模拟电路4课件

第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介4.4 集成运放的性能指标及等效电路集成运放的性能指标及等效电路4.5 集成运放的理想化模型集成运放的理想化模型4.6 集成运放的种类集成运放的种类4.7 集成运放的使用集成运放的使用4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 集成电路就是采用一定的制造工艺，将二极管、三极管、集成电路就是采用一定的制造工艺，将二极管、三极管、场效应管、电阻、电容等元件组成的具有完整功能的电路制作场效应管、电阻、电容等元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于其集成度高、体积小、功能强、功耗低、外部连线少，从由于其集成度高、体积小、功能强、功耗低、外部连线少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。集成电路最初多用于各种模拟信号的与系统的紧密结合。集成电路最初多用于各种模拟信号的算术算术运算运算，故被称为集成运算放大电路。归纳起来其有如下特点：，故被称为集成运算放大电路。归纳起来其有如下特点：4.1.1 集成电路的特点集成电路的特点2.二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；电位器需外接；4.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。1.元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；4.1.2 集成运放的组成和符号集成运放的组成和符号第第4 4章章 4 4 1 1 1.集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器偏置电路偏置电路 由各种恒流源等电路组成由各种恒流源等电路组成u+输入级输入级偏置电路偏置电路输出级输出级中间级中间级u-uo2.集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号uiuou+u输出端输出端同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端u+uouiu4.1.3 运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性UOMUOMUOMUOMUimUim实际运放实际运放理想运放理想运放 uo=f(ui),其中其中 ui =u+u uOui0uiuo+uiuO04.2 集成运算中的电流源电路集成运算中的电流源电路4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路RT2+VCCIC22IBIRT1IC1IB1IB21.镜像电流源镜像电流源1=2=,当当2时时输出电流：输出电流：IC2IR=(VCC UBE)/R特点特点简单简单IC2IR 要求要求IC2较大时，较大时，R必须很小，功耗加大必须很小，功耗加大要求要求IC2较小时，较小时，R必须很大，不易制作必须很大，不易制作电路完全对称：电路完全对称：可得可得 IC=IR+2IB1=IB2=IB,IC1=IC2=ICIR=(VCC UBE)/R=IC+2IB=IC+2IC/2.比例电流源比例电流源RT2+VCCIC2IB1+IB2IRT1IC1IB1IB2RE1RE2IE1IE2增加了增加了RE1、RE2,可以使可以使IC2,=,2时，时，IC1IE1IR,IC2IE2IC2 IR(RE1/RE2)+(UT/RE2)ln(IE1/IE2)3.微电流源微电流源RT2+VCCIC2IB1+IB2IRT1IC1IB1IB2RE0REIE1IE2 运放的输入级，静态电流很运放的输入级，静态电流很小，只有小，只有A级，或更小。级，或更小。将上述电路中的将上述电路中的RE0减小减小0 则则 IC2 IE2=UBE1 UBE2RE输出电流输出电流 IC2 lnUT IRRE IC2此为关于此为关于IC2的超越方程，可由图解法求解的超越方程，可由图解法求解其中基准电流其中基准电流 IR=VCC UBER4.2.2 改进电流源电路改进电流源电路上述电路中，均要求上述电路中，均要求1，方能保证方能保证IC2 IR，须加以改进，须加以改进一、带射极输出器的电流源一、带射极输出器的电流源RT2+VCCIC2IB3IRT1IC1IB1IB2IE1IE2T3IE3RE3利用利用T3的电流放大作用，的电流放大作用，减小减小IB1、IB2对对IR的分流的分流令令1=2=3=,整理后，得：整理后，得：IC2=IRIR2(1+)1+RE3用以增大用以增大IE3(使使IE3不至于过小不至于过小)以增大以增大当当=10时，时，IC2=0.982 IR1.0IRIB1=IB2=IB,UBE1=UBE2=UBE输出电流：输出电流：IC2=IC1=IRIB3=IR IE3/(1+)即即 IC2=IR 2IB1/(1+)=IR2IC1/(1+)二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源T1、T2、T3 特性完全相同特性完全相同RT2+VCCIC2IRT1IC12IBIE3T3IC3IB3AB整理后，有：整理后，有：IC3=1 IR IR 22+2+2当当=10时，时，IC3=0.984 IR1.0IR则则 IC=IE3 =*IC3+2+2+1 即即 IC=IC3+1+2对节点对节点B,有有 IR=IB3+IC=+IC3IC3+1+2令令1=2=3=，IC1=IC2=IC 对节点对节点A,有：有：IE3=IC+2IB=IC+2 IC/4.2.3 多路电流源电路多路电流源电路RT1+VCCT0IC0IC2IE1IE0RE0T3T2IRIC3IC1RE1RE2RE3IE3IE2利用各级的利用各级的UBE大致相等，有大致相等，有IE0RE0 IE1RE1 IE2RE2 IE3RE3选择合适的电阻选择合适的电阻，可以得到所需的电流可以得到所需的电流4.2.4 有源负载放大电路有源负载放大电路一、一、有源负载共射放有源负载共射放大大电路电路RT3+VCCIC3IRT2IC2T1IC1uORLRBuiuirCE2RLuORBibrBE11ibrCE1电压放大倍数电压放大倍数T1放大管放大管,T2,T3为为镜像电流源镜像电流源负载负载,IC1IR=(VCC UEB3)/R1 RL RB+rBE1 1(rCE1/rCE2/RL)RB+rBE1Au=二、二、有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路T4+VCCIC4IOT3IC3T1ISuORLuiT2IC2IC1 VCCT1、T2 为放大管为放大管T3、T4电流源电流源对于差模信号对于差模信号,IC1=IC2 静态时，静态时，IC1=IC2=IS/2,IC3=IC4 又又 IC3IC1 IC4=IC2 IO0IC4=IC3IC1 IO2IC1 uO2IC1 RL电压放大倍数电压放大倍数 Au=uO/ui Au 1RL/rBE4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，尽管品种繁多，集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，尽管品种繁多，集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，尽管品种繁多，集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，尽管品种繁多，但其基本部件、结构形式、组成原则大致相同。但其基本部件、结构形式、组成原则大致相同。但其基本部件、结构形式、组成原则大致相同。但其基本部件、结构形式、组成原则大致相同。输入级输入级偏置电路偏置电路输出级输出级中间级中间级u-uou+4.3.1 双极型集成运放双极型集成运放由三极管组成由三极管组成4.3.2 单极型集成运放单极型集成运放一、一、F007P183,A 105,ri 2M二、二、F324P186,A 100dB,ri 5MC14573P189,A 103,ri 106 4.4 集成运放的性能指标及等效电路集成运放的性能指标及等效电路4.4.1 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标1.最大输出电压最大输出电压UOM；2.开环电压放大倍数开环电压放大倍数Ad;3.输入失调电压输入失调电压Uio;4.输入失调电流输入失调电流Iio;5.输入偏置电流输入偏置电流IiB;6.差模输入、输出电阻差模输入、输出电阻rid及及rod；7.最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm;8.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm;9.共模抑制比共模抑制比KCRM；除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。4.4.2 集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路U U+UdUoriro+AOudIin简化的简化的集成运放低频等效电路集成运放低频等效电路4.5 集成运放的理想化模型集成运放的理想化模型4.5.1.理想运算放大器的技术指标理想运算放大器的技术指标1.Ao=；U-U+UdUorirO+AOudIin5.Uio、Iio、IiB及温漂均为零及温漂均为零2.ri=；3.ro=0;4.KCRM=；4.5.2.理想运放工作在线性区的分析依据理想运放工作在线性区的分析依据1.“1.“虚断路虚断路虚断路虚断路”原则原则原则原则+i+ui对于理想运放对于理想运放ri相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路uiiri=对于理想运放对于理想运放 u u+相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uOi+=i_ 0Auui 0,ri,2.“2.“虚短路虚短路虚短路虚短路”原原原原则则则则+uo=uiu=uAu+uiuO+i-3.3.“虚地虚地虚地虚地”的概的概的概的概念念念念 在右图所示电路中，在右图所示电路中，因为存在负反馈信号因为存在负反馈信号,同同相输入端相输入端 不是不是“虚地虚地”！由由“虚断路虚断路”原则原则 i+=0,有有 u+=0 u u+=0结论：结论：结论：结论：反相输入端为反相输入端为反相输入端为反相输入端为“虚地虚地虚地虚地”当当同相同相输入端接地时，输入端接地时，uiuouiuo由由“虚短路虚短路”原则原则注意注意4.5.3理想运放工作在非线性区的分析依据理想运放工作在非线性区的分析依据“虚断路虚断路”原则原则uiiiri=对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路ii 0ri,运放工作在运放工作在线性线性线性线性工作状态的必要条件：工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。必须引入深度负反馈。+iiuiriuO+注意注意:u+=u 不一定成立不一定成立不一定成立不一定成立！4.6 集成运放的种类集成运放的种类4.6.1 集成运放的发展概况集成运放的发展概况经理了四代产品经理了四代产品 第一代：沿用分立元件设计思想，但性能远远高于分立元第一代：沿用分立元件设计思想，但性能远远高于分立元件电路。典型产品件电路。典型产品uA709；国产的；国产的F003,5G23等。等。第二代：采用有源负载，简化电路设计思想，开环增益明第二代：采用有源负载，简化电路设计思想，开环增益明显提高。典型产品显提高。典型产品uA741；国产的国产的F007,5G24等。等。第三代：采用了超第三代：采用了超管，管，值高达值高达10005000，考虑了元件，考虑了元件的热效应，减小了失调电压、电流、温漂。典型产品的热效应，减小了失调电压、电流、温漂。典型产品AD508,MC1556；国产的；国产的F1556,F030等。等。第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各项性能更第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各项性能更加理想。一般情况下不需要调零就能正常工作。典型产品加理想。一般情况下不需要调零就能正常工作。典型产品HA2900,SN62088；国产的国产的5G7650等。等。4.6.2 集成运放的种类集成运放的种类按供电：单电源按供电：单电源/双电源；双电源；集成度：单运放集成度：单运放/双运放双运放/四运放；四运放；按工艺：双极型，按工艺：双极型，CMOS，BiFET;一、按工作原理分类一、按工作原理分类1.电压型电压型放大电压，等效于放大电压，等效于VCVS，即，即uo=Auui 如如 F007,F324,C14573等等2.电流型电流型放大电流，等效于放大电流，等效于CCCS，即，即io=Aiii 如如 LM3900,F1900等等3.跨导型跨导型输入电压转换为输出电流，等效于输入电压转换为输出电流，等效于VCCS，即即 io=gmui 如如 LM3080,F3080等等4.互阻型互阻型输入电流转换为输出电压，等效于输入电流转换为输出电压，等效于CCVS，即即 uo=rmii如如 AD8009,AD8011等等输出等效为电压源的运放，输出等效为电压源的运放，ro 很小，很小，几十几十输出等效为电流源的运放，输出等效为电流源的运放，ro 很大，很大，几几 k二、按控制特性分类二、按控制特性分类1.可变增益运放可变增益运放2.选通控制运放选通控制运放输入端有模拟输入端有模拟多路开关多路开关，由数字量进行选择，由数字量进行选择(1)外接电压控制外接电压控制uC,控制增益，如控制增益，如VCA610。当当uC=0 2V时时,Au为为40bB+40dB连续可连续可调调(2)用二进制数码控制增益用二进制数码控制增益,为模为模数混合集成电数混合集成电路路Aui1 ui2 ui3ui4uo A B三、按性能指标分类三、按性能指标分类1.高阻型高阻型输入阻抗很高，输入级多采用超输入阻抗很高，输入级多采用超管，或用管，或用MOS管管 ri109,适用于适用于测量放大电路、信号发生电路、采样测量放大电路、信号发生电路、采样保持电路保持电路2.高速型高速型具有很高的带宽具有很高的带宽:101000MHz和转换速率和转换速率:1001000V/s。适于适于A/D、D/A变换器，锁相环和视频放大变换器，锁相环和视频放大3.高精度型高精度型具有高增益、低失调、低稳漂、低噪声具有高增益、低失调、低稳漂、低噪声 适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度仪表中适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度仪表中4.低功耗型低功耗型具有静态功耗低具有静态功耗低几几W，工作电压低，工作电压低几几 V 的特点。的特点。常用于空间、军事、遥测、遥感等技术领域。常用于空间、军事、遥测、遥感等技术领域。4.6.3 集成运放的选用集成运放的选用应注意：应注意：一、信号源的性质一、信号源的性质根据信号源是电压源根据信号源是电压源/电流源、内阻大小电流源、内阻大小 信号的幅值、变化的频率，选择运放的输入电阻，信号的幅值、变化的频率，选择运放的输入电阻，带宽带宽二、负载的性质二、负载的性质由负载的大小，确定运放的输出电压和输出电由负载的大小，确定运放的输出电压和输出电 流的幅值。流的幅值。对于感性对于感性/容性负载容性负载,要考虑它们要考虑它们 对频率特性的影响对频率特性的影响三、精度要求三、精度要求根据精度要求，确定运放的开环增益、转换根据精度要求，确定运放的开环增益、转换 速率、失调电压、失调电流等速率、失调电压、失调电流等四、环境条件四、环境条件根据环境温度的变化范围，选择运放的失调根据环境温度的变化范围，选择运放的失调 电压电压/电流参数。再考虑电源电压、功耗等因素进行选择。电流参数。再考虑电源电压、功耗等因素进行选择。4.7 集成运放的使用集成运放的使用4.7.1 使用须知使用须知一、认识引脚一、认识引脚集成运放大都采用集成运放大都采用DIP封装，封装，使用前，应认清各引脚的功能使用前，应认清各引脚的功能二、参数则量二、参数则量静态静态用用表则量各引脚，有无短路表则量各引脚，有无短路动态动态用专用测试仪加电测试用专用测试仪加电测试三、零点调节三、零点调节四、消除自激四、消除自激由于失调电压由于失调电压/电流的存在，对于内部没有自电流的存在，对于内部没有自动调零电路的运放，必须外加调零电路动调零电路的运放，必须外加调零电路(1)电源端加去耦电路电源端加去耦电路(2)外加频率补偿电容外加频率补偿电容4.7.2 保护措施保护措施一、输入保护一、输入保护三、电源保护三、电源保护二、输出保护二、输出保护ADZ Ruo uo Auo D2 D1 uo AD2 D1+VCC-VCC4.7.3 输出电压与输出电流的扩展输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压一、提高输出电压设设R1=R2=R3=R4=R，uP T1T2uo A+VCC(30V)uN e2e1b2b1R4R3R2R1-VCC(-30V)动态时，忽略动态时，忽略Ib1,Ib2,Ib1Ib2运放运放A的工作电压为的工作电压为15V静态时，静态时，uP=uN=0时，时，u0=0 ue1 ub1=+15V，ue2ub2=-15V则则 ub1=1/2(VCC-uo)+uo=1/2(VCC+uo)ub2=1/2(uo+VCC)-VCC=1/2(-VCC+uo)ub1-ub2=VCC=30V结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日