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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,4.4 集成运放的种类、选择与使用,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）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性，大量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，如用晶体管取代难于制作的大电阻。 （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
2、于信号的运算，故而得名。,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。,集成运放电路四个组成部分的作用,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：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力，经常采用复合管，恒流源为集电极负载。 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：为各级放大电路设置合适的静态工作点。较多采用电流源电路?,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
3、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，开环集成运放的输出不是UOM , 就是UOM，即此时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、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。,T1的表现有如T0的镜像,基准电流,调整R即可得所需的Ic1!,该电路有无负反馈？,二、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。,
4、超越方程,集成电路中常常要求提供很小（通常几十微安）的静态电流，受工艺限制，又不能用太大的电阻，怎么办？,若再增加一个Re0, 可构成一比例电流源（IC1/IR=Re0/Re1）请同学们自习之,三、多路电流源,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,根据所需静态电流，来确定集电结面积。,根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。,多集电极管,四、有源负载,哪只管子为放大管？ 其集电结静态电流约为多少？ 静态时UCQ为多少？,为什么要考虑 h22?,1. 用于共射放大电路,动态等效电路,2. 用于差分放大电路,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
5、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：,4.3 集成运放的电路分析及其性能指标,二、读图举例,三、集成运放的性能指标,一、读图方法,四、集成运放的低频等效模型,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）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
6、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-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 IC
7、4 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，增大电压放大倍数。,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
8、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,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,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。,三、集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 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 输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 )
9、20nA 0 IIO的温漂d IIO/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 ,使uO为0在输入端所加的补偿电压,超过此值不能正常放大差模信号,超过此值输入级放大管击穿,清华大学 华成英 ,讨论,1. 输入级采用什么措施增大放大倍数？,有源负载,有源负载,反相 输入端,同相 输入端,超管,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？,四、集成运放的低频等效模型,上图
10、中：IIO为失调电流， IIB为偏置电流，UIO为失调电压，rid为差模输入电阻。,实际应用近似时常可简化如右图,理想情况：,4.4 集成运放的种类、选择与使用,二、集成运放的选择,三、集成运放的使用,一、集成运放的分类,一、集成运放的分类,1、按工作原理分类,电压放大、电流放大、跨导、互阻等四种，即取决于输出端受控源的类型,2、按控制特性分类,可变增益、选通控制等,3、按性能指标分类,高阻、高速、高精度、低功耗等,应用时应根据输入信号源特性、负载特性、精度要求、环境条件等选择相应的种类运放。,二、集成运放的选择,三、集成运放的使用,1、认真查阅产品手册（data sheet） 尽量按手册的要求使用,2、注意调零和防自激处理措施,3、注意输入端过载保护,输入防差模过载电路,输入防共模过载电路,4、输出端过载保护,5、电源极性保护,本章作业： 4.2 4.4 4.8 4.14,
