模電課件第5章集成運(yùn)算放大電路

模擬電子技術(shù)

基礎(chǔ)第四章集成運(yùn)算放大電路§4.1集成運(yùn)算放大電路概述§4.2電流源§4.3集成運(yùn)放內(nèi)部電路簡介§4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)和低頻等效電路§4.5集成運(yùn)放電路的種類及選擇§4.6集成運(yùn)放的使用第四章集成運(yùn)算放大電路了解集成電路的組成、特點(diǎn)，集成運(yùn)放的典型電路、集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)、各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)、集成運(yùn)放使用中應(yīng)注意的問題等。理解集成運(yùn)算放大電路各基本組成部分的功能和相互關(guān)系，理解差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)、共模抑制比、有源負(fù)載、復(fù)合管、交越失真、過載保護(hù)、理想運(yùn)放、“虛短”、“虛斷”等基本概念。掌握鏡像電流源、比例電流源、微電流源、互補(bǔ)對稱電路的組成、工作原理和基本分析方法，掌握理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)，掌握復(fù)合管的構(gòu)成方法。＊集成運(yùn)放電路的概念將放大電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。

＊優(yōu)點(diǎn)工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。＊分類模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；

§4.1集成運(yùn)算放大電路概述＊集成運(yùn)放的外形：級(jí)間耦合采用直接耦合方式，電路結(jié)構(gòu)緊湊；采用差分放大電路做為輸入級(jí)；偏置電流由電流源提供；多采用復(fù)合管，提高電路性能；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。＊集成運(yùn)放的特點(diǎn)（一）片內(nèi)元器件管子性能一致性高。電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。電阻——由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。電容——幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成。大電容要外接。二極管——一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。＊集成運(yùn)放的特點(diǎn)（二）＊集成運(yùn)放電路的組成（一）偏置電路：為各級(jí)放大電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源供電方式。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，最大不失真電壓盡可能大。-VEE

+VCC

E

RC

T1RC

T2T5T6RC3

RE2

RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4級(jí)：互補(bǔ)對稱射極跟隨器差動(dòng)放大器第2級(jí)第1級(jí)：差動(dòng)放大器第3級(jí)：單管放大器–+＊集成運(yùn)放的組成（二）極性判斷采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器；輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器；輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻；輸出級(jí)采用互補(bǔ)對稱式射極跟隨器，以進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載的能力。＊集成運(yùn)放的組成（二）ri大:幾十kΩ～幾百kΩ；ro?。簬资珟装佴?；＊集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)＊運(yùn)放符號(hào)和電壓傳輸特性Aod很大:104～107KCMR

很大在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)，Aod是差模放大倍數(shù)。集成運(yùn)放有線性放大區(qū)和飽和區(qū)（或非線性區(qū)）。線性區(qū)——曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)；飽和區(qū)——輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或－UOM。

例：若UOM=±14V，Aod=5*105。則只有當(dāng)|uP-uN|<28V，運(yùn)放才處于線性區(qū)。Aod越大，運(yùn)放的線性范圍越小，只有在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。＊集成運(yùn)放的低頻等效電路理想運(yùn)放：ri→∞r(nóng)o→0Aod→∞KCMR→∞電流源的分類——鏡像電流源、比例電流源、微電流源、多路電流源等；電流源的作用——在電路中提供靜態(tài)偏置，或作為有源負(fù)載替代電阻負(fù)載。電流源的特點(diǎn)——理想的電流源相當(dāng)于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比無窮大，但不會(huì)影響差模放大倍數(shù)。§4.2電流源一.鏡像電流源恒流特性！

無論Rc的值如何，

IC1的電流值將保持不變。三極管工作狀態(tài)？鏡像電流源的優(yōu)點(diǎn)：電路簡單。鏡像電流源的缺點(diǎn)：1.

IC1受VCC及UBE和R的影響；2.若想得到微電流源，要求R很大；3.

要求管子的β值大，否則IC1和IR差別很大。4.

IC1與IR近似相等，不便調(diào)整。二.比例電流源三.微電流源要求產(chǎn)生很小的靜態(tài)電流，且不使用大電阻。P.190四.改進(jìn)型電流源加射極輸出器的電流源（減小基極電流對基準(zhǔn)電流的影響）威爾遜電流源（使IC2高度穩(wěn)定）五.多路電流源電路選取合適的發(fā)射極電阻，實(shí)現(xiàn)各路電流的設(shè)置。選取合適的集電區(qū)面積，實(shí)現(xiàn)各路電流的設(shè)置。選取合適的場效應(yīng)管幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)各路電流的設(shè)置。六.有源負(fù)載的放大電路（1）有源負(fù)載共射放大電路及其等效電路T1是放大管，T2、T3構(gòu)成鏡像電流源。顯著增大了?。?）有源負(fù)載差分放大電路靜態(tài)時(shí)，當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，結(jié)論：利用鏡像電流源作有源負(fù)載，不但可使T2管的輸出靜態(tài)電流為零，而且還使所有變化電流（交流量）流向負(fù)載RL。使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)。了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)?；麨榱悖簩⒄麄€(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。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。定量計(jì)算：必要時(shí)可估算或應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)?！?.3集成運(yùn)放內(nèi)部電路簡介＊讀圖方法對于集成運(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。＊電路分析舉例[F007]F007電路原理圖＊F007電路放大部分以復(fù)合管為放大管，恒流源作負(fù)載的共射放大電路雙端輸入、單端輸出共集-共基放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)輸入級(jí)分析：共集-共基形式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。共基結(jié)構(gòu)電路頻帶寬。T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，而T4又是T6的有源負(fù)載。T7的作用：抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)Ri大，Ad大，Ac小，共模輸入范圍大，輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換。中間級(jí)分析T16、T17：復(fù)合管共射放大（C改善頻率特性）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。輸出級(jí)分析§4.4集成運(yùn)放性能指標(biāo)

和低頻等效電路開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod：一般在105～107之間。理想運(yùn)放的Aod為∞共模抑制比KCMMR：常用分貝作單位，一般100dB以上差模輸入電阻rid：rid>1MΩ,有的可達(dá)100MΩ以上輸出電阻ro：ro

=幾Ω~幾十Ω-3dB帶寬BW：運(yùn)放是直流放大器，也可放大低頻信號(hào)，但不適用于高頻信號(hào)。輸入失調(diào)電壓VIO及溫漂VIO/T輸入失調(diào)電流IIO及溫漂IIO/T輸入偏置電流IIB轉(zhuǎn)換速率SR最大共模輸入電壓Vicmax最大差模輸入電壓Vidmax-3dB帶寬op07的主要參數(shù)1)低的輸入噪聲電壓幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)

2)極低的輸入失調(diào)電壓—10μV

3)極低的輸入失調(diào)電壓溫漂—0.2μV/℃

4)具有長期的穩(wěn)定性—0.2μV/MO

5)低的輸入偏置電流—±1nA

6)高的共模抑制比—126dB

7)寬的共模輸入電壓范圍—±14V

8)寬的電源電壓范圍—±3V～±22VINA118的主要參數(shù)：

●最大偏移電壓：50μV；

●最大輸入基極電流：5nA；

●最小共模抑制比：110dB；

●輸入過壓保護(hù)電壓：±40V；

●電源電壓：±1.35V～±18V；

●帶寬：單位增益時(shí)為800kHz；

●穩(wěn)定時(shí)間：單位增益時(shí)為25μs；

●工作溫度范圍：－40℃～85℃；

●封裝形式：8腳DIP＊集成運(yùn)放的低頻等效電路理想運(yùn)放：ri→∞r(nóng)o→0Aod→∞KCMR→∞§4.5集成運(yùn)放的種類與選擇一、集成運(yùn)放的發(fā)展第一代：基本沿用了分立元件放大電路的設(shè)計(jì)思想，電路的集成度很低。典型產(chǎn)品：uA709;F003第二代：普遍采用了有源負(fù)載。典型產(chǎn)品：uA741;F007第三代：輸入級(jí)采用了超β管，版圖設(shè)計(jì)上考慮了熱效應(yīng)的影響。典型產(chǎn)品：AD508;F1556第四代：采用了斬波穩(wěn)零和動(dòng)態(tài)穩(wěn)零技術(shù)。典型產(chǎn)品：HA2900;5G7650二、集成運(yùn)放的種類1.按工作原理分類電壓放大型、電流放大型、跨導(dǎo)型、互阻型2.按可控性分類高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等3.按性能指標(biāo)分類可變增益運(yùn)放、選通控制運(yùn)放三、集成運(yùn)放的選擇了解集成電路的類型，掌握集成電路的主要參數(shù)是選擇集成電路的前提。選擇的依據(jù)：

信號(hào)源的性質(zhì)；

精度的要求；

負(fù)載的性質(zhì)；

環(huán)境條件?！?.6集成運(yùn)放的使用＊集成運(yùn)放的電源供給方式

集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式,對輸入信號(hào)的要求是不同的。對稱雙電源供電方式：可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對稱電源電壓。單電源供電方式：保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。＊集成運(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度,要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零,而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零方法。內(nèi)部調(diào)零與外部調(diào)零電路＊集成運(yùn)放的自激振蕩問題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器,在接成深度負(fù)反饋條件下,很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定