模拟电子技术之集成运算放大电路.

第5章集成运算放大电路本章教学内容5.1集成放大电路的特点5.2集成运放的主要技术指标5.3集成运放的基本组成部分5.4集成运放的典型电路5.5各类集成运放的性能特点5.6集成运放使用中的几个具体问题5.1集成放大电路的特点手机主控制芯片手机主板三星i9300小米手机2特点：体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本，实现了元件、电路和系统的三结合。集成电路IC(integratedcircuit)：将晶体管、电阻、电容等各种电子元器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功双列直插式数字集成电路模拟集成电路集成运算放大器：一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。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。圆壳式扁平式提供合适的静态工作点集成运算放大器的组成及特点集成运算放大器的组成5.2集成运放的主要技术指标同相输入端反相输入端输出端输入级中间级输出级偏置电路保护电路-+减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大差分放大电路大的电压放大倍数，双端输入变换为单端输出共射放大电路提高带负载能力，足够的输出电流io，输出阻抗ro小功率放大电路提供过流、过压保护直流电源+USUS集成运算放大器内部组成特点无电感、无大容量电容、无大阻值电阻。集成运算放大器的电路符号AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo——开环电压放大倍数反相输入端同相输入端输出端集成运算放大器的主要技术指标开环差分电压增益Aod输出电压与差分输入电压之比,一般用对数表示。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。ood20lguAuu单位:dB(分贝)输入失调电压UIO为了使输出电压为零，在输入端加的补偿电压。一般运放UIO的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。输入失调电压温漂IOUIOIOddUUT输入失调电流IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。输入失调电流温漂IOIIOIOddIIT代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。B2B1IOIII输入偏置电流IIB运算放大器静态输出电压为0时流入(流出)的电流平均值。IIB是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的β值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。)(21B2B1IBIII最大差模输入电压UIDM运算放大器输入端之间所能承受的最大电压。最大共模输入电压UICM运算放大器输入端所能承受的最大共模电压。-3dB带宽fH单位增益带宽BWG转换速率SRAod下降3dB时的频率。Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/μs。共模抑制比KCMR综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。。下，在参数理想对称的情况CMRcdCMRKAAK差模放大倍数共模放大倍数dCMRc=20logdb()AKA分贝愈小愈好愈大愈好KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。同相输入端反相输入端输出端输入级中间级输出级偏置电路保护电路-+直流电源+USUS差分放大电路共射放大电路功率放大电路5.3集成运放的基本组成部分电流源电路偏置电路镜像电流源12BE1BE2BE,UUU三极管T1、T2匹配RUVI1BECCREF基准电流C2C1C2REFREFB22IIIIII+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以211REF2CII当满足2时，则RUVII1BECCREF2C比例电流源IB2IB12IBT1T2RR1R2+VCCIREFIC2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，22E11ERIRI忽略基极电流，REF211C212CIRRIRRIIREFIB2IB1Ic12IBT1T2RRe+VCC微电流源IC2UBE2UBE1+--+IE2由图可得BE1BE2E2eC2eUUIRIR二极管方程BEBETTCSS(e1)eUUUUIIIC1C2BE1BE2C2eS1S2(lnln)TIIUUUIRIIS1S2IIC1TC2eC2lnIUIRICBETSlnIUUI得IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的β2，横向PNP三极管的β=2，电阻R5=39kΩ。①估算基准电流IREF；②分析电路中各三极管组成何种电流源；③估算VT13的集电极电流IC13；④若要求IC10=28μA，试估算电阻R4的阻值。【例】IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF解：①由图可得CCEEBEREFmAmA52151520.7390.73VVUIR②VT12与VT13组成镜像电流源，VT10、VT11与R4组成微电流源。IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF③不能简单认为Ic13≈IREF。C13REFmAmA12110.73210.365II④可认为IC11≈IREF。CT4CCk3311661010326100.7310lnln281028103103IURII差分放大输入级基本形式差分放大电路对称结构，差分输出克服零点漂移；零输入零输出；抑制共模信号；放大差模信号；+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差分放大电路工作原理零点漂移的抑制C1CE1C2CE2IUTIU电路的对称性当ui1=ui2=0时，uo1=uo2uo=uo1-uo2=0uo1=uo2uo=(uo1+uo1)-(uo2+uo2)=0+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2共模输入共模信号：两输入信号大小相等极性相同。ui1=ui2=uICo1u1i1uAuo2u2i2uAuu1u2AAoo1o20uuu0ICocuuA抑制共模信号+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模电压放大倍数：+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模输入差模信号：两输入信号大小相等极性相反。ui1=-ui2=0.5uIdoo1o2u1i1u2i2u1i1i2u1i1o1()22uuuAuAuAuuAuuo1u1i1uAuo2u2i2uAuu1u2AAodu1IduAAu放大差模信号差模电压放大倍数：差分输入差分信号：两输入信号的大小、相位任意。i1i2i1i2i122uuuuui1i2i1i2i222uuuuu共模差模差分uo=Ad(ui1-ui2)差分放大电路分析差分放大电路时，只需考虑共模输入与差模输入即可。对于任意信号可以分解成这两种输入信号来分析。长尾式差分放大电路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流引入共模负反馈提高了共模抑制比对差模信号无负反馈+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe-IBQRβIBQVCC-ICQRc静态分析IBQIBQICQICQUCQUCQ+-UBEQUBEQ+-2IEQUBQ晶体管输入回路方程：BQBEQEQeEE2-0IRUIRVEEBEQe2(1)VURR+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReuc1uc2动态分析L12RL12R=Au1Ro=2Rc+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R+-uiuc2uc1L12RL12Rodi=uAubebLcd)2(rRRRA∥)(2beidrRR+ui1RRcVT1uc1-L12R调零电阻Rw确保静态时输出为零。静态分析：UCQ=VCC-ICQRcICQ≈βIBQUBQ=-IBQR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw长尾式差分放大电路RwRLui1【例】分析右图所示差分放大电路。BQBEQwEQeEQEE1++2=2IRURIRIVEEBEQBQwe-=10.5+2VUIRRR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的长尾式差分放大电路RwRLui1动态分析：+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R0.5Rw0.5RwL12RL12R+ui1RRcVT1∆uc1-0.5RwL12Ri1bebwe=+0.5uRriRic1bcL1=-//2uiRRodu1i==uAAuLcdbbew()2+0.51+RRARrR∥idbbew2+0.51+RRrRRo=2Rc恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLui1I既可有效抑制零漂，又便于集成。静态分析+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3)(EECC2b1b1b1bVVRRRURe3BEQEQ3CQ31bRUUIIRCQ3CQ2CQ121III11CQBQ2BQ1IIIRIUU1BQBQ2BQ1C1CQCCCQ2CQ1RIVUU+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz【例】估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad。UBQ1=-IBQ1RIEQ3ICQ3ICQ1ICQ2UCQ1UCQ2IBQ1IBQ1静态工作点:UCQ1=VCC-ICQRC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDzCQ1CQ312IIzBEQ3CQ3EQ3e-=UUIIR差模电压放大倍数:+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻均相同cdbew+0.51+RARrR差分放大电路的输入、输出接法双端输入、双端输出Lcdbe(//)2RRARridbe2()RRroc2RR+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-双端输入、单端输出oc1uuii12uudu112AAcLdbe(//)12RRARridbe2()RRrocRR+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo单端输入、双端输出Lcdbe(//)2RRARridbe2