集成运算放大器放大电路教案课件

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,#,集成运算放大器放大电路,教学内容,3.1,概述,3.2,电流源电路,3.3,差动放大电路,3.4,集成运算放大器,3.5,集成运放的简单应用电路,第1页/共76页,电路组成,集成运算放大器是具有,高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻,的多级直接耦合放大电路的集成化。,集成运放内部电路一般可分为四个组成部分，即,输入级、中间级、输出级,及,偏置电路,。,3.1,概 述,第2页/共76页,电路组成,输入级：,常采用差动放大电路，要求输入电阻高、静态电流小、具有一定的电压放大能力以及抑制零点飘移的能力。,中间级：,一般采用有源负载的共射（共源）放大电路，要求能提供较大的电压放大倍数。,输出级：,采用射极跟随器或互补对称电路，要求输出电阻小，带负载能力强。,偏置电路：,常采用电流源电路，用于合理设置集成运放各级放大电路的静态工作点。,第3页/共76页,集成运算放大器的电路结构特点,一、,用有源元件,(,晶体管或场效应管,),取代电阻,。,二、,用晶体管代替二极管,，为了简化集成电路的制作工艺。,三、,电路结构与元件参数良好的对称性,，因此受环境温度和 干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路,(,输入级,),和恒流源电路,(,作偏置电路或有源负载,),。,四、,采用直接耦合方式，,因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均。,五、,集成运放中常采用复合形式，,因为集成晶体管和场效应管制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。,第4页/共76页,单管电流源电路,1,、电路结构形式,由一个晶体管和相应的电阻组成的电流源电路。,2,、工作原理,如图所示，合理选择电路参数，使得电路满足：,I,R1,I,B,，电阻,R,2,上的电压为,3.2,电流源电路,第5页/共76页,单管电流源电路,晶体管发射极电流为,由于,I,C,=,I,E,，从晶体管集电极来看，该电路可以等效为一个电流源。,第6页/共76页,单管电流源电路的动态电阻,求该电路动态电阻，作出其微变等效电路,。,第7页/共76页,单管电流源电路的动态电阻,求该电路动态电阻，作出其微变等效电路。,电流源的动态电阻是相当大的。只要晶体管工作在放大状态，该电路就是一个较为理想的恒流源电路。,第8页/共76页,镜像电流源电路,1,、电路结构形式,可分为基本镜像电流源电路和改进型镜像电流源电路。,第9页/共76页,镜像电流源电路,2,、工作原理分析,T,1,与,T,2,特性完全相同，且发射结电压相等，因此基极电流和集电极电流完全相等。即有,I,B1,=,I,B2,=,I,B,I,C1,=,I,C2,由于,T,1,的,U,BE,=,U,CE,，故处于临界放大,状态，,I,C1,=,I,B1,成立。由电路可得,只要,2,，则有,第10页/共76页,镜像电流源电路,3,、电路特点,优点,：是电路结构简单，且具有一定的温度补偿作用；,缺点,：不能实现输出电流与基准电流之间的比例调节。对于确定的电源电压，当要求输出电流较小时，必须增大电阻,R,的数值，这在某些情况下实现起来并不方便。,第11页/共76页,比例电流源电路,1,、电路结构形式,为了实现输出电流与基准电流之间的比例调节，在两个晶体管的发射极加上电阻。,2,、工作原理分析,由右图可得,U,BE1,+,I,E1,R,E1,=,U,BE2,+,I,E2,R,E2,因为,T,1,与,T,2,特性完全相同，在室温下，若,I,E1,与,I,E2,相差在,10,倍以内时，则有,第12页/共76页,比例电流源电路,工作原理分析,如果采用硅管，可近似认为,U,BE1,=,U,BE2,I,E1,R,E1,I,E2,R,E2,当,1,时，有,I,E1,I,C1,I,R,，,I,E2,I,C2,则,第13页/共76页,微电流源电路,1,、电路结构形式,在集成运放电路中，往往要求提供微小电流的电流源，当电源电压一定时，为了实现利用阻值较小的电阻而获得极小的输出电流,I,C2,，可将比例电流源中的,R,E1,短路。,第14页/共76页,微电流源电路,2,、工作原理分析,右图可见，,T,2,管的发射极电流为,T,1,、,T,2,特性完全相同，则有,当,1,时，有,I,E1,I,R,，,I,E2,I,C2,则,基准电流为,3,、电路特点,利用较小的电阻值，可获得微安级的电流源。,第15页/共76页,改进型电流源电路,一、加射极输出器的电流源,1,、电路结构特点,在镜像电流源,T,1,管的集电极与基极之间加一只从射极输出的晶体管,T,3,。,利用,T,3,的电流放大作用，减小了基极电流,I,B1,和,I,B2,对基准电流,I,R,的分流作用。,第16页/共76页,改进型电流源电路,2,、工作原理分析,由于三个晶体管特性完全相同，则有,1,=,2,=,3,=,，而由于,U,BE1,=,U,BE2,，,I,B1,=,I,B2,=,I,B,，,因此有,整理后可得：,第17页/共76页,改进型电流源电路,即使,很小，也可以使输出电流与基准电流保持很好的镜像关系。,在实际电路中，有时在,T,1,和,T,2,管的基极与地之间加电阻,R,E3,，用来增大,T,3,管的工作电流，此时,T,3,管发射极电流为,第18页/共76页,改进型电流源电路,二、威尔逊电流源电路,由于三个晶体管特性完全相同，则有,1,=,2,=,3,=,，由图可得,I,C1,=,I,C2,I,E3,=,I,C3,+,I,B3,求解可得,第19页/共76页,多路电流源电路,基于镜像电流源的多路电流源电路之一。根据电路可得,则有,第20页/共76页,多路电流源电路,基于微电流源的多路电流源电路,I,R,R,E1,I,C2,R,E2,I,C3,R,E3,因此，当基准电流确定以后，只要选择合适的各发射极电阻，即可得到所需要的输出电流。,第21页/共76页,多路电流源电路,多集电极管的多路电流源电路,T,通常为横向,PNP,型管，当,I,B,一定时，各集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区的面积分别为,S,1,、,S,2,、,S,3,。则有：,使用中通过,R,值调节,I,B,值。分析电路可得：,第22页/共76页,电流源电路,与晶体管电流源类似，场效应管也可组成各种电流源电路，用于场效应管集成放大电路中的偏置电路。,电流源电路是集成运放的重要组成部分之一，其主要用途是提供必要的偏置电流。,分析电流源电路的依据是,PN,结的电流方程和基尔霍夫电流定律，分析思路是参照电路的连接关系，先确定基准电流的表达式，进而求出输出电流与基准电流的关系。,第23页/共76页,差动放大器,零点飘移：当外界环境因素（特别是温度）改变引起前级的静态工作点变化时，这种变化将被逐级放大，从而造成输出端电压的变化。,温度变化是引起零点飘移的主要因素。,采用具有对称性的差动放大电路时抑制零点飘移的有效方法之一。,8.3,差动放大电路,第24页/共76页,基本差动放大电路,1,、电路组成,特点是电路结构的对称性；,左右两边各为一个直接耦合的共射基本放大电路。,第25页/共76页,基本差动放大电路,2,、抑制零点飘移的工作原理,当输入信号为零时，电路可以重画如右图所示。,若环境温度变化，由于电路的对称性，温度变化使得,I,B1,(,I,C1,),、,I,B2,(,I,C2,),产生相同的增量，此时，两管集电极电压增量也相同。由,U,o,=,U,C1,-,U,C2,可见，无论环境温度如何变化，输出电压保持零值不变。,第26页/共76页,基本差动放大电路,抑制零点飘移的工作原理,在正常输入信号下，,u,i,对于,T,1,、,T,2,的基极电流影响相反。例如，若,u,i,增大，则引起,I,B1,、,I,C1,增大，,u,C1,减小；引起,I,B2,、,I,C2,减小，,u,C2,增加；,u,C1,u,C2,，,u,o,=,u,C1,-,u,C2,。,第27页/共76页,基本差动放大电路,3,、主要性能指标,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即,对共模信号没有放大能力,。,(1),共模信号,:,u,i1,=,u,i2,大小相等、极性相同,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,第28页/共76页,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,(2),差模信号,:,u,i1,= ,u,i2,大小相等、极性相反,u,o,= (,V,C1,V,C1,),(,V,C2,+,V,C,) =,2,V,C1,即,对差模信号有放大能力,。,基本差动放大电路,主要性能指标,第29页/共76页,(3),比较输入,u,i1,、,u,i2,大小和极性是任意的。,例,1,:,u,i1,= 10 mV,u,i2,= 6 mV,u,i2,= 8 mV,2 mV,例,2,:,u,i1,=20 mV,u,i2,= 16 mV,可分解成,:,u,i1,= 18 mV + 2 mV,u,i2,= 18 mV,2 mV,可分解成,:,u,i1,= 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,放大器只,放大两个,输入信号,的差值信,号,差动,放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,第30页/共76页,基本差动放大电路,(4),差模放大倍数,(5),共模放大倍数,(6),共模抑制比,主要性能指标,第31页/共76页,长尾式差动放大电路,1,、静态分析,当,u,i1,=,u,i2,=0,时，由图可得,考虑到电路的对称性，有,可以解出,第32页/共76页,静态分析,晶体管输入回路方程：,忽略前两项，则,R,C,+,U,CC,R,B,T,1,R,E,-U,EE,I,B,2,I,E,I,C,I,E,+U,CE,+,U,BE,+,单管直流通路,发射极电位,V,E,0,第33页/共76页,长尾式差动放大电路,2,、动态分析,1,）差模电压放大倍数,考虑到电路的对称性，,r,be1,=,r,be2,，,令,:,则有,第34页/共76页,长尾式差动放大电路,动态分析,1,）差模电压放大倍数,第35页/共76页,长尾式差动放大电路,2,、共模电压放大倍数,差动放大电路，在输入共模电压时，,u,i1,=,u,i2,=,u,ic,，可作出共模等效电路。由下图可得,由于,所以，在理想对称条件下,u,oc,=0,即,第36页/共76页,长尾式差动放大电路,3,、共模抑制比,在理想对称条件下，由于,A,uc,=0,，所以 为无穷大。,4,、差模输入电阻,由下图可得,第37页/共76页,长尾式差动放大电路,5,、输出电阻,按照输出电阻的定义，做出其等效电路，则有,R,o,=2,R,C,第38页/共76页,差动放大电路的进一步改进形式,1,、具有恒流源的差动放大电路,采用恒流源代替长尾式差动放大电路中的电阻,R,E,。,若,U,R2,U,BE3,，则可以认为,I,C3,为一恒定电流,。,第39页/共76页,差动放大电路的进一步改进形式,2,、具有调零功能的差动放大电路,发射极调零电路。,集电极调零电路。,注意：,差动放大电路的调零不可,能跟踪温度的变化，因而不,能消除温漂，只能克服失调。,第40页/共76页,差动放大电路的传输特性,第41页/共76页,电压传输特性,线性区：,斜率为电路的差模电压放大倍数,A,ud,。,当输入电压幅值较大时，输出电压就会产生失真。,若再加大,u,id,，则,u,od,将趋于不变，其数值的大小取决于电源电压,U,CC,。,第42页/共76页,差动放大电路的传输特性,实验及分析均表明，在静态工作点附近，,当,|,u,id,|4,U,T,时，传输特性出现明显的弯曲,，而后趋于水平。这说明差动放大电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性。,第43页/共76页,差分放大电路的四种接法,在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：,差动放大电路举例,1,、双端输入、双端输出电路；,2,、双端输入、单端输出电路；,3,、单端输入、双端输出电路；,4,、单端输入、单端输出电路。,第44页/共76页,差分放大电路的四种接法,1. 双端输入双端输出,：,第45页/共76页,2,. 双端输入单端输出,：,Q,点分析,由于输入回路没有变化，所以,I,EQ,、,I,BQ,、,I,CQ,与双端输出时一样。但是,U,CEQ1,U,CEQ2,。,第46页/共76页,双端输入单端输出:动态分析,第47页/共76页,3,. 单端输入双端输出,共模输入电压,差模输入电压,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,第48页/共76页,单端输入双端输出,差模输出,共模输出,1),静态工作点,2),动态参数,与双端输入双端输出电路完全相同,第49页/共76页,4,. 单端输入单端输出,1),静态工作点,2),动态参数,与双端输入单端输出电路完全相同,第50页/共76页,4. 四种接法的比较：电路参数理想对称条件下,输入方式：,R,i,均为,2(,R,b,+,r,be,),；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。,输出方式：,Q,点、,A,d,、,A,c,、,K,CMR,、,R,o,均与之有关。,第51页/共76页,差分放大电路四种接法的性能比较,接法,性能,双端输入双端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出,A,d,K,CMR,很高,很高,较高,较高,R,id,R,o,第52页/共76页,例,一双端输入单端输出放大电路如图所示，,T,1,与,T,2,特性完全相同，,试求：（,1,）电路的静态工作电流,I,CQ1,、,I,CQ2,及电压,U,CEQ1,、,U,CEQ2,；,（,2,）,差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻、共模电压放大倍数、 共模抑制比；,第53页/共76页,解：（,1,）作直流通道，分析静态工作点。,第54页/共76页,（,2,）动态参数分析,由于输入回路对称，在差模信号作用下，发射极交流接地。,第55页/共76页,共模信号作用时，恒流源的等效电阻为,R,E,则共模输出电压为,共模放大倍数,共模抑制比,第56页/共76页,通用型集成运放,F007,3.4,集成运算放大器,第57页/共76页,偏置电路,流过,R,5,中的电流为,基准电流，则有,T,10,与,T,11,构成微电源，,第58页/共76页,偏置电路,T,12,与,T,13,构成基本镜像电路,T,8,与,T,9,构成基本镜像电路，因为,所以,第59页/共76页,中间级,中间级是以,T,16,与,T,17,成的复合管为放大管，所形成的的共射放大电路，具有很强的放大能力。,第60页/共76页,输出级,输出级是准互补电路，,T,18,和,T,19,复合而成的,PNP,型管与,NPN,型管,T,14,构成互补形式，为了弥补它们的非对称性。,在发射极加了两个阻值不同的电阻,R,8,和,R,9,。,R,6,和,R,7,和,T,15,构成,U,BE,倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点，以消除交越失真。,第61页/共76页,输出级,D,1,和,D,2,、,R,8,和,R,9,共同构成过流保护电路。,T,14,导通时,R,7,上的电压与二极管,D,1,上的电压之和等于,T,14,管,b-e,间电压与,R,9,上电压之和，即,u,R7,+,u,D1,=,u,BE14,+,i,o,R,9,当,i,o,未超过额定值时，,u,D1,U,on,，,D,1,截至；而当,i,o,过大时，,R,9,上电压过大使,D,1,导通，为,T,14,的基极分流，从而限制了,T,14,的发射极电流，保护了,T,14,管。,同理，,D,2,对,T,18,、,T,19,管也具有保护功能。,第62页/共76页,主要技术指标,1,、输人失调电压,U,IO,及输入失调电流,I,IO,输入失调主要反映运放输入极差动电路的对称性。,2,、失调的温漂,在规定的工作温度范围内，,U,IO,、,I,IO,随温度的平均变化率,称之为失调电压、电流温漂，分别用 表示。,3,、输入偏置电流,I,IB,4,、开环差模电压放大倍数,5,、共模抑制比,第63页/共76页,主要技术指标,6,、差模输入电阻、输出电阻,7,、带宽,运放开环电压放大倍数下降到直流电压放大倍数的,0.707,倍时所对应的频带宽度，称之为运放的,-3dB,带宽，用,BW,表示。,8,、输入电压范围,两个输入端之间能承受的最大电压差，称之为最大差模输入电压，用,U,Idmax,表示。,9,、转换速率,转换速率是指运放在额定输出电压下，输出电压的最大变化率，即定义：,第64页/共76页,低频等效电路,在低频小信号下应用时，若仅分析对输入差模电压的放大作用，可以等效电路来描述集成运放。,第65页/共76页,其它类型的集成运放,类型,主要结构特点,应用范围,高输入电阻型,它们的输人级多采用超,管或场效应管,适用于测量放大电路、信号发生电路或取样一保持电路。,高精度型,高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于,10dB,。,适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。,高速宽带型,它的种类很多，增益带宽多在,10MHz,左右，有的高达千兆；转换速率大多在几十伏,/,微秒至几百伏,/,微秒，有的高达几千伏,/,微秒。,适用于模一数转换器、数一模转换器、锁相环电路和视频放大电路。,低功耗型,采用外接偏置电阻；用有源负载代替高阻值的电阻等。,遥测、生物医学、空间技术等。,第66页/共76页,理想运放的条件与符号,理想化的条件：,开环差模电压放大倍数,A,ud,；,差模输入电阻,r,id,；,开环输出电阻,R,o,0,；,共模抑制比,K,CMR,；,3.5,集成运放的简单应用电路,第67页/共76页,理想运放的条件与符号,虚短,当集成运放工作在线性区，输出电压,为有限值，则差模输入电压,虚断,由于差模输入电阻趋于无穷大，因而流进集成运放输入端的电流也就趋于零，即,第68页/共76页,同相比例器,信号由同相端输入，要求两边的输入回路参数对称以减小误差，所以,R,=,R,1,/,R,f,。,1,、据“虚断”，有,2,、据“虚短”，有,由此得出,第69页/共76页,同相比例器,电路的电压放大倍数,电压跟随器,如果令,R,f,0,，,R,1,，则构成了电压跟随器。此时电压放大倍数,第70页/共76页,反相比例器,1,、据“虚断”，有,2,、据“虚短”，有,电压放大倍数,第71页/共76页,两级放大电路,R,1,、,R,2,、,R,3,和,A,1,组成同相比例器；,R,4,、,R,5,、,R,6,和,A,2,组成同相比例器。,则可得,第72页/共76页,【,解,】,u,o1,=,u,i,R,f,R,1,u,o2,=,u,o1,2,R,R,2,R,f,R,1,=,u,i,u,o2,=,u,o2,u,o1,例,1,： 图 所示为两级比例运算放大电路，求,u,o,与,u,i,的关系。,2,R,f,R,1,R,f,R,1,=,u,i,+,u,i,3,R,f,R,1,=,u,i,上一题,下一题,返 回练习题集,+,+,2,R,u,i,u,o2,+,+,R,f,R,1,R,u,o1,+,u,o,R,2,R,2,3,图,1,补充例题,第73页/共76页,【,解,】,前级电路为电压,跟随器，故,u,o1,=,u,i1,后级电路利用叠加原理,分析。在,u,o1,=,u,i1,单独作用时为,反相比例运算电路，故,u,o,=,u,i1,R,f,R,1,在,u,i2,单独作用时为同相比例运算电路，故,（ ）,u,o,= 1+,u,i2,R,f,R,1,由此求得：,R,f,R,1,（ ）,u,o,=,u,o, + u,o,= 1+,u,i2,u,i1,R,f,R,1,= 5,u,i2,4,u,i1,例,2,：所示电路，已知,R,f,= 4,R,1,，求,u,o,与,u,i1,和,u,i2,的关系式 。,上一题,下一题,返 回练习题集,+,+,R,f,u,i1,u,o,+,+,R,1,R,2,图,2,u,i2,第74页/共76页,本章小结,电流源电路,电流源电路的基本形式是镜像电流源，当对输出电流的精度要求较高或要求输出微电流时，可采用各种改进型的电流源电路。,差动放大电路,差动放大电路事实上是利用电路结构的对称性进行温度补偿，来提高电路抑制温漂的能力。长尾式电路及恒流源电路的引入进一步提高了差动放大电路的共模抑制能力。差动放大电路的主要技术指标有：,A,u,d,、,A,uc,、,K,CMR,等。,集成运算放大器,集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路，从外部看，可以等效成双端输入单端输出的差动放大电路。集成运放通常由输入级，中间级，输出级和偏置电路等四部分组成。输入级多采用差动放大电路；中间级为共发射极放大电路；输出级为互补对称射极跟随器；电流源电路不仅作为偏置电路而且作为有源负载，从而大大提高了运放的增益。,同相比例器和反相比例器是集成运放最基本的应用电路之一。,第75页/共76页,感谢您的观看。,第76页/共76页,