《模拟电子技术基础课件(第5章)》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5章)（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 集成运算放大器,电子信息系 教师：杨素行,第五章、集成运算放大器,5.1 集成放大电路的特点,5.3 集成运放的基本组成部分,5.4 集成运放的典型电路,5.5 各类集成运放的性能特点,5.6.1 集成运放参数的测试,5.6.2 可能出现的异常现象,5.3.1 偏置电路,5.3.2 差分放大输入级,5.4.1 双极型集成运放 LM741,5.4.2 CMOS集成四运放 C14573,5.6.3 集成运放的保护,5.2 集成运放的主要技术指标,5.6 集成运放中的几个具体问题,5.3.3 中间级,5.3.4 输出级,5.1集成运算放大电路的特点,集成电路IC（Integrated Cir
2、cuit）,将元件和连线集成在一片硅片上,优点：密度高，引线短，高可靠性，灵活性，成本低,模拟集成电路：运算放大器，功率放大器，高频放大器，中频放大器，比较器，乘法器，稳压器，数模和模数转换器，锁相环。,制造：氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝，全部集成到一块半导体基片上，最后进行封装，做成一个完整的电路。,外形：双列直插式、圆壳式和扁平式。,直插式,圆壳式,扁平式,集成运放的特点,主要有以下几个方面的特点：,（1）绝对精度不高，受温度影响较大，但各元件距离近，相邻元器件的参数对称性好，适于构成差分放大电路。,（2）集成电路中的电阻一般几十欧几十千欧，要实现高阻值需要另想办法。,（3）三极管比电阻，
3、电容制造更方便，面积更小，成本低廉，常用三极管代替电阻，尤其大电阻。,（4）很难集成几十皮法以上的电容，放大级间耦合采用直接耦合方式，不采用阻容耦合。,（5）PNP只能做成横向的，值10，NPN和PNP不能匹配的很好， +1和值差别较大。,5.2集成运放的主要技术指标,由差分放大电路组成，两输入，一输出。输入端中，一个为同相输入端，另一个为反向输入端，用“”，“”标明。,1、开环差模电压增益Aod,指运放在无外加反馈下的直流差模增益，一般用对数表示。,一般Aod为100dB左右，高质量的运放可达到140dB以上,2、输入失调电压UIO,输出电压=0时，输入端需要增加的补偿电压。表示UBE（场效
4、应管UGS）失配程度，也反映温漂的大小。一般在110mV，高质量在1mV以下。,当输出电压=0时，两输入端偏置电流之差，用于描述差分对管输入电流的不对称情况，一般为几十一百纳安，高质量低于1nA。,3、输入失调电压温漂UIO,失调电压在规定工作范围内的温度系数，衡量运放温漂的重要指标。一般运放为每度1020V，高质量的低于每度0.5V。,定义为：,4、输入失调电流IIO,5、输入失调电流温漂IIO,代表输入失调电流的温度系数。一般每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。,6、输入偏置电流IIB,当输出电压=0时，两输入端偏置电流的平均值，衡量差分对管输入电流绝对值的大小。主要决定于输入级的静态集
5、电极电流和值，输入偏置电流越大，失调电流越大。双极型三极管输入偏置电流约为几十nA1A，场效应管为1nA。,7、差模输入电阻rid,差模输入电压UId与输入电流IId的变化量之比，用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。一般运放为几兆欧，场效应管可达1000000M. 。,8、共模抑制比KCMR,开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，衡量集成运放抑制温漂的能力。多数可达80dB以上，高质量可达160dB。,9、最大共模输入电压UIcm,表示集成运放输入端所能承受的最大共模电压。如果超过，共模抑制性能将显著恶化。,10、最大差模输入电压UIdm,反相和同相输入端之间能承受的最大电压。若超过，差
6、分对管中的一个发射结可能反向击穿。,11、-3dB带宽fH,Aod下降3dB时的频率。集成运放的fH较低，几赫至几千赫。,12、单位增益带宽BWG,当AOD降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数为1。BWG衡量增益带宽积的大小。,13、转换速率SR,转换速率为额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/s 。描述集成运放对大幅度信号的适应能力。,除以上介绍的技术指标外，还有最大输出电压，静态功耗及输出电阻，由于含义明显，不再赘叙。,5.3 集成运放的基本组成部分,内部是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,包括四个组成部分，输入级、中间级、输出级和偏
7、置电路。,5.3.1 偏置电路,各放大级需要合适的偏置电流，而且要求是一个比较小（一般为微安级），稳定的偏置电流。,1、镜像电流源,又称电流镜，在集成运放中应用广泛。,基准电流,相邻三极管参数一致,则：,当满足2时,镜像电流源,优点：结构简单，有温度补偿作用,因此，温度升高时，IC1、IC2增大受限制，说明具有一定温度补偿作用。,温度,R电压UR也,IREF,IC1、IC2,UBE=VCC-UR,IC1、IC2,UR,2、比例电流源,发射极分别接R1和R2,如图所得：,相邻三极管：UBE1= UBE2,IE1R1=IE2R2,两管基极电流可以忽略,集电极电流之比近似于发射极电阻阻值成反比，称为
8、比例电流源。,缺点：当VCC变化时，输出电流IC2同样波动，不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。,另当提供微安级电流时，R到达兆欧级，集成电路难以实现。,3、微电流源,为了得到微安级的输出电流，又不希望电阻值太大，在VT2的发射极接入一个电阻Re。,引入Re后，UBE2UBE1,UBE1-UBE2=IE2ReIC2Re,设 Is1 Is2,当IC1和IC2为已知时，可求出Re。,优点：1、VCC ，IC2变化小。,2、温度 ，IC2增大受抑制。,3、Re负反馈，输出电阻VT2,本身的输出电阻（rce）,5.3.2 差分放大输入级,三种差分放大电路：基本形式、长尾式和恒流源式。,1、基本形
9、式差分放大电路,电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起。,输入电压uI1和uI2分别加在两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压差。,输入电压=0时,UCQ1=UCQ2,输出电压UO=0,温度,ICQ1，ICQ2,UCQ1，UCQ2,两管变化幅度相等，VT1和VT2输出端的零点漂移互相抵消,差模输入电压和共模输入电压,差模输入信号：UId表示,两输入端，电压大小相等，极性相反,共模输入信号： UIc表示,电压大小相等，极性相同,对任意大小，任意极性uI1、uI2,uId=uI1-uI2,例如：uI1=5mV， uI2=1mV,uId=(5-1)mV=4mV,uIc=1/2(5+1)mV=
10、3mV,根据叠加原理，可分析各种信号响应,差模信号：有效信号,共模信号：温漂信号或干扰信号,差模信号,共模信号,差模增益、共模增益、共模抑制比,差模放大倍数 Ad ：差模输入电压放大倍数,共模放大倍数 Ac ：共模输入电压放大倍数,越大越好,越小越好,共模抑制比KCMR：差模放大倍数和共模放大倍数之比,假设每一边单管放大电路增益为Au1 VT1、VT2集电极输出电压变化量：,放大电路输出电压的变化量,差模电压放大倍数,越大越好,2、长尾式差分放大电路,目的：减小每个管子输出端的温漂,（1）电路组成,长尾电阻Re的作用：,iC1、iC2,iE,uE,uBE1、uBE2,iC1、iC2,iC1,i
11、C2,iE不变,对于差模信号没有反馈作用,Ad不变,降低零漂，共模放大倍数AC减小,Re越大，共模负反馈越强，抑制零漂的效果越好。,-VEE补偿了Re上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。,引入一个共模负反馈,长尾电阻,iE不变,（2）静态分析,由于电路结构对称:,由三极管基极回路,IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE,静态基极电流,静态集电极电流和电位为,ICQIBQ,UCQ=VCC-ICQRC(对地),静态基极电位为,UBQ=-IBQR（对地）,长尾式差分放大电路,电位升高,电位降低,交流接地,（3）动态分析,差模信号流过Re时电流不变,交流通路中Re视为短路,RL/2相当于交流接地
12、,交流短路,3、恒流源式差分放大电路,Re越大，所需VEE也越高，故采用一个三极管代替原来的长尾电阻Re。,等效电阻,变化很大,基本不变,很大,优点：不用大电阻有效地抑制零漂,适合集成电路制造工艺中用三极管代替大电阻的特点,iC3=iC1+iC2,iC2和iC1将不会因温度变化,抑制了共模信号的变化,iC3基本不变,VT3的基极电位由Rb1、Rb2分压后得到，基本不受温度变化的影响,简化的恒流源符号，如下图所示,（1）电路组成,电位基本不变,电流基本不变,（2）静态分析,忽略VT3基极电流,（3）动态分析,长尾对差模电压放大倍数没有影响，交流通路相同，Ad、Rid、RO均相同,URb1,ICQ
13、3,ICQ1,IBQ1,UBQ2,UCQ1,4、差分放大电路的输入、输出接法,差模电压放大倍数：,差模输入电阻：,差模输出电阻,两集电极温漂相互抵消,理想状态下：KCMR为,（1）双端输入、双端输出,（2）双端输入、单端输出,差模电压放大倍数：,差模输入电阻：,差模输出电阻,作用：将差分信号转为单端信号，以便与后放大级实现共地。,uO约为双端输出的一半,（3）单端输入双端输出,uBE2,iC2,在单端输入时，仍然是一个三极管电流增大，另一个减小。,iC1+ iC20,由于共模负反馈,输出电压变化与双端输入时完全一样,作用：将单端信号转为差分信号，以便作以后放大级的差分输入。,（4）单端输入、单
14、端输出,单端输出放大倍数：,差模输入、输出电阻：,特点：,比一般单管电路有较强的抑制零漂能力。,VT1输出：反相关系,VT2输出：同相关系,抑制零漂,反相输出,同相输出,差分放大电路不同接法的小结,1、双端输出时，放大倍数和单管相同，单端输出时为一半。,2、双端输出时，输出电阻RO=2RC；单端输出时， RO=RC。,3、双端输出时，共模抑制比KCMR=，单端时KCMR仍较高。,4、单端输出时，可从不同三极管输出，使输出电压与输入电 压反相或同相。,5、单端输入时，由于很强的负反馈，两管仍是差分状态。,6、单端输入时，从一个三极管到公共端差模输入电阻,差分放大电路的主要性能和特点列于表5-1，
15、便于对照比较,差分放大电路四种接法之性能比较,5.3.3中间级,中间级的主要任务：,提供足够的电压增益，较高的输入电阻，大的推动电流至输出，单端输入，双端输出，或双端输入，单端输出转换,为了提高放大倍数，常利用三极管作为有源负载。,1、有源负载,利用双极型三极管或场效应管（有源器件）充当负载电阻,原理：RC越大，共射、共基电路的电压增益越大;,当三极管工作在放大区，集电极和发射极间的电阻rCE很大;,常用三极管代替负载电阻RC，组成有源负载。,2、复合管,作用：得到很高，提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响，特别是前级采用有源负载时。,经常用于中间级和输出级。,VT1、VT2组成
16、复合管,VT3有源负载,基准电流IREF:,有源负载,镜像 电流源,偏置电路,根据基准电流确定放大管的工作电流。,复合管,有源负载差分放大电路,放大管,放大管,有源负载,有源负载,差模输入电压，若极性为正：,集电极iC2= -iC1,够大时,iC1=iC3,镜像电流源：,iC3 iC4,iC2= -iC4,结论：电路算然是单端输出，却可 得到相当于双端输出的电流变化量,5.3.4输出级,作用：提供足够的输出功率，输出电阻 ，输入电阻高,减小波形失真，应有过载保护，防止烧毁功率三极管。,1、互补对称电路,常用甲乙类OCL或OTL电路，采用复合管以得到大输出功率,2、过载保护电路,常用过载保护电路：二极管保护电路,iC1,ue1,电位,输出电流正常时，VD3、VD4截止,当流过VT1的正向电流过大,iC2,VT1的基极电流分流到VD1、VD3,当流过VT2的反向电流过大,VT2的基极电流分流到VD4、
