范电源电压下，输入电压为零时，在室温及规范电源电压下，输入电压为零时，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，其值普通在其值普通在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BPBNIOIII 3.4.1 输入失调参数输入失调参数 偏置电流偏置电流IIB越小越好。其值普通为：越小越好。其值普通为：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。其值普通反映电路的对称程度。其值普通在在1nA0.1A。3、温度漂移、温度漂移 输入失调电压温漂输入失调电压温漂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。其值普通的变化量与温度变化量之比。其值普通在在1020V/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：规定温度范围内内IIO的变化量与温度变化之比。其值普通为的变化量与温度变化之比。其值普通为nA/C。3.4.2 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 uuuAouo 在规范电源电压及规定负载下，运放任务在在规范电源电压及规定负载下，运放任务在开环时，开环时，它决议运放运算的精度，它决议运放运算的精度，Auo普通在普通在80120dB。2、最大差模输入电压、最大差模输入电压Uidmax 运放正常任务时允许输入的最大差模电压。运放正常任务时允许输入的最大差模电压。超越此值，会使输入对管的超越此值，会使输入对管的PN结反向击穿。普通结反向击穿。普通为几至几十伏。为几至几十伏。3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。3.4.3 共模特性参数共模特性参数1、共模抑制比、共模抑制比KCMR普通在普通在80dB以上。以上。2、最大共模输入电压、最大共模输入电压Uicmax 运放所能接受的最大共模输入电压。超越运放所能接受的最大共模输入电压。超越Uicmax，共模抑制比将显著下降。，共模抑制比将显著下降。普通定义普通定义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。3.4.4 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SRmaxRddtuSo 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呼应情况。反映运放对高速变化的输入信号的呼应情况。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。3.4.5 电源特性参数电源特性参数2、电源电压制制比、电源电压制制比KSVR 运放任务在线性区时，输入失调电压随电运放任务在线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率。源电压的变化率。SudOSIOSVRUAUUUK 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形状，且性能参数变化不在保证运放处于放大形状，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。集成运放的电路符号集成运放的电路符号u+同相输入端同相输入端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）（uuAuuoo3.5 理想集成运算放大器理想集成运算放大器l理想运算放大器的技术参数理想运算放大器的技术参数l集成运放任务的传输特性集成运放任务的传输特性l集成运放的任务特点集成运放的任务特点一、一、理想运算放大器的技术参数理想运算放大器的技术参数 理想运放是将集成运放的各项技术目的理想化，即理想运放是将集成运放的各项技术目的理想化，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KCMR=。现代运放在低频任务时的性能已非常接近理想运现代运放在低频任务时的性能已非常接近理想运放，故在分析运放运用电路时，将实践运放视为理放，故在分析运放运用电路时，将实践运放视为理想运放进展估算。想运放进展估算。二、二、集成运放任务的传输特性集成运放任务的传输特性+Uim Uimuid/mVuo/V+Uom Uom0饱和区饱和区线性区线性区实践运放实践运放理想运放理想运放三、三、集成运放的任务特点集成运放的任务特点 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，压之间存在线性放大关系，即即uo=Auou+u1差模输入电压等于零差模输入电压等于零 虚短虚短uooAuuu Auo=uu2输入电流等于零输入电流等于零虚虚断断rid=0 ii1、任务在线性区的特点、任务在线性区的特点+Uim Uimuid/mVuo/V+Uom Uom02、任务在非线性区的特点、任务在非线性区的特点uid/mVuo/V+Uom Uom01输出电压只需两种能够，输出电压只需两种能够，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+u2输入电流等于零输入电流等于零0 ii1、理想运放任务在线性区或非线性区时其特、理想运放任务在线性区或非线性区时其特点不同。在分析各种运用电路时，必需首先判点不同。在分析各种运用电路时，必需首先判别运放的任务区域。别运放的任务区域。2、运放的、运放的Auo通常很大，即使通常很大，即使u+u很很小，仍可使运放超出线性任务范围。故为保证小，仍可使运放超出线性任务范围。故为保证运放任务在线性区域，必需在电路中引入深度运放任务在线性区域，必需在电路中引入深度负反响。负反响。本章要求1、熟习集成运算放大器的组成及构造特点。、熟习集成运算放大器的组成及构造特点。2、熟习常用电流源电路及其运用。、熟习常用电流源电路及其运用。3、掌握差动放大电路的组成及任务原理，深、掌握差动放大电路的组成及任务原理，深化了解差模增益、共模增益、共模抑制比的化了解差模增益、共模增益、共模抑制比的概念，熟习差放的输入、输出方式。概念，熟习差放的输入、输出方式。4、熟习集成运放的主要参数。、熟习集成运放的主要参数。