模电第5章 集成运算放大器课件

1、第五章 集成运算放大器,5.1 差动放大电路,5.2 集成运算放大器中的单元电路,5.3 集成运放简介,5.4 集成运算放大器中的主要参数,5.5 特殊集成运算放大器,5.6 集成运算放大器的模型,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,什么是集成运算放大器？,直接耦合放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,第一级是关键,例如,若输出有1V的

2、漂移电压 。,则等效输入有100 uV的漂移电压,假设,等效 100 uV,漂移 1 V,减小零漂的措施 (稳定Q的措施),用非线性元件进行 温度补偿,采用负反馈,采用差动式放大电路,射偏电路,用热敏元件进行 温度补偿,5.1 差动放大电路,即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,差动放大电路一般有两个输入端：,ui1 ，ui2,有两个输出端:,uo1 ，uo2,2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,二. 几个基本概念,1. 差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号。 单端输入仅从一个输入端对地加信号。,3. 差模信号与共模信号,差模输入信号：,共模输入信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4. 共模抑制比,差模信号：,共模信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4. 共模抑制比,3. 差模信号与共模信号,三.差动放大电路的基本工作原理,忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V,1. 静态工作点的

3、计算：,2.抑制零漂的原理:,Uo= UC1 - UC2 = 0,当ui1 = ui2 = 0 时，,当温度变化时：,UC1 = UC2,设T ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc1 - uc2 = 0,(1)加入差模信号,ui1=-ui2 =uid/2，,3.电路的动态分析,所以，Re对差模信号相当于短路。,若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变 UE不变,uic=0。,求差模电压放大倍数：,因为ui1 =- ui2,设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。 电路对称uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,(2)加入共模信号,ui1=ui2 =uic， uid=0。,设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化)。,共模电压放大倍数,共模抑制比,(3)一般输入信号情况,差模输入信号：,共模输入信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,四.差动放大器的输入输出方式,差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双

4、端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 共模抑制比,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,(5)共模抑制比,2. 双端输入单端输出,这种方式适用 于将差分信号转换 为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,（4）共模电压放大倍数,ui1=ui2 =uic，,设ui1 ，ui2 ie1 ， ie1 。 iRe （=2 ie1 ）,画出共模等效电路,求共模电压放大倍数：,3. 单端输入双端输出,ui1 = ui2 = ui /2,计算同双端输入双端输出：,单端输入等效双端输入: 因为Re从T2发射极看进去的等效电阻，故 Re 可视为开路，于是有,4. 单端输入单端输出,计算同双入单出：,注意放大倍数的正负号： 设从T1的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从uo2 输出为正号。,差动放大器动态参数计算总结,双端

5、输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时， 双端输出时，,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：,五. 带恒流源的差动放大电路,等效很大的交流电阻 R等效,恒流源的作用,直流电阻较小 不影响直流工作点。,R等效,R等效对差模信号短路 不影响差模指标,BJT电流源电路,射极偏置电路具有稳定的直流IC,符号,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态指标：,恒流源等效电阻：,套用前述基本差放的各项公式 （用R等效代替Re）,镜像电流源 微电流源 多支路比例电流源 电流源作有源负载,5.2 集成运算放大器中的单元电路,一 .电流源电路,二 .差动输入级,三 .输出级,有源负载差动放大 电路 共集共基差动输入级,互补对称射极输

6、出电路 克服交越失真的互补对称电路,1. 镜像电流源,基准电流：,一 .电流源电路,(当BJT的 b 足够大时),T1、T2的参数完全相同,无论T2的负载如何变化， IC2的电流值将保持不变。,优点：结构简单,缺点：不足够大时存在误差；热稳定性差；适用于较大工作电流场合。,2. 微电流源,试探法：已知：IR=0.72mA， Re2=3k，UT=26mV 求得： IC228uA,Re2引入负反馈， 使IC2更加稳定。,Re2使电流IC2减小,（1）电流小（因为UBE小）。,（2）电流稳定（Re2的负反馈作用）,特点：,3. 多支路比例电流源,IE0IC0IR IC1 IE1 则，可得： IRR0 IC1R1,在图中，T0、T1管，电阻R、R0和R1构成了比例电流源。有：,IE0R0UBE0IE1R1UBE1,因为：UBE0UBE1 所以： IE0R0 IE1R1,同样，IC2 和IC3也与IR成比例,4. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,而电流源的直流电阻较小，不会影响直流工作点。,放大管,IC2,二. 差动输入级,1. 有源负载差动放大电路,T3、T4组成镜像电流源，作T1、

7、T2的负载。,T1和T2和电流源IEE构成差动放大电路，,使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,静态时:,IC1=IC2=IC3=IC4=IEE/2 流过负载电阻的电流为零。,加入差模信号时:,流过负载电阻的电流是单端差动输出电流的2倍,ic1=ic3=ic4=-ic2,2. 共集共基差动输入级,特点： （1）输入阻抗高。 （2）T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。,三.输出级,工作原理：,ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正； ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。 两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。,1. 互补对称射极输出电路,输入输出波形图,死区电压,2. 克服交越失真的互补对电路,静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。,电路中增加 D1、D2,工作原理 ：,5.3 集成运放简介,一. 集成运放的总体结构,集成运算放大器是一个高增益、高输入电阻和低输出电阻的 多级直接耦合放大电路。,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放

8、的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,二. 简单的集成运放,原理电路：,三. 通用型集成运放F007（5G24，mA741),1.信号传输过程,T1T4：共集-共基差放；,T16、T17：复合管组成共射放大电路；,T14、T20工作在甲乙类放大状态。,T5T7：镜像电流源，作有源负载；,T8、T9组成镜像电流源，为差动输入级的T1、T2提供集电极偏置电流；,T10、T11组成微电流源，T10集电极为T3、T4提供基极偏置电流；,T12、T13构成双输出的镜像电流源，T13B为复合管T16、T17提供集电极电流，并作为中间级有源负载；T13A为输出级提供偏置电流，使输出级T14、T20工作在甲乙类放大状态。,2. 偏置电路：,T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,3. 输入级：,T1T4：共集-共基差放；,T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。 其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。,T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成镜象电流源，作为差

9、动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。同时，还可在单端输出状态下获得双端输出的增益。,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13管作这一级的集电极有源负载。,4. 中间级：,T24是缓冲级，同时可给输出级提供足够大的电流。,A,B,T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。,T15、T21、T22、T23：组成过流保护电路.T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、 T22、T23、R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,5. 输出级：,6. 相位分析：,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,3号（同相端）；2号（反相端）；6 号（输出端）；7号（+VCC）； 4号（-VEE）； 1号、5 号（调零端）；8 号、 9号（补偿端）。,7. 管脚分析：,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,1.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，折算到输入端的电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,四、 集成运算放大器的主要参数,uo0,210mV,它反映了运放输入级差动对管UBE的对称程度。,2.输入失调电压温漂 dUIO dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压的变化量与温度变化量之比。,1020uV/oC,4.输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IIB ： 输出电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,10nA1uA,1nA0.1uA,5.输入失调电流温漂dIIO /dT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流的变化量与温度变化量之比。,1nA/oC,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常

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