模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行-ppt课件-第四章

第四章 集成运算放大电路,4.1 集成放大电路的特点,4.2 集成运放的基本组成部分,4.3 集成运放的典型电路,4.4 集成运放的主要技术指标,4.5 理想运算放大器,4.6 各类集成运放的性能特点,4.7 集成运放使用中的几个具体问题,4.1 集成放大电路的特点,集成电路简称 IC (Integrated Circuit),集成电路按其功能分,数字集成电路,模拟集成电路,模拟集成电路类型,集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。,集成电路的外形,图 4.1.1 集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运算放大电路特点：,1. 对称性好，适用于构成差分放大电路。,2. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。,3. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。,4. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。,5. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大，通常 PNP 的 10 。,4.2 集成运放的基本组成部分,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,图 4.2.1 集成运算的基本组成,4.2.1 偏置电路,向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。,一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror),基准电流,由于 UBE1 = UBE2，VT1与 VT2 参数基本相同，则,IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC,所以,当满足 2 时，则,图 4.2.2,二、比例电流源,由图可得,UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2,由于 UBE1 UBE2 ，则,忽略基极电流，可得,两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。,图 4.2.3 比例电流源,三、微电流源,在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。,引入Re使 UBE2 UBE1，且 IC2 IC1 ，即在 Re 值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流 IC2 。,图 4.2.4 微电流源,基本关系,因二极管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,图 4.2.4 微电流源,4.2.2 差分放大输入级,输入级大都采用差分放大电路的形式。,电路形式,基本形式,长尾式,恒流源式,一、基本形式差分放大电路,1. 电路组成,假设电路完全对称,当 uId = 0，时,UCQ1 = UCQ2,UO = 0,图 4.2.6 差分放大电路的基本形式,2. 电压放大倍数,VT1 和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压(uId)。,在差模信号作用下：,差模电压放大倍数为,3. 共模抑制比,差模输入电压 uId,共模输入电压 uIc (uIc大小相等，极性相同),共模电压放大倍数：,Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好,图 4.2.7 共模输入电压,共模抑制比 KCMR,(1) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强； (2) 理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = 。 (3) 基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。,二、长尾式差分放大电路,可减小每个管子输出端的温漂。,1. 电路组成,Re 称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。,Re 愈大，共模负反馈愈强。Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。 对差模信号无负反馈。,图 4.2.8 长尾式差分放大电路,2. 静态分析,当 uId = 0 时，由于电路结构对称，故：,IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ， 1= 2= ,IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE,则,ICQ IBQ,(对地),图 4.2.8 长尾式差分放大电路,3. 动态分析,则,同理,图 4.2.8 长尾式差分放大电路的交流通路,图4.2.10 接有调零电位器的长尾差分电路,输出电压为,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,三、恒流源式差分放大电路,用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路,1. 电路组成,VT3：恒流管,作用：,能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。,图 4.2.13 恒流源式差分放大电路,2. 静态分析,当忽略 VT3 的基极电流时， Rb1 上的电压为,于是得到,图 4.2.13 恒流源式差分放大电路,3. 动态分析,由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,四、差分放大电路的输入、输出接法,有四种不同的接法,差分输入、双端输出；,差分输入、单端输出；,单端输入、双端输出；,单端输入、单端输出。,1. 差分输入、双端输出,图 4.2.16(a) 差分输入、双端输出,2. 差分输入、单端输出,uO 约为双端输出的一半，即,若由 VT2 集电极输出， uO 为“正”。,图 4.2.16(b) 差分输入、单端输出,3. 单端输入、双端输出,单端输入,则,当共模负反馈足够强时，,三极管仍然基本工作在差分状态，所以,图 4.2.16(c) 单端输入、双端输出,4. 单端输入、单端输出,若改从 VT2 集电极输出，则,这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。,图 4.2.16(d) 单端输入、单端输出,结 论,(1) 双端输出时，Ad 与单管 Au 基本相同；单端输出时，Ad 约为双端输出时的一半。 双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时， Ro = Rc 。 (2) 双端输出时，理想情况下，KCMR ；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。 (3) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。 (4) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。 (5) 单端输出时， Rid 2(R + rbe)。,差分放大电路四种接法的性能比较,Ad,Rid,Ro,差分放大电路四种接法的性能比较,特 性,1. Ad 与单管放大电路基本相同。 2.在理想情况下，KCMR。 3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。,1. Ad 约为双端输出时的一半。 2. 由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。 3.适用于将双端输入转换为单端输出。,1. Ad 与单管放大电路基本相同。 2.在理想情况下，KCMR。 3.适用于将单端输入转换为双端输出。,1. Ad 约为双端输出时的一半。 2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。 3.适用于输入、输出均要求接地的情况。 4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。,4.2.3 中间级,任务：提供足够大的电压放大倍数。,要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的,一、有源负载,图 4.2.17 有源负载单管共射放大电路,VT1：放大三极管； VT2：有源负载； VT3、VT2 镜像电流源。,输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。,基准电流,有源负载的差分放大电路,放大电路采用差分输入、单端输出； 工作电流由恒流源 I 决定； 输出电流 io = ic4 - ic2 = 2ic4,该电路有相当于双端输出时的 io ，在集成运放中的应用十分广泛。,图 4.2.18 有源负载的差分放大电路,二、复合管,优点,可以获得很高的电流放大系数 ； 提高中间级的输入电路； 提高了集成运放总的电压放大倍数。,复合管的构成：,iB1,由两个或两个以上三极管组成。,复合管共射电流放大系数 值,由图可见,图 4. 2.19,则,三极管输入电阻 rbe,其中,所以,显然，、rbe 均比一个管子 1、rbe1 提高了很多倍。,图 4. 2.19,构成复合管时注意,1. 前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。 2. 外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。,复合管的接法,(a) NPN 型,(b) PNP 型,图 4. 2. 20 复合管的接法,图 4. 2. 20 复合管的接法,结 论,1. 两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1。 2. 两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1 。 3. 在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。,4.2.4 输出级,一、互补对称电路,工作原理：,当输入正弦电压 uI 时,uI 0，VT1 导通，VT2 截止 iC1：+VCC VT1 RL 地,uI 0，VT2 导通，VT1 截止 iC2：地 RL VT2 -VCC,当 uI 为正弦电压时，iL 与 uO 基本上也是正弦波。,图 4. 2. 21 互补对称输出级,说明：,1. 互补对称电路工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强。 2. R1、R、R2、VD1、VD2 支路能够减小失真，改善波形。,图 4.2.22 交越失真,二、由复合管组成的功率输出级,图 4.2.3 由互补对称电路,图 4.2.24 准互补对称电路,改进：,缺点：由于 VT3、VT4 类型不同，互补性差。,三、过载保护电路,二极管保护电路,保护元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,输出电流正常， VD3、VD4 截止，保护不起作用；,若 VT1 正向 IC1， URe1 ，VD3 导通， IB1 ，IC1 。输出电流无法增大，保护功率管 VT1 。,若 VT2 反向电流IC2， URe2 ，VD4 导通， IB2， IC2 。避免 VT2 电流过大。,图 4. 2. 25 过载保护电路,三极管保护电路,保护元件：,工作原理与二极管保护原理类似。,VT3、VT4、Re1、Re2。, Re 愈大，则 IEm 愈小；, 温度升高， UD、 UBE 降低，Iem 减小。更有利于保护在高温下的集成运放。,图 4. 2. 25 过载保护电路,4.3 集成运放的典型电路,典型的集成运放,双极型集成运放 F007,CMOS 集成运放 C14573,一、引脚,4.3.1 双极型集成运放 F007,图 4.3.1 F007 的引脚及连接示意图,(a),(b)连接示意图,二、电路原理图,图 4.3.2 F007 电路原理图,1. 偏置电路,至输入级,至中间级,基准电流：,基准电流产生各放大级所需的偏置电流。,各路偏置电流的关系：,IREF,I11,IC10,I3, 4,IC9,IC8,IC12,IC13,微电流源,镜像电流源,输入级,镜像电流源,中间级,输出级,图 4.3.3 F007 的偏置电路,2. 输入级,VT1、VT2、VT3、VT4 组成共集 - 共基差分放大电路电路；VT1、VT2 基极接收差分输入信号。,VT5、VT6 有源负载；,VT4 集电极送出单端输出信号至中间级。,uO,RW 调零电阻，R 外接电阻。,VT7 与R2 组成射极输出器。,图 4. 3. 4,若暂不考虑 VT7 和调零电路则电路可简化为：,1. VT1、VT2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。 2. 共基组态的 VT3、VT4，与有源负载 VT5、VT6 组合，可以得到很高的电压放大倍数。,3. VT3、VT4 共基接法能改