電子技術(shù)基礎(chǔ)-第五章-集成運(yùn)算放大器

電子技術(shù)基礎(chǔ)--第五章--集成運(yùn)算放大器第1頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述第2頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月引言集成電路采用硅平面制造工藝，將二極管、三極管、電阻、電容等元器件以及它們之間的連線同時(shí)制造在一小塊半導(dǎo)體基片上，并封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，構(gòu)成具有特定功能的電路和系統(tǒng)。第3頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合的集成的具有很高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)放大電路。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只能外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。（6）一般無(wú)二極管，用三極管代替(B、C極接在一起)。集成運(yùn)算放大器集成電路的工藝特點(diǎn)第4頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月集成運(yùn)放的組成：輸入級(jí)

輸入級(jí)通常要求有盡可能低的零點(diǎn)漂移，較高的共模抑制能力，輸入阻抗高及偏置電流小，因此一般采用差分放大電路。

第5頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中間級(jí)主要承擔(dān)電壓放大的任務(wù)，多采用共射或共源放大電路。為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復(fù)合管做放大管，用恒流源做有源負(fù)載。集成運(yùn)放的組成：中間級(jí)

第6頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

輸出級(jí)要求具有一定的帶負(fù)載能力（即輸出電阻?。┖鸵欢ǖ妮敵鲭妷杭半娏鲃?dòng)態(tài)范圍。因此輸出級(jí)多采用射極輸出器、互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。集成運(yùn)放的組成：輸出級(jí)第7頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。一般采用鏡像電流源，以及由其演變而成的微電流源、多路輸出電流源等。集成運(yùn)放的組成：偏置電路第8頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸入級(jí)T1、T3和T2、T4簡(jiǎn)化電路偏置電路T5、T6有源負(fù)載中間級(jí)T7、T8輸出級(jí)T11

T13甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路(OCL)采用單電源(OTL)時(shí)，輸入端靜態(tài)電位應(yīng)為0.5VCC。復(fù)合管，共發(fā)射極具有高增益第10頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.直接耦合放大電路可以放大直流信號(hào)#為什么一般的集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦合方式？第11頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移零漂：輸入短路時(shí)，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。主要原因：溫度變化引起，也稱(chēng)溫漂。Q點(diǎn)位置隨著溫度的上升和下降而移動(dòng)，從另一個(gè)角度來(lái)看：可以認(rèn)為Q點(diǎn)沒(méi)有動(dòng)，而產(chǎn)生了一個(gè)緩慢變化的交流信號(hào)。這種信號(hào)又因?yàn)槭侵苯玉詈戏绞蕉恢鸺?jí)放大。電源電壓波動(dòng)也是原因之一溫漂指標(biāo)：溫度每升高1度時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。第12頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例若第一級(jí)漂移100uV（已折合到輸入端），則輸出漂移1V。若第二級(jí)也漂移100uV，則輸出漂移10mV。假設(shè)第一級(jí)是關(guān)鍵3.減小零漂的措施

用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償

采用恒溫環(huán)境。

采用差分式放大電路漂移100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV第13頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)差分式放大電路一、長(zhǎng)尾差分式放大電路第14頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的共射電路組成，通過(guò)射極公共電阻Ree耦合構(gòu)成。

?1=?

2=?

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb第15頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月差模信號(hào)：有用的信號(hào)，包含著信息，要進(jìn)行放大的。第16頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月uid1=-uid2uid=uid1-uid2第17頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)：有用的信號(hào)，包含著信息，要進(jìn)行放大的。共模信號(hào)：人為引入的一個(gè)信號(hào)，不是要放大的，而是用來(lái)描述零漂的大小。直接描述、測(cè)量零漂很麻煩，要先后測(cè)量?jī)煞N不同的環(huán)境溫度下的靜態(tài)工作點(diǎn)，求取它們的差值。從另外一個(gè)角度：在同樣的環(huán)境溫度下，在輸入端施加共模信號(hào)，測(cè)量輸出端的信號(hào)，求取共模放大倍數(shù)。第18頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)分析

第19頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直流通路由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，管子特性一致。IB1=IB2=

IBIC1=IC2=ICVC1=VC2=VC

第20頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.差模交流信號(hào)分析:

第21頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.差模交流信號(hào)分析:畫(huà)出對(duì)差模交流信號(hào)的交流通路理想的直流電壓源短路2.1差模輸入雙端輸出關(guān)鍵是此處對(duì)Ree的處理。在以前畫(huà)交流通路時(shí)，線性電阻在交流通路中保留，阻值為線性電阻的交流電阻，因?yàn)槭蔷€性的，所以交流電阻與直流電阻相等。第22頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第23頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月某瞬間的真實(shí)方向第24頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月uid1=-uid2Ree上交流壓降為0。因此，畫(huà)差模交流信號(hào)交流通路時(shí)，Ree可視為短路，即兩管的發(fā)射極直接接地。由uc1=-uc2可知RL兩端電位一端為正，一端為負(fù)，RL的中點(diǎn)應(yīng)是地電位，即每管對(duì)地的負(fù)載電阻為RL/2.uid=uid1-uid2第25頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月參考方向第26頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1求差模電壓放大倍數(shù)畫(huà)差模交流信號(hào)的小信號(hào)等效電路第27頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2求差模輸入電阻Rid=2(Rb+rbe)畫(huà)求輸入電阻的電路第28頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3求差模輸出電阻Rod≈2Rc畫(huà)求輸出電阻的電路第29頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2差模輸入單端輸出(a)差模輸入—單端輸出(注意從哪邊輸出，左邊)2.2.1求差模電壓放大倍數(shù)交流通路第30頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月差模輸入單端輸出小信號(hào)等效電路第31頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第32頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果從T2的集電極輸出交流信號(hào)的話(huà)，輸出電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)同相。第33頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第34頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2求差模輸入電阻Rid=2(Rb+rbe)畫(huà)求輸入電阻的電路2.2.3求差模輸入電阻畫(huà)求輸出電阻的電路Rod≈Rc第35頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.共模交流信號(hào)分析:(a)雙端輸出因?yàn)殡娐吠耆珜?duì)稱(chēng)，所以雙端輸出時(shí)共模放大倍數(shù)為0。第36頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.共模交流信號(hào)分析:（1）單端輸出電壓增益：從左邊輸出和從右邊輸出完全相同(b)單端輸出第37頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月畫(huà)交流通路時(shí)，單管射極電阻應(yīng)為2Ree。輸入電阻第38頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月共模抑制比CMRR—衡量差放的一個(gè)重要指標(biāo)。或雙端輸出單端輸出第39頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ree的共模負(fù)反饋?zhàn)饔肦ee值越大，共模負(fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)Ree對(duì)差模信號(hào)短路，沒(méi)有任何作用Ree值太大，要求直流電壓源越大，不現(xiàn)實(shí)因此采用恒流源電路第40頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4對(duì)任意信號(hào)的分析方法第41頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2uic=(ui1+ui2)/2uid=ui1-ui2uid1=-uid2=uid/2差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)總輸出電壓

第42頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2例：ui1=10mVui2=8mVuic=(ui1+ui2)/2=9mVuid=(ui1-ui2)=2mVui1=uic1+uid1=9+1ui2=uic2+uid2=9-1第43頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位關(guān)系的分析單端輸入單端輸出單端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出第44頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、恒流源差分放大電路第45頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）靜態(tài)分析第46頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）對(duì)差模交流信號(hào)的分析第47頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）對(duì)共模交流信號(hào)的分析共模放大倍數(shù)為0。第48頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通用型集成電路運(yùn)算放大器第49頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO2.輸入偏置電流IIB3.輸入失調(diào)電流IIO4.溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂

VIO/

T（2）輸入失調(diào)電流溫漂

IIO/

T5.最大差模輸入電壓Vidmax6.最大共模輸入電壓Vicmax7.最大輸出電流Iomax第50頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)8.開(kāi)環(huán)差模電壓增益AVO9.開(kāi)環(huán)帶寬BW

(fH)10.單位增益帶寬

BWG(fT)11.轉(zhuǎn)換速率SR第51頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

通用型高輸入阻抗型高精度(低漂移型)高速型和寬帶型低功耗型

高壓型

功率型

為滿(mǎn)足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專(zhuān)用型集成運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)上比較突出。根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要有通用、高輸入阻抗、高精度、高速、低功耗和高壓型等幾種。專(zhuān)用型集成電路運(yùn)算放大器第52頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通用型

通用型運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價(jià)格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過(guò)了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運(yùn)放已很少使用了。以典型的通用型運(yùn)放CF741(

A741)為例，輸入失調(diào)電壓1～2mV、輸入失調(diào)電流20nA、差模輸入電阻2M

，開(kāi)環(huán)增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75

、共模輸入電壓范圍

13V、轉(zhuǎn)換速率0.5V/

s。第53頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高輸入阻抗型

廣泛用于生物醫(yī)學(xué)電信號(hào)測(cè)量的精密放大電路、有源濾波器、取樣-保持放大器、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)放大器、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

例如：LF356、LF355、LF347

全MOSFET的CA3130

更小偏置電流的有AD515、LF0052

第54頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高精度(低漂移型）

一般用于毫伏量級(jí)或更低的微弱信號(hào)的精密檢測(cè)、精密模擬計(jì)算、高精度穩(wěn)壓電源及自動(dòng)控制儀表中。例如：

AD508、OP-27

ICL7650

第55頁(yè)，課件共60頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高速型和寬