模电课件第四章集成运放放大电路

模电课件第四章集成运放放大电路本章要求 熟悉集成运放的组成及各部分的作用，正确理解主熟悉集成运放的组成及各部分的作用，正确理解主要指标参数的物理意义。要指标参数的物理意义。了解电流源电路的工作原理。了解电流源电路的工作原理。了解一种运放电路的工作原理。了解一种运放电路的工作原理。41 41 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路集成电路：制作在一块硅基片上，构成的特定功能的电子电路。制作在一块硅基片上，构成的特定功能的电子电路。体积小（密度高）、引线短、外接线少，体积小（密度高）、引线短、外接线少，分类分类按功能分按功能分模拟集成电路：模拟集成电路：数字集成电路：数字集成电路：按构成器件的类型：按构成器件的类型：双极型和单极型双极型和单极型按外形：双列直插式、圆壳式、扁平式。按外形：双列直插式、圆壳式、扁平式。在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本。设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本。集成运算放大器、集成功率放大器等。集成运算放大器、集成功率放大器等。集成触发器、集成计数器等。集成触发器、集成计数器等。从而提高了电子从而提高了电子4.1.1集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点1.集成运放均采用直接耦合方式。集成运放均采用直接耦合方式。2.电路结构与元件参数具有对称性。电路结构与元件参数具有对称性。3.用有源器件代替无源器件。用有源器件代替无源器件。4.采用复合结构的电路。采用复合结构的电路。4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用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uPuNuO集成运算放大器实质是高增益的集成运算放大器实质是高增益的直接耦合直接耦合多级放大电路。多级放大电路。4.1.3 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性uOuP-uN0集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性+-AoduPuNuO集成运放的符号集成运放的符号uP同相输入端，同相输入端，uN反相输入端，反相输入端，1.1.符号符号2.2.电压传输特性电压传输特性Aod开环差模放大倍数开环差模放大倍数。线性区：线性区：非线性区：非线性区：u0与与uP同相。同相。u0与与uP反相反相。已知一个集成运放的开环差模增益已知一个集成运放的开环差模增益Aod为为100dB，最大输出电压峰，最大输出电压峰-峰峰值值Uopp14V，分别计算差模输入电压分别计算差模输入电压uI（即（即uPuN）为）为10V、100V、1mV、1V和和10V、100V、1mV、1V时的输出电压时的输出电压uO。练习练习 当集成运放工作在线性区时，输出电压当集成运放工作在线性区时，输出电压uOAod uI；解：解：当当Aod uI超过超过14V时，时，uO不是不是14V，就是，就是14V。故故运放工作在运放工作在非线性区非线性区同理同理42 42 集成运放中的电流源电路电流源在电路中的作用电流源在电路中的作用（1）提供静态偏置电流）提供静态偏置电流（2）作为有源负载）作为有源负载(取代高阻值电阻取代高阻值电阻)电电流流源源是是一一个个输输出出电电流流恒恒定定的的电电源源电电路路，与与电电压压源源相相对对应应。在在模模拟拟集集成成电电路路中中广广泛泛使使用用各各种种电电流流源源，为为各各种种放放大大电电路路提提供供稳稳定定的的偏偏置置电流，或作有源负载。电流，或作有源负载。42 42 集成运放中的电流源电路4.2.1基本电流源电路基本电流源电路4.2.2改进型电流源电路改进型电流源电路4.2.3多路电流源电路多路电流源电路4.2.4以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路镜像电流源镜像电流源比例电流源比例电流源微电流源微电流源加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源威尔逊电流源威尔逊电流源有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路 三极管工作在放大三极管工作在放大区，则其输出特性具区，则其输出特性具有恒流特性。有恒流特性。但易受温度影响但易受温度影响 三极管电流源三极管电流源电路如图所示电路如图所示采用适当的辅助电路，可使其恒流特性更接近于理想情况。采用适当的辅助电路，可使其恒流特性更接近于理想情况。故输出恒定电流故输出恒定电流4.2.1基本电流源电路基本电流源电路1、镜像电流源镜像电流源+VccR2IBIB0IB1IC1IRIC0T1T0 镜像电流源镜像电流源T0、T1 为对管，为对管，基准电流基准电流当当 2时，输出电流时，输出电流 IC1T()IC0镜像电流源镜像电流源,IC1为输出电流。为输出电流。0=1=特点：特点：镜像电流源具有一定的温度补偿作用镜像电流源具有一定的温度补偿作用：IRUR(RIR)UBIB IC1不满足不满足 2时，输出电流误差大时，输出电流误差大UBE0=UBE1=UBE，IB0=IB1=IB 所以所以IC0=IC1=IC=IB。纵向晶体管纵向晶体管(百倍以上百倍以上)2、比例电流源比例电流源比例电流源比例电流源+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1由于由于T0、T1为对管，所以为对管，所以当当 2时，时，特点特点：具有更高的温度稳定性：具有更高的温度稳定性。所以所以得得IC0IE0IR，IC1 IE1在一定范围内在一定范围内+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0ReIE13、微电流源微电流源当当 1时，时，T1管集电极电流管集电极电流UBE很小，只要几千欧的很小，只要几千欧的Re，就可得到微安级的，就可得到微安级的IC1。4.2.2改进型电流源电路改进型电流源电路(考虑考虑较小的情况)+VccRIB2IB0IB1IC1IRIC0T1T0 加射极输出加射极输出 器的电流源器的电流源T2IE2T0、T1和和T2特性完全相同，因而特性完全相同，因而 0=1=2=，若若=10，则代入上式可得，则代入上式可得IC10.982IR。说明即使。说明即使 很小，很小，1、加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源而由于而由于UBE0=UBE1，IB1=IB0=IB也可以认为也可以认为IC1IR，IC1与与IR保持很好的镜像关系。保持很好的镜像关系。2、威尔逊电流源威尔逊电流源+VccRIB2IC1IRIC0T1T0T2IE2IC22IBABT0、T1和和T2特性完全相同，因而特性完全相同，因而 0=1=2=，在在点点整理可得整理可得当当 10 时，时，IC20.984IR，可见，在，可见，在 很小时也可认为很小时也可认为IC2IR，IC2受基受基IC1=IC0=IC在在A点点极电流影响很小。极电流影响很小。4.2.3多路电流源电路多路电流源电路(多级放大电路需多路电流源分别给各级提多级放大电路需多路电流源分别给各级提供合适的静态电流供合适的静态电流,可用一个基准电流获得多个不同输出电流可用一个基准电流获得多个不同输出电流)RIC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1ICTReIEICTReIE当当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的电流。确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的电流。由于各管的由于各管的b-e 间电压间电压UBE数值大致相等，因此可得近似关系数值大致相等，因此可得近似关系4.2.4以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路1、有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路+VCCRIRIC2T3T2IC1T1RbRL+-uO+-uIRIR+VCCIC2T3T2Ri若若RL2，则，则IC3 IC1；所以所以IC4 IC1，而因而因IC4 IC3 iO=IC4 IC2 0。而而 iC3 iC1 iC1(iC1)=2 iC143 43 集成运放电路简介 4.3.1 双极型集成运放双极型集成运放T8 R539kIC10T10T11R43kT12IC9T9偏置电路T13IC13+Vcc-VCCT19T18T14R925R1050 D1 D2输出级 R74.5k R87.5kT16T17T15中间级T1T2T3T4T7T5T6R31k R11kR250k+-uI输入级iB3+iB4iC4iC6iC5iC3T1T2T3T4T7T5T6R31k R11kR250k+-uI输入级输入级iB3+iB4iC4iC6iC5iC3 R74.5k R87.5kT16T17T15中间级中间级T8 R539kIC10T10T11R43kT12IC9T9偏置电路偏置电路T13IC13+Vcc-VCCT19T18T14R925 R1050 D1 D2输出级输出级T8IC9T9T12T13IC1344 44 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路 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）开环差模增益）开环差模增益Aod （2）共模抑制比）共模抑制比KCMR （3）差模输入电阻）差模输入电阻rid （4）输入失调电压）输入失调电压UIO及其温漂及其温漂dUIO/dT 是使输入电压为零时在输入端加的补偿电压是使输入电压为零时在输入端加的补偿电压 （5）输入失调电流）输入失调电流IIO及其温漂及其温漂dIIO/dT （6）输入偏置电流输入偏置电流IIB IT1uI1T-VEEuI2（7）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax（8）最大差模输入电压）最大差模输入电压UidmaxA0d下降到最大值的下降到最大值的1/2时所对应的信号频率。时所对应的信号频率。（9）3dB带宽带宽fH（10）单位增益带宽）单位增益带宽fc A0d下降到下降到1（0dB）时所对应的信号频率。）时所对应的信号频率。（11）转换速率）转换速率SR4.4.24.4.2集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路输入端等效电路输入端等效电路输出端等效电路输出端等效电路 集成运放低频等效电路集成运放低频等效电路 简化的集成运放低频等效电路简化的集成运放低频等效电路4.4.34.4.3理想运放及特点理想运放及特点（1）开环差模增益（放大倍数）开环差模增益（放大倍数）Aod=（2）差模输入电阻）差模输入电阻Rid=（3）输入出电阻）输入出电阻Ro=0（4）共模抑制比）共模抑制比KCMR=（5）上限截止频率）上限截止频率fH=（6）失调电压）失调电压UIO、失调电流、失调电流IIO和它们的温漂和它们的温漂dUIO/dT 、dIIO/dT均为零，均为零，且无任何内部噪声。且无任何内部噪声。2.2.理想运放的电压传输特性理想运放的电压传输特性1.1.理想运放的性能指标理想运放的性能指标 ANPiPiNuNuPuou0uIU0M-U0MuN（反相输入端）：（反相输入端）：u0 与与uN反相反相uP（同相输入端）：（同相输入端）：u0 与与uP同相同相uI=uP-uN当集成运放工作在线性区时当集成运放工作在线性区时由于由于uo为有限值，理想运放为有限值，理想运放 Aod=3.3.理想运放在线性区的特点理想运放在线性区的特点“虚短虚短”因为因为 uPuN=0，差模输入电阻，差模输入电阻Rid=“虚断虚断”u0uIU0M-U0M因而因而 uPuN 0，即，即4.理想运放在非线性区的特点理想运放在非线性区的特点uPuNuo（uPuN）uo=UOM-UOM（uPuN）45 45 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择4.5.1 4.5.1 集成运放的发展概况集成运放的发展概况第一代：以电流源做偏置电路，典型产品有第一代：以电流源做偏置电路，典型产品有 A709A709、国产的、国产的F003F003、5G235G23等。等。第二代：采用有源负载，第二代：采用有源负载，Aod,典型产品有典型产品有 A741A741、LM324、国产的、国产的F007、F324、5G24等。等。第三代第三代:输入级采用了超输入级采用了超 管，管，值高达值高达10005000倍。典型产品有倍。典型产品有AD508、MC1556、国产的、国产的F1556、F030等。等。第四代第四代:采用了斩波稳零和动态稳零技术，典型产品有采用了斩波稳零和动态稳零技术，典型产品有HA2900、SN62088、国产的国产的5G7650等。等。4.5.24.5.2集成运放的种类集成运放的种类按供电方式分按供电方式分双电源供电双电源供电单电源供电单电源供电正、负电源对称型正、负电源对称型正、负电源不对称型正、负电源不对称型按集成度分按集成度分单运放单运放双运放双运放四运放四运放按制造工艺分按制造工艺分双极型双极型单极型单极型1 1、按工作原理分类按工作原理分类（1 1）电压放大型）电压放大型u0=AoduI实现电压的放大。实现电压的放大。（2 2）电流放大型）电流放大型i0=AiiI实现电流的放大。实现电流的放大。（3 3）跨导型）跨导型i0=AiuuI将输入电压转换成输出电流。将输入电压转换成输出电流。（4 4）互阻型）互阻型u0=AuiiI将输入电流转换成输出电压。将输入电流转换成输出电压。2 2、按可控性分类按可控性分类（1）可变增益运放可变增益运放（a）由外接的控制电压）由外接的控制电压uC来调整开环差模增益来调整开环差模增益Aod。（b）利用数字编码信号来控制开环差模增益）利用数字编码信号来控制开环差模增益Aod。（2）选通控制运放选通控制运放此类运放的输入为多通道，此类运放的输入为多通道，输出为一个通道，即只有一个输出为一个通道，即只有一个对对“地地”输出电压信号。输出电压信号。+-A1+-uIA+-A2+-uIBA3SuO 两通道选通运放两通道选通运放OPA676的原理示意图的原理示意图3、按性能指标分类按性能指标分类1.通用型通用型80120mW功耗功耗0.50.7V/sSR0.52MHz单位增益带宽单位增益带宽7090dBKCMR0.37IIB0.22IIO2 5mVUIO0.5 2M rid65100dBAod数值范围数值范围单位单位参数参数表表4.5.1 通用型运放的性能指标通用型运放的性能指标2.特殊型：高阻型、高速型、高精度型和低功耗型特殊型：高阻型、高速型、高精度型和低功耗型4.5.3 运放的选择运放的选择一、信号源的性质二、负载的性质一、信号源的性质二、负载的性质三、精度要求四、环境条件三、精度要求四、环境条件4.6.1 使用时必做的工作使用时必做的工作1、集成运放的外引线（管脚）、集成运放的外引线（管脚）4.6.2 保护措施保护措施1、输入保护、输入保护+_AD1D2R防止输入差模信号幅值过大防止输入差模信号幅值过大 防止输入共模信号幅值过大防止输入共模信号幅值过大D1D2R+_A+V-V46 46 集成运放的使用集成运放的使用2、参数测量、参数测量3、调零或调整偏置电压、调零或调整偏置电压4、消除自激振荡、消除自激振荡2、输出保护、输出保护-+ADzR输出保护电路输出保护电路3、电源端保护、电源端保护_+AD1D2+VCC-VCC防止电源极性接反防止电源极性接反作作 业业 4.1 4.6 谢谢大家！结结 语语