集成运算放大器B5DA

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 集成运算放大器,5.1 差动放大电路,5.2 集成运算放大器中的单元电路,5.3 集成运放简介,5.4 集成运算放大器中的主要参数,5.5 特殊集成运算放大器,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点：,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。,（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。,（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。,（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,什么是集成运算放大器？,直耦放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象,：,产生零漂的原因,：,零漂的衡量方法：,由温度变化引起的。,当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫,温漂,。,输入,u,i,=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,若输出有1 V的漂移电压 。,则等效输入有100 uV的漂移电压,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差动放大电路,等效 100 uV,漂移,1 V,5.1 差动放大电路,一.结构:,对称性结构,即：,1,=,2,=,U,BE1,=,U,BE2,=,U,BE,r,be1,=,r,be2,=,r,be,R,C1,=,R,C2,=,R,C,R,b1,=,R,b2,=,R,b,1. 差动放大电路一般有两个输入端：,双端输入,从两输入端同时加信号。,单端输入,仅从一个输入端,对地加信号。,2. 差动放大电路可以有两个输出端。,双端输出,从C,1,和C,2,输出。,单端输出,从,C,1,或C,2,对地输出,。,二. 几个基本概念,10/6/2024,3. 差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4. 共模抑制比,三.差动放大电路的基本工作原理,1. 静态工作点的计算：,忽略,I,b，,有：,U,b1,=,U,b2,=0V,2.抑制零漂的原理:,U,o,=,U,C1,-,U,C2,= 0,当,u,i1,=,u,i2,= 0 时，,当温度变化时：,U,C1,=,U,C2,设T,i,c1,i,c2,u,c1,u,c2,u,o,=,u,c1,-,u,c2,= 0,(1)加入差模信号,u,i1,=-,u,i2,=,u,id,/2，,3.电路的动态分析,所以，,R,e,对差模信号相当于短路。,若,u,i1,u,i2,i,b1,i,b2,i,e1,i,e2,I,Re,不变,U,E,不变,u,ic,=0,。,求差模电压放大倍数,：,因为,u,i1,=-,u,i2,设,u,i1,u,i2,u,o1, ,u,o2,。,电路对称,u,o1,=,u,o2,u,o,=,u,o1,u,o2,=2,u,o1,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,(2)加入共模信号,u,i1,=,u,i2,=,u,ic,，,u,id,=0,。,设,u,i1,，,u,i2,u,o1,，,u,o2,。,因,u,i1,=,u,i2，,u,o1,=,u,o2,u,o,= 0 (理想化)。,共模电压放大倍数,四.差动放大器的输入输出方式,差动放大器共有四种输入输出方式:,1. 双端输入、双端输出（,双入双出,）,2. 双端输入、单端输出（,双入单出,）,3. 单端输入、双端输出（,单入双出,）,4. 单端输入、单端输出（,单入单出,）,主要讨论的问题有：,差模电压放大倍数、共模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,2. 双端输入单端输出,这种方式适用,于将差分信号转换,为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,（4）共模电压放大倍数,u,i1,=,u,i2,=,u,ic,，,设,u,i1,，,u,i2,i,e1, ，,i,e1, 。,i,Re,（=2,i,e1,）,画出共模等效电路,动画演示,求共模电压放大倍数,：,3. 单端输入双端输出,单端输入等效双端输入:,因为,R,e,从T,2,发射极看进去的等效电阻，故,R,e,可视为开路，于是有,u,i1,= ,u,i2,=,u,i,/,2,计算同双端输入双端输出：,动画演示,4. 单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号：,设从T,1,的基极输入信号，如果从,u,o,1,输出为负号；从,u,o,2,输出为正号。,计算同双入单出：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻,R,id,是基本放大电路的两倍。,单端输出时，,双端输出时，,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,共模抑制比,K,CMR,是差分放大器的一个重要指标。,，,或,双端输出时,K,CMR,可认为等于无穷大，,单端输出时共模抑制比：,动画演示,五. 带恒流源的差动放大电路,根据共模抑制比公式：,加大,R,e,，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T,3,来代替,R,e,。,等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。,恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。,恒流源的作用,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态：,恒流源等效电阻：,1. 镜像电流源,基准电流：,无论T,2,的负载如何变化，,I,C2,的电流值将保持不变。,5.2 集成运算放大器中的单元电路,一 . 电流源电路,因为：,所以：,2. 微电流源,（1）电流小（因为,U,BE,小）。,微电流源的特点,：,（2）电流稳定,（电流负反馈）,3. 多路电流源,二. 差动输入级,1. 有源负载差动放大电路,T,3,、T,4,组成镜像电流源，作T,1,、T,2,的负载。,同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,2. 共集共基差动输入级,特点：,（1）输入阻抗高。,（2）T,3,、T,4,为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。,三.输出级,工作原理：,u,i,为正半周时，T,1,管工作，T,2,管截止，输出,u,o,为正；,u,i,为负半周时，T,2,管工作，T,1,管截止；输出,u,o,为负。,两管交替工作，在负载电阻,R,L,上得到完整的正弦波。,1. 互补对称射极输出电路,输入输出波形图,u,i,u,o,u,o,u,o,交越失真,死区电压,2. 克服交越失真的互补对电路,静态时，,T,1,、,T,2,两管发射结电压分别为二极管,D,1,、,D,2,的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。,电路中增加,D,1,、,D,2,工作原理 ：,5.3 集成运放简介,一.,集成运放的总体结构,二.,简单的集成运放,原理电路：,u,-,u,+,u,o,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,反相输入端,同相输入端,输出端,三. 通用型集成运放F007,A,B,A,B,分析：,1. 偏置电路：,T,12,、,R,5,和T,11,构成了主偏置电路，产生基准电流,：,其他偏置电流都与基准电流有关。,T,10,、T,11,和,R,4,组成微电流源，通过T,8,和T,9,组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。,T,12,和T,13,管构成多支路电流源。T,13,管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,2. 输入级：,T,1,、T,2,和 T,3,、T,4,管组成共集一共基复合差动输入电路。,其中T,1,和T,2,管作为射极输出器，输入电阻高。,T,3,和T,4,管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T,5,、T,6,、T,7,和,R,1,、,R,2,、,R,3,组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。,它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,3. 中间级：,T,16,和T,17,是复合管组成的共射放大电路，T,13,B,作这一级的集电级有源负载。,T,14,和T,20,管组成互补对称输出级，T,18,、T,19,和,R,8,为其提供静态偏置以克服交越失真。,T,15,和,R,9,保护T,14,管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T,21,、T,23,、T,22,管和,R,10,保护 T,20,管在负向电流过大时不致烧坏。,4. 输出级：,5. 相位分析：,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,1.,输入失调电,U,IO,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,5.4 集成运算放大器的主要参数,2.,输入失调电压温漂,d,U,IO,/dT,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,4.,输入失调电流,I,IO,：,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.,输入偏置电流,I,IB,：,输入电压为零时，,运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.,输入失调电流温漂,d,I,IO,/,DT,:,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,6.,最大差模输入电压,U,idmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.,最大共模输入电压,V,icmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,8.,开环差模电压放大倍数,A,o,d,：,无反馈时的差模电压增益。,一般,A,od,在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.,差模输入电阻,r,id,：,双极型管输入级约为10,5,10,6,欧姆，场效应管输入级可达10,9,欧姆以上。,10.,共模抑制比,K,CMR,：,K,CMR,=20lg(,A,v,d,/,A,v,c,),(dB),其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB,带宽,f,H,：,运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽,f,H,。,12.,转换速率,S,R,(,压摆率,),：,反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率,S,R,的表达式为,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。,通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。,特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,5.5 特殊集成运算放大器,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于10,9,W,，输入偏置电流通常为pA数量级。,这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。,其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般,U,IO,/,T, 2,m,V,I,IO,/,T 10MHZ。,主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。,高速型运放的典型产品有,m,A715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。,典型产品有CA3078、,m,PC253、ICL7641等。,5. 大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。,典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,1直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。,2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。,3集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有BJT集成运放、FET集成运放、BiMOS集成运放等。本章重点介绍了BJT集成运放F007。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。,4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。,本章小结,