清華大學(xué)模擬電子電路基礎(chǔ)課件4

1、1第四章第四章 集成運算放大電路集成運算放大電路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成運放中的電流源集成運放中的電流源4.3 4.3 集成運放的電路分析及其集成運放的電路分析及其性能指標(biāo)性能指標(biāo)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放的集成運放的發(fā)展發(fā)展2 1941，真空管運放，真空管運放，Karl D. Swartzel Jr. (Bell Lab) 1962，晶體管運放，晶體管運放 (由分立元件封裝而成由分立元件封裝而成) 1963，單片集成運放，單片集成運放 (晶體管晶體管) 1970，單片集成運放，單片集成運放 (場效應(yīng)管場效應(yīng)管)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放的集成運

2、放的應(yīng)用應(yīng)用3 第一代第一代 真空管運放：真空管運放： 模擬計算機，長途電話，中繼器模擬計算機，長途電話，中繼器 第二代第二代 晶體管晶體管/集成運放：集成運放：各種需要信號放大的場合各種需要信號放大的場合廣播、通信：收音機，手機；廣播、通信：收音機，手機；工業(yè)檢測與控制；工業(yè)檢測與控制；IT產(chǎn)業(yè)：計算機、交換機等；產(chǎn)業(yè)：計算機、交換機等；家用電子：照相機、攝像機；家用電子：照相機、攝像機；汽車電子，醫(yī)學(xué)電子等等汽車電子，醫(yī)學(xué)電子等等 發(fā)展方向：高精度、高速、寬帶、低功耗發(fā)展方向：高精度、高速、寬帶、低功耗模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)44.1 概述一、集成運放的特點一、集成運放的特點二、集

3、成運放電路的組成二、集成運放電路的組成三、三、集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一、集成運放的特點一、集成運放的特點5（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性，采用差分放大電路和電流源電路）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性，采用差分放大電路和電流源電路（2 2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性（3 3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻（4 4）采用

4、復(fù)合管）采用復(fù)合管 集成運算放大電路集成運算放大電路，簡稱，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路，因首先用集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路，因首先用于信號運算，故而得名于信號運算，故而得名模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二、集成運放電路的組成二、集成運放電路的組成6兩個兩個輸入端輸入端一個一個輸出端輸出端 若將集成運放看成為一個若將集成運放看成為一個“黑盒子黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放電路四個組成部分的作用集成運放電路四個組成部分的作用7前置級，多采用差分

5、放大電路。要求前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高小，輸入端耐壓高主放大級，多采用共射主放大級，多采用共射或者共源或者共源放大電路。要求有足夠的放大能力放大電路。要求有足夠的放大能力功率級，多采用準(zhǔn)互補輸出級。要求功率級，多采用準(zhǔn)互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大小，最大不失真輸出電壓盡可能大為各級放大電為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路采用電流源電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三、集成運放的電壓傳輸特性三、集成運放的電壓傳輸特性8由于由于Aod高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸

6、入電壓高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為的數(shù)值僅為幾十一百多微伏幾十一百多微伏在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性非線性區(qū)區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是集成運放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運，即集成運放工作在非線性區(qū)。放工作在非線性區(qū)。uO=f(uP-uN)線性區(qū)線性區(qū)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)94.2 集成運放中的電流源一、鏡像電流源一、鏡像電流源二、微電流源二、微電流源三、三、多路電流源多路電流源四四、有源負(fù)載有源負(fù)載 模擬

7、電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一、鏡像電流源一、鏡像電流源10T0 和和 T1 特性完全相同特性完全相同B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，則若在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性電路中有負(fù)反饋嗎？電路中有負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1IIIT0工作狀態(tài)？工作狀態(tài)？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二、微電流源二、微電流源11eBE1BE0E1)(RUUIBEBE0BE1TT()E0ESE1e eUUUUUIIII，eE1E10ETBE10BElnRIII

8、UUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E設(shè)計過程很簡單，首先確定設(shè)計過程很簡單，首先確定IE0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re超越方超越方程程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（1 1）基于比例電流源的多路電流源）基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為因為UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2

9、 IE3Re3三、多路電流源三、多路電流源12模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（2 2）多集電極管構(gòu)成的多路電流源）多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積設(shè)三個集電區(qū)的面積分別為設(shè)三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則，則02C0C201C0C1SSIISSII，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（3 3）MOSMOS管多路電流源管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸 MOS管的漏極電流正比管的漏極電流正比于溝道的寬長比于溝道的寬長比 設(shè)寬長比設(shè)寬長比W/L=S，且，且T1T4的寬長比分別為的寬長比

10、分別為S0、S1、S2、S3，則，則03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 電流源的作用電流源的作用p 理想電流源的特點：理想電流源的特點： 輸出電流恒定輸出電流恒定 溫漂小溫漂小 內(nèi)阻無窮大內(nèi)阻無窮大 對動態(tài)電流信號的影響小對動態(tài)電流信號的影響小p 在放大電路中的作用：在放大電路中的作用： 設(shè)置靜態(tài)偏置電流設(shè)置靜態(tài)偏置電流 作為有源負(fù)載，取代大電阻，提高電壓放大倍數(shù)作為有源負(fù)載，取代大電阻，提高電壓放大倍數(shù)用有源元件取代無源元件！用有源元件取代無源元件！模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)四、有源負(fù)載四、有源負(fù)載 16哪只管

11、子為放大管？哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時靜態(tài)時UBQ為多少？為多少？為什么要考慮為什么要考慮 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu用于共射放大電路cLbbe uRRARr cuRA模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)17電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時靜態(tài)時iO約為多少？約為多少？動態(tài)時動態(tài)時iO約為約為多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路的差模放使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)

12、的差模放大倍數(shù)0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動態(tài)：動態(tài)：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)184.3 集成運放的電路分析及其性能指標(biāo)一、讀圖方法一、讀圖方法二、讀圖舉例二、讀圖舉例三、集成運放的性能指標(biāo)三、集成運放的性能指標(biāo)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)一、讀圖方法一、讀圖方法19了解電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)了解電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路定性分析每一部分電路的基本功能和性能定性分析每一部分電路的基本功能和性能電路相互連接關(guān)系，連接后電路的功能和性能電

13、路相互連接關(guān)系，連接后電路的功能和性能必要時估算或利用必要時估算或利用EDAEDA工具分析電路主要性能指標(biāo)工具分析電路主要性能指標(biāo) 已知電路圖，分析其原理和功能、性能已知電路圖，分析其原理和功能、性能模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二、舉例：二、舉例：F007F007通用型集成運放通用型集成運放20 對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路中間級和輸出級電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)

14、若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流電流找出偏置電路找出偏置電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)雙端輸入、單端輸出差分雙端輸入、單端輸出差分放大電路放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路負(fù)載的共射放大電路用用UBE倍增電路消除交越失倍增電路消除交越失真的真的準(zhǔn)互補輸出級準(zhǔn)互補輸出級三級放大電路三級放大電路簡化電路簡化電路、分解電路分解電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) T3、T4為橫向為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸

15、入電壓幅值大。共基形式頻帶寬幅值大。共基形式頻帶寬共集共集-共基形式共基形式Q點的穩(wěn)定：點的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9與與IC8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9因為因為IC10不變不變IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出輸入級的分析輸入級的分析模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)T7的作用：的作用：抑制共模信號抑制共模信號 T5、T6分別是分別是T3、T4的有源負(fù)載，而的有源負(fù)載，而T4又是又是T6的有源負(fù)載的有源負(fù)載作用？作用？+_放大差模信號放大差模信號+_特點：特

16、點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對轉(zhuǎn)換（即對“地地”輸出）輸出）輸入級的分析輸入級的分析模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中間級的分析中間級的分析25中間級是主放大器，它所采取的一切措中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)施都是為了增大放大倍數(shù)F007的中間級是以復(fù)合管為放大管、的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級流幾

17、乎全部流入輸出級中間級中間級輸出級輸出級模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)輸出級的分析輸出級的分析26D1和和D2起過流保護(hù)作用，未過流時，兩只二極起過流保護(hù)作用，未過流時，兩只二極管均截止管均截止79O14BE1DRURiUUiO增大到一定程度，增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為導(dǎo)通，為T14基極分基極分流，從而保護(hù)流，從而保護(hù)了了T14準(zhǔn)互補輸出級，準(zhǔn)互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真倍增電路消除交越失真中間級中間級輸出級輸出級電流采樣電阻電流采樣電阻特點：特點：輸出電阻小輸出電阻小最大不失真輸出電壓高最大不失真輸出電壓高模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端

18、和反相輸入端模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)F007所具有的高性能所具有的高性能pAd較大：放大差模信號的能力較強較大：放大差模信號的能力較強pAc較?。阂种乒材Ｐ盘柕哪芰^強較?。阂种乒材Ｐ盘柕哪芰^強prid較大：從信號源索取的電流小較大：從信號源索取的電流小pro?。簬ж?fù)載能力強小：帶負(fù)載能力強pUom大：其峰值接近電源電壓大：其峰值接近電源電壓p輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大小的差模電壓大小puIcmax大：接近電源電壓大：接近電源電壓模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三、集成運放的主要性能指標(biāo)三、集成運放的主要性能指標(biāo)29模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模

19、擬電子技術(shù)基礎(chǔ)四、集成運放的種類四、集成運放的種類按工作原理按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信 號控制那個通道的信號放大號控制那個通道的信號放大模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子

20、技術(shù)基礎(chǔ)按性能指標(biāo)按性能指標(biāo)rid，可高于，可高于1012。 用于測量放大器、信號發(fā)生器。用于測量放大器、信號發(fā)生器。 fH和和SR高，高， fH可達(dá)可達(dá)1.7GHz，SR可達(dá)可達(dá) 103V/S。 用于用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益，低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益， Aod高于高于105dB。 用于微弱信號的測量與運算、高精度設(shè)備。用于微弱信號的測量與運算、高精度設(shè)備。工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在100200W。 用于空間技術(shù)、軍事科學(xué)和工業(yè)中的遙感遙測。用于空間技術(shù)、軍事科學(xué)和工業(yè)中的遙感遙測。通常

21、情況下用通用型運放，特殊情況下才用專通常情況下用通用型運放，特殊情況下才用專用型運放。用型運放。四、集成運放的種類四、集成運放的種類模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)討論一討論一根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運放填入空內(nèi)。根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運放填入空內(nèi)。已知現(xiàn)有集成運放的類型是：已知現(xiàn)有集成運放的類型是： 通用型通用型 高阻型高阻型 高速型高速型 低功耗型低功耗型 高壓型高壓型 大功率型大功率型 高精度型高精度型1. 作低頻放大器，應(yīng)選用作低頻放大器，應(yīng)選用 。2. 作寬頻帶放大器，應(yīng)選用作寬頻帶放大器，應(yīng)選用 。3. 作幅值為作幅值為1V以下微弱信號的量測放大器，應(yīng)選用

22、以下微弱信號的量測放大器，應(yīng)選用 。4. 作內(nèi)阻為作內(nèi)阻為10M信號源的放大器，應(yīng)選用信號源的放大器，應(yīng)選用 。5. 負(fù)載需負(fù)載需5A電流驅(qū)動的放大器，應(yīng)選用電流驅(qū)動的放大器，應(yīng)選用 。6. 要求輸出電壓幅值為要求輸出電壓幅值為80的放大器，應(yīng)選用的放大器，應(yīng)選用 。7. 宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用 。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1. 輸入級采用什么措施增大放大倍數(shù)？輸入級采用什么措施增大放大倍數(shù)？2. 中間級采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？中間級采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪個是同相輸入端？

23、哪個是反相輸入端？哪個是同相輸入端？哪個是反相輸入端？有源負(fù)載有源負(fù)載有源負(fù)載有源負(fù)載復(fù)合管共射放大電路復(fù)合管共射放大電路增大輸入級的負(fù)載電阻增大輸入級的負(fù)載電阻_+_+反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端增大第二級的負(fù)載電增大第二級的負(fù)載電阻阻超超管管討論討論二二模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四章 集成運算放大電路內(nèi)容內(nèi)容 n重點節(jié)：重點節(jié)：4.1 , 4.2 次重點節(jié)：次重點節(jié)：4.3, 4.4, 4.5 不要求節(jié)：不要求節(jié)：4.634應(yīng)用應(yīng)用/實踐實踐理論理論恒流源偏置電路恒流源偏置電路鏡像電流源、微電流源、比例電流源、改進(jìn)型電流鏡像電流源、微電流源、比例電流源、改進(jìn)型電流源、多路