童诗白模拟电路课件4-2-4.ppt

第四版童诗白 第四章集成运算放大电路 4 1集成运算放大电路概述 4 2集成运放中的电流源电路 4 3集成运放电路简介 4 5集成运放的种类及选择 4 4集成运放的指标及低频等效电路 4 6集成运放大的使用 第四版童诗白 本章重点和考点 1 集成电路的特点 2 偏置电路 电流源 的作用 分类及计算 3 理想集成运算放大电路 IC 的性能指标 第四版童诗白 本章讨论的问题 1 什么是集成运算放大电路 将分立元件直接耦合放大电路做在一个硅片上就是集成运放吗 集成运放电路结构有什么特点 2 集成运放由哪几部分组成 各部分的作用是什么 3 如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点 4 集成运放的电压传输特性有什么特点 5 如何评价集成运放的性能 有哪些主要指标 6 集成运放有哪些类型 如何选择 使用时应注意哪些问题 4 1集成运算放大电路概述 集成电路简称IC IntegratedCircuit 集成电路按其功能分 数字集成电路 模拟集成电路 模拟集成电路类型 集成运算放大器 集成功率放大器 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成数 模或模 数转换器等 集成电路的外形 集成电路的外形 a 双列直插式 b 圆壳式 c 扁平式 4 1 1集成运放的电路结构特点 一 对称性好 适用于构成差分放大电路 二 集成电路中电阻 其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间 如需高阻值电阻时 要在电路上另想办法 三 在芯片上制作三极管比较方便 常常用三极管代替电阻 特别是大电阻 四 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难 电路通常采用直接耦合电路方式 五 集成电路中的NPN PNP管的 值差别较大 通常PNP的 10 常采用复合管的形式 一 输入级 差分电路 大大减少温漂 二 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 三 输出级 互补对称电路 带负载能力强 四 偏置电路 电流源电路 为各级提供合适的静态工作点 4 1 2集成运放电路的组成及其各部分的作用 实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路 图4 1 1集成运算的基本组成 4 1 3集成运放的电压传输特性 图4 1 2集成运放的符号和电压传输特性 uO f uP uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反向输入端uN 电压传输特性 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 4 2集成运放中的电流源电路 集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外 还构成电流源电路 为各级提供合适的静态电流 或作为有源负载取代高阻值电阻 从而增大放大电路的电压放大倍数 4 2 1基本电流源电路 一 镜像电流源 电流镜CurrentMirror 基准电流 由于UBE1 UBE2 T1与T2参数基本相同 则 IB1 IB2 IB IC1 IC2 IC 所以 当满足 2时 则 图4 2 1 二 比例电流源 由图可得 UBE1 IE1R1 UBE2 IE2R2 由于UBE1 UBE2 则 忽略基极电流 可得 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比 故称为比例电流源 图4 2 2比例电流源 三 微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻Re 引入Re使UBE2 UBE1 且IC2 IC1 即在Re值不大的情况下 得到一个比较小的输出电流IC2 图4 2 3微电流源 基本关系 因二极管方程 若IC1和IC2已知 可求出Re 图4 2 3微电流源 复习 1 集成运放的电路结构特点 2 集成运放的组成部分 输入级常用什么结构 输出级常用什么结构 3 集成运放的二个工作区域 各自特点 4 2 2改进型电流源电路 问题 基本电流源电路在 很小时 IR和IC2相差很大 为了减小基极电流的影响 提高输出电流与基准电流的传输精度 稳定输出电流 可对基本电流源电路进行改进 一 加射极输出器的电流源 由于增加了T3 使IC2更加接近IREF 如何证明 缺点 1 受电源波动影响大 2 电流最低至mA级 IC2 IC1 IREF IB3 IREF IE3 1 如 10IC2 0 982IREF 增加电阻Re2目的是使IE3增大 图4 2 4加射极输出器的电流源 二 威尔逊电流源 T1管的c e串联在T2管的发射极 其作用与典型的工作点稳定电路中的Re相同 图4 2 5威尔逊电流源 公式推导 略 当 10IC2 0 984IR 可见 在 很小时 也可认为IC2 IR IC2受基极电流影响很小 问题 IR如何计算 4 2 3多路电流源 电路图 公式推导 IC IE IREF IB 1 当 较大时IC IREF 由于各管的 UBE相同 IERE IREFRE IE1RE1 IE2RE2 IE3RE3 IC2 IE2 IREFRE RE2 IC3 IE3 IREFRE RE3 IC1 IE1 IREFRE RE1 所以 图4 2 6基于图4 24的多路电流源 多集电极管构成的多路电流源 图4 2 7多集电极管构成的多路电流源 当基极电流一定时 集电极电流之比等于它们的集电区面积之比 MOS管多路电流源 图4 2 8MOS管多路电流源 设沟道宽长比W L S 漏极电流之比正比于沟道的宽长比 例4 2 1图4 2 9所示电路是F007的电流源部分 其中T10与T11为纵向NPN管 T12与T13是横向PNP管 它们的 为5 b e间电压值约为0 7V 试求各管的电电流 图4 2 9F007中的电流源电路 解 0 73mA IC10 28uA 0 52mA 4 2 4以电流源为有源负载的放大电路 在集成运放中 常用电流源电路取代RC或Rd 这样在电源电压不变的情况下 既可获得合适的静态电流 对于交流信号 又可获得很大的等效RC或Rd的 晶体管和场效应管是有源元件 又可作为负载 故称为有源负载 一 有源负载共射放大电路 1 电路图 2 静态分析 求参考电流 略 3 动态分析 二 有源负载差分放大电路 利用镜像电流源可以使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的情况 2 静态分析 1 电路图 3 动态分析 放大电路采用差分输入 单端输出 工作电流由恒流源I决定 输出电流 io ic4 ic2 2 ic4 图4 2 11有源负载差分放大电路 4 3集成运放电路简介 典型的集成运放 双极型集成运放F007 CMOS集成运放C14573 一 引脚 4 3 1双极型集成运放F007 F007的引脚及连接示意图 a b 连接示意图 二 电路原理图 图4 3 1F007电路原理图 1 偏置电路 至输入级 至中间级 基准电流 基准电流产生各放大级所需的偏置电流 各路偏置电流的关系 IREF I11 IC10 I3 4 IC9 IC8 IC12 IC13 微电流源 镜像电流源 输入级 镜像电流源 中间级 输出级 图4 3 1 1F007的偏置电路 2 输入级 T1 T2 T3 T4组成共集 共基差分放大电路 T1 T2基极接收差分输入信号 T5 T6有源负载 T4集电极送出单端输出信号至中间级 uO RW调零电阻 R外接电阻 T7与R2组成射极输出器 图4 3 1 2 若暂不考虑T7和调零电路则电路可简化为 1 T1 T2共集组态 具有较高的差模输入电阻和共模输入电压 2 共基组态的T3 T4 与有源负载T5 T6组合 可以得到很高的电压放大倍数 3 T3 T4共基接法能改善频率响应 4 该电路具有共模负反馈 能减小温漂 提高共模抑制比 图4 3 1 2简化示意图 3 中间级 输入来自T4和T6集电极 输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极 中间级T16 T17组成复合管 T13作为其有源负载 8 9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡 4 输出级 图4 3 1 4F007输出级原理电路 T14 T18 T19准互补对称电路 D1 D2 R9 R10过载保护电路 T15 R7 R8为功率管提供静态基流 调节R7 R8阻值可调节两个功率管之间的电压差 这种电路称为UBE倍增电路 过载保护电路 二极管保护电路 保护元件 VD3 VD4 Re1 Re2 输出电流正常 VD3 VD4截止 保护不起作用 若VT1正向IC1 URe1 VD3导通 IB1 IC1 输出电流无法增大 保护功率管VT1 若VT2反向电流IC2 URe2 VD4导通 IB2 IC2 避免VT2电流过大 图4 2 25过载保护电路 三极管保护电路 保护元件 工作原理与二极管保护原理类似 VT3 VT4 Re1 Re2 Re愈大 则IEm愈小 温度升高 UD UBE降低 Iem减小 更有利于保护在高温下的集成运放 图4 2 25过载保护电路 4 3 2 单极型集成运放 一 电路结构 双入双出差分式放大电路耗尽型NMOSFET对管T1 T2 有源负载增强型NMOSFET对管T3T4 偏置电路TREF T5 T6T7组成 二 工作原理 电路的基准电流IREF ID5 ID6 I0 静态分析ID1 ID2 I0 2输出电压UoQ UoD1Q UoD2Q 0 动态分析uo uoD1 uoD2 差模电压增益AVD uo uid gm rds1 rds3 4 4集成运放的性能指标及低频等效电路 一 开环差模电压增益Aod 一般用对数表示 定义为 单位 分贝 理想情况Aod为无穷大 实际情况Aod为100 140dB 4 4 1集成运放的主要性能指标 二 输入失调电压UIO 三 输入失调电压温漂 UIO 定义 为了使输出电压为零 在输入端所需要加的补偿电压 一般运放 UIO为1 10mV 高质量运放 UIO为1mV以下 定义 一般运放为每度10 20 V 高质量运放低于每度0 5 V以下 四 输入失调电流IIO 五 输入失调电流温漂 IIO 当输出电压等于零时 两个输入端偏置电流之差 即 定义 一般运放为几十 一百纳安 高质量的低于1nA 定义 一般运放为每度几纳安 高质量的每度几十皮安 六 输入偏置电流IIB 七 差模输入电阻rid 八 共模抑制比KCMR 定义 输出电压等于零时 两个输入端偏置电流的平均值 定义 一般集成运放为几兆欧 定义 多数集成运放在80dB以上 高质量的可达160dB 九 最大共模输入电压UIcm 输入端所能承受的最大共模电压 十 最大差模输入电压UIdm 反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压 十一 3dB带宽fH 表示Aod下降3dB时的频率 一般集成运放fH只有几赫至几千赫 十二 单位增益带宽fc Aod降至0dB时的频率 此时开环差模电压放大倍数等于1 十三 转换速率SR 额定负载条件下 输入一个大幅度的阶跃信号时 输出电压的最大变化率 单位为V s 在实际工作中 输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值 其他技术指标还有 最大输出电压 静态功耗及输出电阻等 4 4 2集成运放的低频等效电路 考虑各种失调因素时等效电路图 不考虑各种失调因素的电路图 4 5集成运放的种类及选择 4 5 1集成运放的发展概况 4 5 2集成运放的种类 一 按工作原理分类 1 电压放大型F007 F3242 电流放大型LM3900 F19003 跨导型LM3080 F30804 互阻型AD8009 AD8011 二 按可控性分类 1 可变增益运放2 选通运放 1 高精度型 性能特点 漂移和噪声很低 开环增益和共模抑制比很高 误差小 F5037 2 低功耗型 性能特点 静态功耗一般比通用型低1 2个数量级 不超过毫瓦级 要求电压很低 有较高的开环差模增益和共模抑制比 TLC2552 三 按性能指标分类 3 高阻型 性能特点 通常利用场效应管组成差分输入级 输入电阻高达1012 高阻型运放可用在测量放大器 采样 保持电路 带通滤波器 模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中 F3130 4 高速型 大信号工作状态下具有优良的频率特性 转换速率可达每微秒几十至几百伏 甚至高达1000V s 单位增益带宽可达10MHz 甚至几百兆欧 性能特点 常用在A D和D A转换器 有源滤波器 高速采样 保持电路 模拟乘法器和精度比较器等电路中 F3554 5 高压型 性能特点 输出电压动态范围大 电源电压高 功耗大 6 大功率型 性能特点 可提供较高的输出电压较大的输出电流 负载上可得到较大的输出功率 4 5 3运放的选择 略 4 6集成运放的使用 一 集成运放的外引线 管脚 二 使用中可能出现的异常现象 1 不能调零 调零电位器故障 电路接线有误或有虚焊 反馈极性接错或负反馈开环 集成运放内部损坏 重新接通即可恢复为输入信号过大而造成 堵塞 现象 4 6 1使用时必做的工作 2 漂移现象严重 存在虚焊点 运放产生自激振荡或受强电磁场干扰 集成运放靠近发热元件 输入回路二极管受光照射 调零电位器滑动端接触不良 集成运放本身损坏或质量不合格 3 产生自激振荡 按规定部位和参数接入校正网络 防止反馈极性接错 避免负反馈过强 合理安排接线 防止杂散电容过大 4 6 2保护措施 一 输入保护 a 防止输入差模信号幅值过大 b 防止输入共模信号幅值过大 图4 6 1输入保护措施 二 电源极性错接保护 保护元件 D1 D2 三 输出端错接保护 保护元件 稳压管DZ1 DZ2 图4 6 2利用稳压管保护运放 图4 6 3电源接错保护 四 输出限流保护 保护元件 T1 T2 b 保护管工作特性 正常工作时工作点在A 工作电流过大 工作点经B移到C或D点 a 电路图 B C D A 图输出限流保护 4 6 3输出电压与输出电流的扩展 一 提高输出电压 采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路 来输出电压幅值 图4 6 4提高输出电压的电路 二 增大输出电流 在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级 复习 1 差分放大电路的类别 基本差分放大电路 长尾差分放大电路 恒流源式差分放大电路 2 差分放大电路的接法 FET差分放大电路 3 直接耦合互补输出级 复习 1 集成电路的组成 2 集成电路中的电流源 镜像电流源 比例电流源 微电流源 加射极输出器的电流源 威尔逊电流源 多路电流源 MOS管多路电流源 MOS管多路电流源