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1、第4章 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,一个 输出端,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、
2、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。 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。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： uOAod(uPuN)Aod是开环差模放大倍数。,(uPuN)的数值大于一定值时
3、，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,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+IE1Re1 =UBE2+IE2Re2 =UBE3+IE3Re4,因为UBE相差不多，故IE0Re0 IE
4、1Re1 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
5、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、集成运放电路简介 1. 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。,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
6、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
7、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，U
8、BE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,F007的管脚图和简化图,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 1.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 ,四、集成运放的主要性能指标
9、 1.主要性能指标,指标参数 F007典型值 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。,1.主要性能指标,指标参数 F007典型值 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,1.主要性能指标,指标参数
10、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 ) 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 ,2、集成运算放大器的符号和基本特点,1）. 运放的符号,习惯用符号,国家标准符号,直流电源接法,(VCC = VEE ),等效
11、电路,u+ 同相端输入电压,u- 反相端输入电压,uid 差模输入电压,uid = u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo = Aud(u+ u),附：集成电路器件命名及主要性能指标,1) Aud ,2. )运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想 运放：,4) KCMR ,5)BW ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,理想,线 性 区,实际,3. )理想运放工作在线性区的两个特点,1) u+ u(虚短),证：,uo = Aud (u+ u) = Aud uid,u+ u = uo/Aud 0,2) i+ i 0 (虚断),证：,i+ = uid / Rid 0,同理 i
12、 0,五、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,高 阻 型：rid，可高于1012。用于测量放大器、信号发生器。 高 速 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：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：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,通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。,六、集成运放使用注意事项,(一) 集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式(DIP)CF741,DIPDual In-Line Pakage,(二) 集成运放使用注意事项,1. 查阅手册了解引脚的排列及功能；,2. 检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电源短路；,
