模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第13講 集成運(yùn)算放大電路 (2)

1、第十三講 集成運(yùn)算放大電路Integrated Operational Amplifiers第十三講 集成運(yùn)算放大電路一、概述二、集成運(yùn)放中的電流源電路三、集成運(yùn)放電路分析四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)五、集成運(yùn)放的種類一、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電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐窂?fù)雜并不增加制作工序。（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。（4）采用復(fù)合管。 1. 集成運(yùn)放的特點(diǎn) 集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算，故而得名。2. 集成運(yùn)放電路的組成兩

2、個(gè)輸入端一個(gè)輸出端 若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子”，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大， Ac小，輸入端耐壓高。中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。3. 集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性 uO=f(uP-uN) 由于Aod高達(dá)幾十萬倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：uOAod(uPu

3、N) Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是UOM , 就是UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。二、集成運(yùn)放中的電流源電路1. 鏡像電流源T0 和 T1 特性完全相同。在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流2. 微電流源 要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。設(shè)計(jì)過程很簡(jiǎn)單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re3. 多路電流源（1）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。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3R

4、e4因?yàn)閁BE相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3（2）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。設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則（3）MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。 MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長(zhǎng)比。 設(shè)寬長(zhǎng)比W/L=S，且T1T4的寬長(zhǎng)比分別為S0、S1、S2、S3，則基準(zhǔn)電流4. 有源負(fù)載 （1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時(shí)UIQ為多少？為什么要考慮 h22?（2）用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時(shí)iO約為多少？動(dòng)態(tài)時(shí)iO約為多少？ 使

5、單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動(dòng)態(tài)：三、集成運(yùn)放電路分析1. 讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計(jì)算：必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。2. 舉例：型號(hào)為F007的通用型集成運(yùn)放 對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)電路。 若在集成運(yùn)放電路中

6、能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。找出偏置電路雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)三級(jí)放大電路簡(jiǎn)化電路分解電路輸入級(jí)的分析 T3、T4為橫向PNP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幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點(diǎn)的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9與IC8為鏡像關(guān)系IC9因?yàn)镮C10不變IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出輸入級(jí)的分析T7的作用：抑制共模信號(hào) T5、T6

7、分別是T3、T4的有源負(fù)載，而T4又是T6的有源負(fù)載。作用？+_放大差模信號(hào)+_特點(diǎn)：輸入電阻大差模放大倍數(shù)大共模放大倍數(shù)小輸入端耐壓高完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地”輸出）。中間級(jí)的分析 中間級(jí)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)。 F007的中間級(jí)是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)的分析D1和D2起過流保護(hù)作用，未過流時(shí)，兩只二極管均截止。 iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T14基極分流，從而保護(hù)T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，UBE倍增電路消除交越失真。中間級(jí)輸出級(jí)電流采樣電阻特點(diǎn)：輸出電阻小最大不

8、失真輸出電壓高判斷同相輸入端和反相輸入端F007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號(hào)的能力較強(qiáng)Ac較?。阂种乒材Ｐ盘?hào)的能力較強(qiáng)rid較大：從信號(hào)源索取的電流小ro小：帶負(fù)載能力強(qiáng)Uom大：其峰值接近電源電壓輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù) F007典型值 理想值 開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù) F007典型值 理想值 UIO的溫漂dUIO/dT() 幾V/ 0UIO的溫漂dUIO/dT() 幾V/ 0輸入失調(diào)電流 II

9、O 20nA 0IIO的溫漂dIIO/dT() 幾nA/ 0 使輸出電壓等于零在輸入端加的補(bǔ)償電壓。四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù) F007典型值 理想值最大共模輸入電壓 UIcmax 13V-3dB帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信號(hào)時(shí)容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓 UIdmax 30V超過此值輸入級(jí)差分管將損壞。上限截止頻率。對(duì)大信號(hào)的反應(yīng)速度為什么這么低？四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù) F007典型值 理想值開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV

10、0UIO的溫漂d UIO/dT() 幾V/ 0輸入失調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0UIO的溫漂d UIO/dT() 幾nA/ 0 最大共模輸入電壓 UIcmax 13V最大差模輸入電壓 UIdmax 30V-3dB帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 五、集成運(yùn)放的種類按工作原理電壓放大型：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，輸出量均為電壓按可控性可控增益：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 號(hào)控制那個(gè)通道的信號(hào)放大五、

11、集成運(yùn)放的種類按性能指標(biāo)高 阻 型：rid，可高于1012。 用于測(cè)量放大器、信號(hào)發(fā)生器。高 速 型： fH和SR高， fH可達(dá)1.7GHz，SR可達(dá) 103V/S。 用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。高精度型：低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益， Aod高于105dB。 用于微弱信號(hào)的測(cè)量與運(yùn)算、高精度設(shè)備。低功耗型：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(cè)。大功率型、儀表用放大器、隔離放大器、緩沖放大器通常情況下用通用型運(yùn)放，特殊情況下才用專用型運(yùn)放。討論一根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運(yùn)放填入空內(nèi)。已知現(xiàn)有集成運(yùn)放的類型是： 通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高壓型 大功率型 高精度型1. 作低頻放大器，應(yīng)選用 。2. 作寬頻帶放大器，應(yīng)選用 。3. 作幅值為1V以下微弱信號(hào)的量測(cè)放大器，應(yīng)選用 。4. 作內(nèi)阻為10M信號(hào)源的放大器，應(yīng)選用 。5. 負(fù)載需5A電流驅(qū)動(dòng)的放大器，應(yīng)選用 。6