《模拟电子技术基础课件第13讲_集成运算放大电路》由会员分享,可在线阅读,更多相关《模拟电子技术基础课件第13讲_集成运算放大电路(30页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第十三讲 集成运算放大电路 一、概述 二、集成运放中的电流源电路 三、集成运放电路分析 四、集成运放的主要性能指标 五、集成运放的种类 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,因为电路复杂 并不增加制作工序。 (3)用有源元件替代无源元件,如用晶体管取代难于制 作的大电阻。 (4)采用复合管。 1. 集成运放的特点 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. 集成运放电路的组成 两个 输入端一个 输出端 若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则
2、可等效为一 个双端输入、单端输出的差分放大电路。 集成运放电路四个组成部分的作用 输入级:输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad 大, Ac小,输入端耐压高。 中间级:中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级:输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最 大不失真输出电压尽可能大。 偏置电路:偏置电路:为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。 3. 集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN) 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: uOA
3、od(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。 非线 性区 (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。 二、集成运放中的电流源电路 1. 镜像电流源 T0 和 T1 特性完全相同。 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 2. 微电流源 要求提供很小的静态电流,又不能用大电阻。 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 Re 3. 多路电流源 (1)基于比例电流源的多路电流源 根据所需静态电流,来选取发射极电阻的数值 。 UBE0+IE0Re0 =UBE1+I
4、E1Re1 =UBE2+IE2Re2 =UBE3+IE3Re4 因为UBE相差不多,故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 (2)多集电极管构成的多路电流源 根据所需静态电流,来确定集电结面积。 设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2,则 (3)MOS管多路电流源 根据所需静态电流,来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极 电流正比于沟道 的宽长比。 设宽长比W/L=S,且T1T4的宽长比分别为S0、S1、 S2、S3,则 基准电流 4. 有源负载 (1)用于共射放大电路 哪只管子为放大管? 其集电结静态电流约为多少? 静态时UIQ为多少? 为什么要考虑 h22? (2)用于差分放
5、大电路 电路的输入、输出方式? 如何设置静态电流? 静态时iO约为多少? 动态时iO约为多少? 使单端输出电路 的差模放大倍数近 似等于双端输出时 的差模放大倍数。 静态: 动态: 三、集成运放电路分析 1. 读图方法 (1 1)了解用途:)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 2)化整为零:)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 3)分析功能:)分析功能:定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 (4 4)统观整体:)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 5)定量计算:)定量计算:必要时可估算或利用计算机计算电路
6、的主要 参数。 已知电路图,分析其原理和功能、性能。 2. 举例:型号为F007的通用型集成运放 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 三级放大电路 简化电路 分解电路 输入级的分析 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-
7、共基形式 Q点的稳定: T()IC1 IC2 IC8 IC9与IC8为镜像关系IC9 因为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 输入级的分析 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 。 作用? + + + + + + _ 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) 。 中间级的分析 中间级是主放大器,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
8、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。 中间级输出级 输出级的分析 D1和D2起过流保护作用,未过 流时,两只二极管均截止。 iO增大到一定程度,D1导通 ,为T14基极分流,从而保护 了T14。 准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。 中间级输出级 电流采样电阻 特点: 输出电阻小 最大不失真输出电压高 判断同相输入端和反相输入端 F007所具有的高性能 Ad较大:放大差模信号的能力较强 Ac较小:抑制共模信号的能力较强 rid较大:从信号源索取的电流小 ro小:带负载能力强 Uom大:其峰值接近电源电压 输入
9、端耐压高:使输入端不至于击穿的差 模电压大。 uIcmax大:接近电源电压 四、集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数 F007F007典型值 典型值 理想值理想值 开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 四、集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数 F007F007典型值 典型值 理想值理想值 UIO的温漂dUIO/dT() 几V/ 0 UIO的温漂dUIO/dT() 几V/ 0 输入失调电流 IIO 20nA 0 IIO的温漂dIIO/dT() 几nA/ 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。 四、集成运放的主要性能指标 指标参数
10、指标参数 F007F007典型值 典型值 理想值理想值 最大共模输入电压 UIcmax 13V -3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压 。 最大差模输入电压 UIdmax 30V 超过此值输入级差分管将损坏。 上限截止频率。 对大信号的反应速度 为什么这么低? 四、集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数 F007F007典型值 典型值 理想值理想值 开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT() 几V/ 0 输入失
11、调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的温漂d UIO/dT() 几nA/ 0 最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 五、集成运放的种类 按工作原理 电压放大型:输入量与输出量均为电压 电流放大型:输入量与输出量均为电流 跨导型:输入量为电压,输出量均为电流 互阻型:输入量为电流,输出量均为电压 按可控性 可控增益:利用外加控制电压控制增益的大小 选通控制:输入为多通道,利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大 五、集成运放的种类 按性能指标
12、高高 阻阻 型:型:rid,可高于1012。 用于测量放大器、信号发生器。 高高 速速 型:型: fH和SR高, fH可达1.7GHz,SR可达 103V/S。 用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。 高精度型:高精度型:低失调、低温漂、低噪声、高增益, Aod高于105dB。 用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。 低功耗型:低功耗型:工作电源电压低、静态功耗小,在100200W。 用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。 大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器 通常情况下用通用型运放,特 殊情况下才用专用型运放。 讨论一 根据下列要
13、求,将应优先考虑使用的集成运放填入空内。 已知现有集成运放的类型是: 通用型 高阻型 高速型 低功耗型 高压型 大功率型 高精度型 1. 作低频放大器,应选用 。 2. 作宽频带放大器,应选用 。 3. 作幅值为1V以下微弱信号的量测放大器,应选用 。 4. 作内阻为10M信号源的放大器,应选用 。 5. 负载需5A电流驱动的放大器,应选用 。 6. 要求输出电压幅值为80的放大器,应选用 。 7. 宇航仪器中所用的放大器,应选用 。 讨论二 1. 输入级采用什么措施增大放大倍数? 2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数? 3. 如何消除交越失真? 4. uI1、 uI3哪个是同相输入端?哪个是反相输入端? 有源负载 有源负载 复合管共射放大电路 增大输入级的负载电阻 _ _ + _ _ _ + + 反相 输入端 同相 输入端 增大第二级的 负载电阻 超管