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1、第四章 集成运算放大电路,第四章 集成运算放大电路,4.1 概述,4.2 集成运放中的电流源,4.3 集成运放的电路分析及其性能指标,4.1 概述,一、集成运放的特点,二、集成运放电路的组成,三、集成运放的电压传输特性,一、集成运放的特点,（1）集成运放采用直接耦合方式，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，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。 （3）用有源元件替代无源元件，如高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。 （4）采用复合管。,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
2、。,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,二、集成运放电路的组成,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。,运放符号：,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，要求尽量减小零点漂移, Ri大，尽量提高 KCMRR , Ad大， Ac小，输入阻抗 Ri 尽可能大, 输入端耐压高。多采用差分放大电路。 中间级：主放大级，要求有足够的放大能力,多采用共射放大电路。 输出级：功率级，主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。多采用准互补输出级。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静
3、态工作点。采用电流源电路。,几代产品中输入级的变化最大！,三、集成运放的电压传输特性,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(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。,在线性区： uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。,(uPuN)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。,uO=f(uP-uN),4.2 集成运放中的电流源,一、镜像电流源,二、微电流源,三、多路电流源,四、有源负载,一、三极管电流源,三极管电流源电路如图所示，它是一个没有信号输入端的单口网络。其特点是直流电阻小，交流等效电阻Ro很大。,这是一个很
4、大的值。,由微变等效电路可算出其交流等效电阻为：,二、镜像电流源,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。,电路中有负反馈吗？,基准电流,在图示镜像电流源电路中，T0和T1参数相同，且很大。,无论T1的负载如何变化， IC1的电流值将保持不变。,三、微电流源,设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。,超越方程,要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,在镜像电流源的T2管射极加一小电阻值的Re2就构成了微电流源。,由于T1、T0两管的UBE差值很小，因此只要一个较小阻值的Re2就可获得很小的电流IC1。,四、多路电流源,由图可得：,当较大时，有：,各管的、UBE相
5、同，则有：,故：,当IR确定后，改变各电流源射极电阻，就可获得不同比例的输出电流。,多路电流源可以用一个参考电流IR同时产生几路输出电流的电流源电路。 给多个放大管提供偏置电流和有源负载。,四、电流源作有源负载,T1为放大管， T2 、 T3 和R 镜像电流源。,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为：,比用电阻Rc作负载时提高了。,4.3 集成运放的电路性能指标,二、读图举例,三、集成运放的性能指标,一、读图方法,一、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）
6、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。,二、举例：F007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,简化电路 分解电路,输入级的分析
7、,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。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,Q点的稳定： T（）IC1 IC2 IC8,IC9与IC8为镜像关系IC9，因IC10不变 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2,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,T7的作用：抑制共模信号,T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载，增大电压放大倍数。,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）。,输入级的分析,中间级的分析,中间级是主放大
8、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。,输出级的分析,准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。,中间级,输出级,判断同相输入端和反相输入端,输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。,1.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。使静态输出电压为零而在输入端加的补偿电压。 是表征运放内部电路对称性的指标。大小反映了输入级BJT差动对管UBE(或FET的UGS)的对称程
9、度。,2.输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 UIO可用调零电位器补偿，但却不能使duIO /dT=0和下降。,三、集成运放的主要性能指标,3.输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,4.输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,5.输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。是输入失调电流IIO的温度系数，要求越小越好。,IIO
10、越小，表明差分对管的值对称性越好。,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,8.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Aud / Au
11、c ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,13.转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为:,只有输入信号变化速率的绝对值小于SR时，运放的输出才能跟上输入的变化。SR越高，表明集成运放的高频性能越好。,12.单位增益带宽O 是指20lg|Aod|下降到零分贝(即|Aod|=1)时的频率，也就是集成运放的增益带宽积。,（1）虚短： u+ = u 。 线性区的条件下，同相和反相输入端对电压视为短路。 （u+u = u0 / Ad ） (2) 虚断： i = i+ = 0。输入电阻极大，流入或流出理想运放输入端的电流为零。可把同相和反相输入端视为断开。运放的虚断总是成立的。,理想运放分析的两个重要的方法,第四章 结束,
