模拟电路与数字电路(第2版)课件集：第5章-集成动算放大器

第5章集成运算放大器引言5.1集成运算放大器的构成5.2集成运算放大器5.3集成运算放大器的基本运算电路5.4集成运算放大器的非线性应用集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器(简称集成运放)，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成稳压器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、用途最广的一种，这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、性能指标及常用等效模型。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。引言集成运算放大器(简称集成运放)，根据集成工艺不同有双极性和单极性之分。运算放大器外形图5.1集成运算放大器构成uuu电压放大级输出级偏置电路uo+差动输入级uu-集成运放的组成方框图简单的集成运放原理电路+++++T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反相输入端同相输入端输入级中间级输出级输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。为提高放大倍数，常用复合管。输出级：具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（带负载能力强），非线性失真小。OCL电路。偏置电路：镜像电流源，微电流源。5.1.1差分(动)式放大电路•集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。•当多级直接耦合放大电路的输入端短路(ui＝0)，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。•产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。抑制零点漂移要着重于第一级。有效的措施之一是采用差动放大电路，因而差动放大电路成为集成运放的主要组成单元。基本差分(动)放大电路•图中所示是一个基本差动放大电路，又称为长尾式差动放大电路，其结构特点是：•对称，即•Rs1=Rs2=Rs，•Rc1=Rc2=Rc，•β1=β2=β，UBEl=UBE2=UBE•两个输入端ui1和ui2•两个输出端uo1和uo2•∵对称•∴IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC•对输入电路•RsIB+UBE+2ReIE1=UEE•有CeBEEEseBEEEEIRUURRUUI2121UE=2IE1Re-UEE≈2ICRe-UEEIB＝IC/βUC=UCC–RcICuO=UC1-UC2=0抑制零点漂移的作用•1）电路的对称性有效抑制了零点漂移；•2）RE引入的电流负反馈，稳定电路工作点，抑制单个管子的零点漂移。•3）电源（-UEE）的作用是：•a）对三极管T1、T2提供基极电流；•b）补偿IE在RE上产生的直流压降，使UE=0，则UCE=UC，输出电压有较大的变化范围。5.1.2差分(动)式放大电路的静态分析和动态分析•差动放大电路的输入信号可以分为两种类型：共模信号和差模信号。•当两个输入端的信号为ui1＝-ui2＝uid/2时，输入方式称为差模输入。uid＝ui1-ui2称为差模信号。•当两个输入信号为ui1＝ui2＝uic，uic称为共模信号，其输入方式称为共模输入。uic的作用与温度影响相似，所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力。•当两个输入端各加一个任意的信号电压ui1和ui2，这两个输入信号可以分解为差模信号和共模信号，•uid＝ui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2•两个输入电压可用共模和差模信号表示，•ui1＝uic+uid/2ui2=uic-uid/2•在差模信号和共模信号同时存在的情况下，对于线性放大电路来说，可利用叠加原理来求出总的输出电压。•uo=Auduid+Aucuic•Aud=uod／uid为差模电压放大倍数•Auc=uoc／uic为共模电压放大倍数。共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。5.1.3偏置电路•恒流源电路使用电阻较多，且作为恒流源的管子，它的UBE还要受温度的影响，因此抑制零漂不够理想。•在电子电路特别是模拟集成电路中，广泛使用的另一种单元电路是电流源，它为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。•利用晶体管输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。1.镜像电流源•T1、T2特性完全相同，有β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，IEl＝IE2。RL是后级电路的等效电阻，R称作限流电阻。•对整个T1管应用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+β/2)IC2•当β2，IR≈Io=IC2•而IR=(UCC-UBE)/R•所以，当R确定后，IR就确定了，Io也随之而定，Io就如同IR在镜子中的影像一样，故称该电路为镜像电流源，IR称作电流源的基准电流。•在UCCUBE的条件下，Io≈UCC/R与晶体管的参数无关，具有很好的温度稳定性和较好的恒流特性。5.多路电流源用一个基准电流去控制多个输出电流，就构成了多路电流源•当β较大时，有•IE≈IC≈IR•由于各管的β、UBE相同，则•IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3≈IRRe•所以IC1≈IE1=IRRe/Re1，IC2≈IE2=IRRe/Re2，IC3≈IE3=IRRe/Re3当IR确定后，改变各Rei，可获得不同的输出电流。5.1.4功率放大电路放大电路(集成运放)的最后一级常常要求能带一定的负载，例如推动扬声器使之发出声音，推动电动机旋转等，即要输出一定的信号功率。这种以输出功率为主要目的的放大级称为功率放大电路。功率放大电路的特点•(1)输出功率尽可能大问题，管子工作在接近极限参数。•(2)消耗的功率大，存在效率问题。所谓效率，就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。•(3)功率放大器在大信号下工作，难免产生非线性失真。而且输出功率越大，失真往往越严重。•(4)由于流过功放管的电流较大，有相当大的功率消耗在管子上。因此，要有散热和保护保护措施。•(5)由于功放管是在大信号下工作，一般只能采用图解分析法。功率放大电路的要求•就本质而言，功率放大电路和电压放大电路并没有什么区别。但它们要完成的任务不同，因而对它们的要求也不同。•电压放大电路通常是在小信号下工作，主要任务是在信号不失真的条件输出足够大的电压。要求电压放大倍数Au足够大；输入电阻ri大，以便从前级得到足够大的电压；输出电阻ro小，以便将更多的电压传给下一级。•功率放大器则不同，它通常作为放大电路的最后一级，工作于大信号下，要求不失真地输出足够大的功率PO且效率要高。功率放大电路的三种工作方式•⑴甲类工作方式：•Q点设置在负载线的中点，在输入信号的正负半周，晶体管都在工作，管子的导通角为360°，输出波形失真小，但静态管子功耗大，效率低。•⑵乙类工作方式：•Q点在负载线的最低点，由于静态时电流为零，无功耗，效率最高。但此时放大电路只在输入信号的正半周工作，负半周时晶体管截止，管子的导通角为180°，输出波形出现严重的失真。•⑶甲乙类工作方式：•Q点略高于乙类时，静态电流很小，静态消耗约为零，效率也很高。晶体的导通时间大于半个周期，管子的导通角大于180°，此时输出波形仍失真严重。三种工作方式对应的Q点和输出波形•甲类工作方式效率低不适合功率放大。•乙类和甲乙类工作方式虽然失真严重，不能直接使用，但由于效率高，只要合理的设计电路结构，使两只管子轮流工作便可得到很好的功率放大效果。•因此功率放大电路通常选择乙类或甲乙类工作方式。甲类乙类甲乙类互补对称功率放大电路•1.工作原理•静态时，基极回路没有偏流，T1、T2截止，uo为0。•ui正半周，T1导通，T2截止，等效电路如图（b）所示，电流ic（=iL）从上至下流过负载RL，uo＞0；•ui负半周，T1截止，T2导通，等效电路如图（c）所示，电流ic（=iL）从下至上流过负载RL，uo＜0，在ui的一个周期中，T1、T2轮流导通，在负载RL上合成一个完整的波形。+Ucc-UcciC1iC2RL+ui-T1T2+uo-+UcciC1RL+ui-T1+uo--UcciC2RL+ui-T2+uo-iO（a）（b）（c）＋－u-－u+uo5.2.1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•输出电阻小同相输入端反相输入端输出端VVVo+∞+－A+-uuu5.2集成运算放大器1.输入失调电UIO输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。5.2.2集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压温漂dUIO/dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。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：输入电压为零时，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。2B1BIB21III2B1BIOIII5.输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。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Vicmax在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。8.开环差模电压放大倍数Aod：无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。9.差模输入电阻rid：双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。10.共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。UUUAood11.－3dB带宽fH：运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。12.转换速率SR(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为maxoRddtuS等效电路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)5.2.3理想运算放大器的特性uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–1)Aud6)UIO0，IIO01.理想运放的条件4)KCMR5)BW2)Rid3)Ro0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–2.理想运放的电压传输特性理想运放OuiduoUomax–Uomaxuouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–线性区OuidUomax–Uomax实际运放1)u+u–(虚短)证：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–u–=uo/Aud02)i+i–0(虚断)证：i+=uid/Rid0同理i–0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–3.理想运放的特性5.3集成运算放大器的基本运算电路5.3.1求和运算电路5.3.2减法运算电路5.3.3微分电路和积分电路5.3.4对数电路和指数电路5.3.1求和运算电路1.反相输入求和电路R3=R1//R2//RfiFi1+i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu若Rf=R1=R2则uO=(uI1+uI2)R2//R3//R4=R1//RfuRRu)1(1fO)////////)(1(I242342I1432431fOuRRRRRuRRRRRRRuI242342I143243////////uRRRRRuRRRRRu若R