集成运算放大器的单元电路.ppt

5 1引言 集成运算放大器 简称运放 是一个直接耦合高增益的多级放大电路 本章涉及的主要问题 集成运算放大器的构成及特点多级放大电路的耦合方式差分放大电路的结构 工作原理功率放大电路及交越失真集成运算放大器的类型 使用注意事项 第5章集成运算放大器的单元电路 5 2集成运算放大器概述 5 2 1组成 1 输入级 采用双端输入高性能的差分放大电路 输入电阻大 差模放大倍数大 抑制共模信号的能力强 静态电流小 2 中间级 提供高的电压增益 以保证运算放大器的运算精度 中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大电路 集成运算放大器结构图 5 2 1组成 3 输出级 互补对称输出电路 输出级应具有输出电压范围宽 输出电阻小 带负载能力强 非线性失真小等特点 4 偏置电路 为各级放大电路提供合适的静态工作点电流 集成运算放大器结构图 5 2 2集成运放的符号和电压传输特性 a 常用符号 b 标准符号 符号 电压传输特性 Uom Uom 线性放大区 非线性区 0 非线性区 5 3多级放大电路 耦合方式 5 3 1多级放大电路的耦合方式 1 直接耦合 直接耦合放大电路 2 阻容耦合 阻容耦合放大电路 3 变压器耦合 变压器耦合放大电路 4 光电耦合 光电耦合放大电路 光电耦合器及其传输特性图 光电耦合特点光耦两侧电气隔离可以不共地抑制电干扰 5 3 2零点漂移 直接耦合放大电路由于前后级直接相连 前一级的零漂电压信号会和有用电压信号一起被送到下一级 而且逐级放大 因此 零点漂移可以通过直接耦合放大电路被逐级放大 从而使输出端的零点漂移现象更加严重 且放大电路的级数越多 放大倍数越高 零点漂移越严重 解决方案 采用分压偏置共射基本放大电路采用温度补偿 利用热敏元件来补偿晶体管参数的变化采用差分放大电路结构 输出电压的漂移 5 3 3直接耦合放大电路的电位移动 电位移动直接耦合放大电路 采用NPN和PNP三极管结合的方法解决电位移动问题 NPN和PNP组合电位移动直接耦合放大电路 5 3 4多级放大电路电压放大倍数的计算 1 输入电阻法 在计算前一级的电压放大倍数时 将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑 2 开路电压法 将前级作为后级的信号源来考虑 信号源的电压为前级的开路电压 信号源的电阻为前级的输出电阻 多级放大电路电压放大倍数的计算方法 1 输入电阻法 两级放大电路的电压放大倍数计算实例 等效电路 两种方法的结果完全一致 2 开路电压法 两级放大电路的电压放大倍数计算实例 等效电路 5 4集成运算放大器中的电流源 1 镜像电流源 UBE1 UBE2 UBE IB1 IB2 由于两三极管完全对称 故 5 4 1电流源 1 2 忽略两三极管BE结压降的差值 有 由于 因此 式中 2 比例电流源 3 微电流源 晶体管电流之间的关系 可得 4 威尔逊电流源 由电路图可知 如果电流放大系数足够大 则有 5 多路电流源 5 5差分放大电路 差分放大电路 简称差放 能放大两个输入信号之差 差放只对输入信号的差有响应 晶体管VT1 VT2特性一致 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbe 电路参数对称 即Rc1 Rc2 RcRs1 Rs2 Rs 5 5 1差分放大电路的组成 1 信号的分解 共模输入信号 差模输入信号 5 5 2差模信号和共模信号 在差模信号和共模信号同时存在的情况下 对于线性放大电路 可利用叠加原理得出输出电压 2 差模放大倍数和共模放大倍数 集电极电流 晶体管的管压降 通过以上分析 差分放大电路的静态求解与共射放大电路一样 只不过发射极电阻用2Re替代 5 5 3差分放大电路的静态分析 1 双端输入双端输出 2 双端输入单端输出 3 单端输入双端输出 4 单端输入单端输出 5 5 4差分放大电路的输入和输出方式 1 双入双出差分放大电路的差模动态分析 5 5 5差分放大电路的差模动态分析 双入双出差放的差模工作方式 差模放大倍数 1 双入双出差分放大电路的差模动态分析 差模输入电阻Rid 1 双入双出差分放大电路的差模动态分析 差模输出电阻Rod 根据输出电阻的定义 应将源输入电压短路 保留内阻RS 将负载电阻RL开路 1 双入双出差分放大电路的差模动态分析 a 集电极C1输出 b 集电极C2输出 双入单出差分放大电路的差模工作状态与双入双出差放差别不大 只是单端输出只获取了两集电极之间输出变化量的一半 2 双入单出差分放大电路的差模动态分析 双入单出差分放大电路 C1 从C1输出为负 从C1输出 2 双入单出差分放大电路的差模动态分析 3 单入双出差分放大电路的差模动态分析 与双入双出的差模放大指标相同 差模放大倍数 差模输入电阻 差模输出电阻 4 单入单出差分放大电路的差模动态分析 与双入单出的差模放大指标相同 双入双出双入单出单入双出单入单出 输入双端输入双端输入单入可转单入可转换为双入换为双入输出C1和C2C1对地或C1和C2C1对地或之间输出C2对地输出之间输出C2对地输出发射极交流电位UeUe 0集电极双出RL 2单出RL双出RL 2单出RL负载电阻RL中点交流0RL中点交流0 5 差分放大电路动态差模工作状态汇总 差模输入电阻 输出电阻 差模电压增益 单端输出 5 5 6差分放大电路的共模动态分析 共模输入下的差分放大电路 共模抑制比 差分放大电路很难做到完全对称 零点漂移也不能完全被克服 但将受到很大的抑制 差分放大电路抑制共模信号的能力 抑制零漂的能力 用共模抑制比来衡量 即 若双入双出差分放大电路完全对称 则 若单端输出 5 5 6差分放大电路的共模动态分析 5 5 7恒流源差分放大电路 功率放大电路的核心问题 输出功率效率功率器件的散热非线性失真 5 6 1概述 5 6互补功率放大电路 功率放大电路的分析方法 图解法 5 6 1概述 导通角 360 效率 50 导通角 180 效率 78 5 导通角稍大于 180 效率 接近乙类 导通角 180 晶体管的工作状态 为了降低静态时的工作电流 晶体管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态 但同时产生了失真问题 平均电流下降 静态功耗虽然减小 但失真严重 晶体管乙类工作状态失真严重 5 6 2乙类互补功率放大电路 为了解决乙类状态下的失真问题 常采用乙类互补输出电路 它是由一对特性一致的NPN和PNP晶体管 按射极输出器的电路形式组合而成 乙类互补输出级 1 电路组成 a b c 正负半周合成的波形图 2 工作原理 正负半周波形合成的原理 因晶体管存在死区 若输入信号小于开启电压 则晶体管不导通 所以乙类互补输出电路在输入信号正 负半周交替过零处 因晶体管存在死区 导致集电极电流为0 从而形成的非线性失真 称为交越失真 uo 死区 3 交越失真 交越失真 输入信号 输出信号 交越失真的波形 3 交越失真 4 消除交越失真 甲乙类互补功率放大电路 为消除交越失真 可给晶体管稍稍加一点偏置 使之处于微导通状态 消除死区 即工作在甲乙类工作状态 只要一加入信号 晶体管立刻导通 1 输出功率 输入 输出均为正弦波 负载上的最大不失真功率 忽略晶体管的饱和压降时 5 乙类互补功率放大电路的参数计算 电源功率 晶体管的管耗 晶体管的管耗等于电源输出功率与向负载提供功率之差 具有非线性的关系 2 管耗 最大管耗曲线 5 参数计算 对晶体管的管耗表达式求微分 可以得出 当Uom 0 64VCC时 管耗的最大值为 对互补输出级的一只晶体管 最大管耗 最大管耗曲线 5 参数计算 5 参数计算 3 效率 当Uom VCC时效率最大 6 功率管的选择 最大允许反向电压U BR CEO两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降 当VT1饱和导通时 VT2管所承受最大管压降为 2 集电极最大电流ICM 3 集电极最大功耗PCM VT1和VT2参数对称 如电容C足够大 两管发射极的静态电位可达VCC 2 计算方法可参照双电源乙类互补对称功率放大电路 5 6 3单电源互补功率放大电路 当输出功率较大时 要求输出级功率晶体管提供较大的集电极电流iC 但大功率管的 值一般都不大 这就要求输出级的前一级为它提供较大的基极电流驱动iB 即末前级也应该是一个功率放大级 为了得到高的功率放大管 往往采用复合管 5 6 4复合管 组成复合管的条件 每只管都处于放大状态 前一管的输出电流和后一管的基极电流方向必须一致 四种类型的复合管 5 6 4复合管 由相同类型的晶体管组成的复合管 复合管的输入电阻为 复合管的电流放大系数为 5 6 4复合管 由不同类型的晶体管组成的复合管 复合管的电流放大系数为 复合管的输入电阻为 结论 由两个相同类型的晶体管组成的复合管 其类型与原来相同 复合管的 1 2 复合管的由两个不同类型的晶体管组成的复合管 其类型与前级晶体管相同 复合管的 1 2 复合管的 5 6 4复合管 例题 第一级 双端输入单端输出的差放 第二级 以复合管为放大管的共射放大电路 第三级 准互补输出级 化整为零 识别电路 5 7集成运算放大器的参数和种类 1 开环差模电压放大倍数Aud 集成运放在无外加反馈时 输出电压的变化量与输入电压的变化量之比称为开环差模电压放大倍数Aud 通用型集成运放的Aud大都在80dB 100dB左右 2 差模输入电阻rid rid是集成运放在输入差模信号时的输入电阻 3 共模抑制比KCMR 共模抑制比等于差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比的绝对值 也常用分贝数来表示 5 7 1集成运算放大器的参数 4 输入失调电压UIO及其温漂dUIO dT 由于集成运放的输入级电路参数不可能完全对称 输入电压为零时 输出电压不为零 输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压 输入失调电压的温漂是指温度每变化1 时 输入失调电压的变化量 5 输入失调电流IIO及其温漂dIIO dT 反映集成运放的输入级差分对管输入电流的不对称程度 6 输入偏置电流IB 输入级差分对管输入电流的基极 栅极 偏置电流的平均值 即 5 7 1集成运算放大器的参数 8 最大差模输入电压UIdmax UIdmax是不至于使输入级差分管反向击穿损坏的最大差模输入电压 9 3dB带宽 当频率升高使Aud下降3dB时的信号频率 11 单位增益带宽fc 使Aud下降到1时所对应的信号频率 7 最大共模输入电压UIcmax UIcmax为输入级能正常放大共模信号时 容许输入的最大共模信号 5 7 1集成运算放大器的参数 1 几种典型的通用型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 通用型 通用集成运放741内部结构 2 几种典型的高速 宽带型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 高速和宽带型 3 几种典型的高精度 低噪声型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 高精度低噪声型 4 几种典型的高输入阻抗型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 高输入阻抗型 5 几种典型的低功耗型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 低功耗型 6 几种典型的功率型运算放大器参数 5 7 2集成运放的种类 功率型 5 8集成运算放大器的使用注意事项 1 使用时必做的工作 1 使用运放前必须查阅有关手册 辨认芯片管脚 以便正确连线 2 使用运放前用万用表或测试设备对照管脚 测量运放有无短路和断路现象 或用模拟集成电路测试仪器进行检查 3 由于失调电压及失调电流的存在 输入为零时输出不为零 对于内部无自动稳零措施的运放 根据技术指标可以考虑外加调零电路 使之在零输入时得到零输出 4 为了防止电路产生自激振荡 应在集成运放的电源端加上去耦电容或外接频率补偿电容 集成运放使用中损坏原因 1 输入信号过大 使PN结击穿 2 电源电压接反或过高 3 输出端直接接 地 或接电源 运放将因击穿 输出级功耗过大等因素而损坏 为使运放安全工作 保护措施如下 1 输入保护 2 保护措施 2 输出保护 3 电源端保护 输出短路有R保护 同时规范运放的输出幅度 使正向和反向的输出幅度相等 如果电源电压接反 二极管将处于反向状态而截止 2 保护措施