集成电路运算放大电路.ppt

4 2集成运放中的电流源 4 1集成运算放大电路概述 4 3集成运放电路的简介 第4章集成运算放大电路 4 4集成运放的性能指标及低频等效电路 小结 4 5集成运放的种类及选择 4 6集成运放的使用 学习指导 在半导体制造工艺的基础上 将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上 构成特定功能的电子电路 称为集成电路 其体积小 而性能却很好 集成电路按其功能分 有模拟集成电路和数字集成电路 模拟集成电路的种类繁多 其中集成运算放大器 简称集成运放 是应用极为广泛的一种 主要内容 1 集成运放中的电流源 2 集成运放及主要性能指标 基本要求 1 熟悉运放的组成及各部分的作用 理解主要性能指标及其使用注意事项 2 了解镜像电流源 微电流源的工作原理 特点和主要用途 3 了解运放F007的基本组成和工作原理 运算放大器图片 集成运算放大电路 简称集成运放 是一个高性能的直接耦合多级放大电路 因首先用于信号的运算 故而得名 4 1集成运算放大电路概述 1 直接耦合方式 充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路 2 用复杂电路实现高性能的放大电路 因为电路复杂并不增加制作工序 3 用有源元件替代无源元件 如用晶体管取代难于制作的大电阻 4 采用复合管 1 集成运放的特点 2 集成运放电路的组成 一个输出端 若将集成运放看成为一个 黑盒子 则可等效为一个双端输入 单端输出的差分放大电路 差动输入级有两个输入uP uN 当信号从uN输入 输出uo与uN极性相反 称uN为反相输入端 当信号从uP输入 输出uo与uP极性相同 称uP为同相输入端 集成运放电路四个组成部分的作用 输入级 前置级 多采用差分放大电路 要求Ri大 Ad大 Ac小 输入端耐压高 中间级 主放大级 多采用共射放大电路 要求有足够的放大能力 输出级 功率级 多采用准互补输出级 要求Ro小 最大不失真输出电压尽可能大 偏置电路 为各级放大电路设置合适的静态工作点 采用电流源电路 3 集成运放的符号和电压传输特性uO f uP uN 由于Aod高达几十万倍 所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 uP uN 的数值仅为几十 一百多微伏 在线性区 uO Aod uP uN Aod是开环差模放大倍数 线性区 曲线斜率为Aod UOM UOM 线性区 uP uN 的数值大于一定值时 集成运放的输出不是 UOM 就是 UOM 即集成运放工作在非线性区 UOM为正向输出饱和电压 UOM为负向输出饱和电压其数值接近运放的正负电源电压 UOM UOM 分析应用电路的工作原理时 首先要分清运放工作在线性区还是非线性区 4 2 2改进型电流源电路 4 2 4电流源作有源负载 在模拟集成电路中 广泛地使用电流源 为放大电路提供稳定的偏置电流 或作为放大电路的有源负载 在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性 4 2 1基本电流源电路 4 2 3多路电流源电路 4 2集成运放中的电流源 1 镜像电流源 T0和T1特性完全相同 输出电流 基准电流 可见 无论T1的集电极电阻如何 IC1的电流值将保持不变 把IC1看作是IR的镜像 镜像电流源结构简单 应用广泛 但是要想减小或者增大IC1 就要增大或者减小R R增大 不利于集成 R减小 IR增大 R的功耗增大 镜像电流源有温度补偿作用 当温度升高时 所以 提高了输出电流IC1的稳定性 1 镜像电流源 2 微电流源要求提供很小的静态电流 又不能用大电阻 3 多路电流源 1 基于比例电流源的多路电流源 UBE0 IE0Re0 UBE1 IE1Re1 UBE2 IE2Re2 UBE3 IE3Re4 因为UBE相差不多 故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 集成运放是一个多级放大电路 需要多路电流源提供各级Q点 可以利用一个IR获得不同的输出电流 即多路电流源 2 多集电极管构成的多路电流源 根据所需静态电流 来确定集电结面积 设三个集电区的面积分别为S0 S1 S2 则 三种基本电流源均是在 2的条件下进行分析的 即忽略了IB对IC1的影响 三种基本电流源电路 镜像电流源 比例电流源 微电流源 在共射 共源 电路中 为了提高Au 通常增大Rc Rd 为了保证Q点稳定 需要提高VCC 不经济也不合理 在集成运放中 常用电流源电路代替Rc Rd 由于晶体管和场效应管是有源元件 所以将这种负载称为有源负载 4以电流源为有源负载的放大电路 4 有源负载 1 用于共射放大电路 哪只管子为放大管 其集电结静态电流约为多少 T1的集电极电阻Rc就是镜像电流源的交流电阻R0 一般Ro在几百千欧以上 2 用于差分放大电路 电路的输入 输出方式 如何设置静态电流 静态时iO约为多少 动态时 iO约为多少 使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数 静态 动态 三 集成运放电路分析1 读图方法 1 了解用途 了解要分析的电路的应用场合 用途和技术指标 2 化整为零 将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路 3 分析功能 定性分析每一部分电路的基本功能和性能 4 统观整体 电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能 5 定量计算 必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数 已知电路图 分析其原理和功能 性能 2 举例 型号为F007的通用型集成运放 对于集成运放电路 应首先找出偏置电路 然后根据信号流通顺序 将其分为输入级 中间级和输出级电路 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流 则这个电流往往是偏置电路中的基准电流 找出偏置电路 双端输入 单端输出差分放大电路 以复合管为放大管 恒流源作负载的共射放大电路 用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级 三级放大电路 简化电路分解电路 输入级的分析 共集形式 输入电阻大 允许的共模输入电压幅值大 共基形式频带宽 共集 共基形式 T1和T2从基极输入 射极输出 T3和T4从射极输入 集电极输出 T5 T6 T7分别是T3 T4的有源负载 作用 抑制共模信号 放大差模信号 特点 输入电阻大 差模放大倍数大 共模放大倍数小 输入端耐压高 并完成电平转换 即对 地 输出 中间级的分析 中间级是主放大器 它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数 F007的中间级是以复合管为放大管 采用有源负载的共射放大电路 由于等效的集电极电阻趋于无穷大 故动态电流几乎全部流入输出级 中间级 输出级 输出级的分析 D1和D2起过流保护作用 未过流时 两只二极管均截止 iO增大到一定程度 D1导通 为T14基极分流 从而保护了T14 准互补输出级 UBE倍增电路消除交越失真 中间级 输出级 特点 输出电阻小最大不失真输出电压高 判断同相输入端和反相输入端 四 集成运放的主要性能指标 指标参数F007典型值理想值1 开环差模增益Aod106dB 2 差模输入电阻rid2M 3 共模抑制比KCMR90dB 四 集成运放的主要性能指标 指标参数F007典型值理想值4 输入失调电压UIO1mV UIO的温漂dUIO dT 几 V 0 5 输入失调电流IIO20nA0 IIO的温漂dIIO dT 几nA 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压 四 集成运放的主要性能指标 指标参数F007典型值理想值6 最大共模输入电压UIcmax 13V 8 3dB带宽fH10Hz 9 转换速率SR0 5V S 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压 7 最大差模输入电压UIdmax 30V 超过此值输入级差分管将损坏 上限截止频率 对大信号的反应速度 为什么这么低 四 集成运放的主要性能指标 指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB 差模输入电阻rid2M 共模抑制比KCMR90dB 输入失调电压UIO1mV0UIO的温漂dUIO dT 几 V 0输入失调电流IIO IB1 IB2 20nA0UIO的温漂dUIO dT 几nA 0最大共模输入电压UIcmax 13V最大差模输入电压UIdmax 30V 3dB带宽fH10Hz 转换速率SR duO dt max 0 5V S 五 集成运放的种类 按工作原理 电压放大型 输入量与输出量均为电压电流放大型 输入量与输出量均为电流跨导型 输入量为电压 输出量均为电流互阻型 输入量为电流 输出量均为电压 按可控性 可控增益 利用外加控制电压控制增益的大小选通控制 输入为多通道 利用输入的逻辑信号控制那个通道的信号放大 五 集成运放的种类 按性能指标 高阻型 rid 可高于1012 用于测量放大器 信号发生器 高速型 fH和SR高 fH可达1 7GHz SR可达103V S 用于A D D A转换电路 视频放大器 高精度型 低失调 低温漂 低噪声 高增益 Aod高于105dB 用于微弱信号的测量与运算 高精度设备 低功耗型 工作电源电压低 静态功耗小 在100 200 W 用于空间技术 军事科学和工业中的遥感遥测 大功率型 仪表用放大器 隔离放大器 缓冲放大器 通常情况下用通用型运放 特殊情况下才用专用型运放 讨论一 根据下列要求 将应优先考虑使用的集成运放填入空内 已知现有集成运放的类型是 通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高压型 大功率型 高精度型1 作低频放大器 应选用 2 作宽频带放大器 应选用 3 作幅值为1 V以下微弱信号的量测放大器 应选用 4 作内阻为10M 信号源的放大器 应选用 5 负载需5A电流驱动的放大器 应选用 6 要求输出电压幅值为 80的放大器 应选用 7 宇航仪器中所用的放大器 应选用 讨论二 1 输入级采用什么措施增大放大倍数 2 中间级采用什么措施增大电压放大倍数 3 如何消除交越失真 4 uI1 uI3哪个是同相输入端 哪个是反相输入端 有源负载 有源负载 复合管共射放大电路 增大输入级的负载电阻 反相输入端 同相输入端 超 管 小结 1 集成电路运算放大器是用集成工艺制成的 具有高增益的直接耦合多级放大电路 它一般由输入级 中间级 输出级和偏置电路四部分组成 为了抑制温漂和提高共模抑制比 常采用差分式放大电路作输入级 中间为电压增益级 互补对称电压跟随电路常用作输出级 电流源电路构成偏置电路 2 电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路 其特点是直流电阻小 交流电阻很大 并具有温度补偿作用 它常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级Q点的偏置电路 小结 3 集成运放的主要性能指标有Aod rid UIO和dUIO dT IIO和dIIO dT 3dB带宽fH 单位增益带宽fc和SR 一般场合采用通用型运放 特殊要求时采用专用型运放 4 集成运放是模拟集成电路的典型组件 对于它内部电路的分析和工作原理只要求作定性的了解 目的在于掌握它的主要技术指标 做到根据电路系统的要求 正确地选择元器件 在使用运放时应注意调零 频率补偿和必要的保护措施