模拟电路课件4

第四章集成运算放大器4.1集成运算放大电路概述4.2集成运放中的电流源电路4.3集成运放电路简介4.4集成运放的性能指标及等效电路4.5集成运放的理想化模型4.6集成运放的种类4.7集成运放的使用4.1集成运算放大电路概述集成电路就是采用一定的制造工艺，将二极管、三极管、场效应管、电阻、电容等元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于其集成度高、体积小、功能强、功耗低、外部连线少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。集成电路最初多用于各种模拟信号的算术运算，故被称为集成运算放大电路。归纳起来其有如下特点：4.1.1集成电路的特点2.二极管多用三极管的发射结代替；3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；4.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接。1.元器件参数的一致性和对称性好；4.1.2集成运放的组成和符号第4章411.集成运放的内部电路结构框图输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器偏置电路—由各种恒流源等电路组成u+输入级偏置电路输出级中间级u-uo2.集成运算放大器的符号uiuou+u–输出端同相输入端反相输入端u+–+uouiu–4.1.3运算放大器的电压传输特性UOMUOM–UOM–UOMUim–Uim实际运放理想运放uo=f(ui),其中ui=u+–u–uOui0uiuo++–uiuO04.2集成运算中的电流源电路4.2.1基本电流源电路RT2+VCCIC22IBIRT1IC1IB1IB21.镜像电流源β1=β2=β,当β2时输出电流：IC2≈IR=(VCC–UBE)/R特点简单IC2≈IR要求IC2较大时，R必须很小，功耗加大要求IC2较小时，R必须很大，不易制作∵电路完全对称：可得IC=IRββ+2IB1=IB2=IB,IC1=IC2=ICIR=(VCC–UBE)/R=IC+2IB=IC+2IC/β2.比例电流源RT2+VCCIC2IB1+IB2IRT1IC1IB1IB2RE1RE2IE1IE2增加了RE1、RE2,可以使IC2,=,IR∵UBE1=UTln(IE1/IS),UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2(1)当IE1、IE2相差不大时，输出电流IC2≈IRRE1RE2基准电流IR≈VCC–UBER+RE1UBE2=UTln(IE2/IS)ΔUBE=UBE1–UBE2=UTln(IE1/IE2),代入(1)式,有IE2RE2=IE1RE1+UTln(IE1/IE2)当β2时，IC1≈IE1≈IR,IC2≈IE2∴IC2≈IR(RE1/RE2)+(UT/RE2)ln(IE1/IE2)3.微电流源RT2+VCCIC2IB1+IB2IRT1IC1IB1IB2RE0REIE1IE2运放的输入级，静态电流很小，只有μA级，或更小。将上述电路中的RE0减小→0则IC2≈IE2=UBE1–UBE2RE输出电流IC2≈lnUTIRREIC2此为关于IC2的超越方程，可由图解法求解其中基准电流IR=VCC–UBER4.2.2改进电流源电路上述电路中，均要求β1，方能保证IC2≈IR，须加以改进一、带射极输出器的电流源RT2+VCCIC2IB3IRT1IC1IB1IB2IE1IE2T3IE3RE3利用T3的电流放大作用，减小IB1、IB2对IR的分流令β1=β2=β3=β,整理后，得：IC2=≈IRIR2β(1+β)1+RE3用以增大IE3(使IE3不至于过小)以增大β当β=10时，IC2=0.982IR≈1.0IRIB1=IB2=IB,UBE1=UBE2=UBE输出电流：IC2=IC1=IR–IB3=IR–IE3/(1+β)即IC2=IR–2IB1/(1+β)=IR–2IC1/β/(1+β)二、威尔逊电流源T1、T2、T3特性完全相同RT2+VCCIC2IRT1IC12IBIE3T3IC3IB3AB整理后，有：IC3=1–IR≈IR2β2+2β+2当β=10时，IC3=0.984IR≈1.0IR则IC=IE3=*IC3ββ+2ββ+2β+1β即IC=IC3β+1β+2对节点B,有IR=IB3+IC=+IC3IC3ββ+1β+2令β1=β2=β3=β，IC1=IC2=IC对节点A,有：IE3=IC+2IB=IC+2IC/β4.2.3多路电流源电路RT1+VCCT0IC0IC2IE1IE0RE0T3T2IRIC3IC1RE1RE2RE3IE3IE2利用各级的UBE大致相等，有IE0RE0≈IE1RE1≈IE2RE2≈IE3RE3选择合适的电阻，可以得到所需的电流4.2.4有源负载放大电路一、有源负载共射放大电路RT3+VCCIC3IRT2IC2T1IC1uORLRBuiuirCE2RLuORBibrBE1β1ibrCE1电压放大倍数T1放大管,T2,T3为镜像电流源负载,IC1≈IR=(VCC–UEB3)/Rβ1RLRB+rBE1≈–β1(rCE1//rCE2//RL)RB+rBE1Au=–二、有源负载差分放大电路T4+VCCIC4IOT3IC3T1ISuORLuiT2IC2IC1–VCCT1、T2为放大管T3、T4电流源对于差模信号,ΔIC1=–ΔIC2静态时，IC1=IC2=IS/2,IC3=IC4又IC3≈IC1→IC4=IC2→IO≈0ΔIC4=ΔIC3≈ΔIC1∴ΔIO≈2ΔIC1→ΔuO≈2ΔIC1RL电压放大倍数Au=ΔuO/ΔuiAu≈–β1RL/rBE4.3集成运放电路简介集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，尽管品种繁多，但其基本部件、结构形式、组成原则大致相同。输入级偏置电路输出级中间级u-uou+4.3.1双极型集成运放——由三极管组成4.3.2单极型集成运放一、F007——P183,A105,ri2MΩ二、F324——P186,A100dB,ri5MΩC14573——P189,A103,ri106Ω4.4集成运放的性能指标及等效电路4.4.1集成运放的主要性能指标1.最大输出电压UOM；2.开环电压放大倍数Ad;3.输入失调电压Uio;4.输入失调电流Iio;5.输入偏置电流IiB;6.差模输入、输出电阻rid及rod；7.最大共模输入电压Uicm;8.最大差模输入电压Uidm;9.共模抑制比KCRM；除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。4.4.2集成运放的低频等效电路U–U+UdUoriro+–AOudIin简化的集成运放低频等效电路4.5集成运放的理想化模型4.5.1.理想运算放大器的技术指标1.Ao=；U-U+UdUorirO+－AOudIin5.Uio、Iio、IiB及温漂均为零2.ri=；3.ro=0;4.KCRM=；4.5.2.理想运放工作在线性区的分析依据1.“虚断路”原则+i+ui对于理想运放ri相当于两输入端之间短路uiiri=对于理想运放u–u+相当于两输入端之间断路uOi+=i_0Auui0,ri,2.“虚短路”原则+uo=ui–u–=uAu+uiuO++––i-3.“虚地”的概念在右图所示电路中，因为存在负反馈信号,同相输入端不是“虚地”！由“虚断路”原则i+=0,有u+=0u–u+=0结论：反相输入端为“虚地”当同相输入端接地时，ＦＲＲ２１uiuoＲＲＦＲＲ１２uiuo由“虚短路”原则注意4.5.3理想运放工作在非线性区的分析依据“虚断路”原则uiiiri=对于理想运放相当于两输入端之间断路ii0ri,运放工作在线性工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。+iiuiriuO+注意:u+=u–不一定成立！4.6集成运放的种类4.6.1集成运放的发展概况——经理了四代产品第一代：沿用分立元件设计思想，但性能远远高于分立元件电路。典型产品——uA709；国产的F003,5G23等。第二代：采用有源负载，简化电路设计思想，开环增益明显提高。典型产品——uA741；国产的F007,5G24等。第三代：采用了超β管，β值高达1000~5000，考虑了元件的热效应，减小了失调电压、电流、温漂。典型产品——AD508,MC1556；国产的F1556,F030等。第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各项性能更加理想。一般情况下不需要调零就能正常工作。典型产品——HA2900,SN62088；国产的5G7650等。4.6.2集成运放的种类按供电：单电源/双电源；集成度：单运放/双运放/四运放；按工艺：双极型，CMOS，BiFET;一、按工作原理分类1.电压型——放大电压，等效于VCVS，即uo=Auui如F007,F324,C14573等2.电流型——放大电流，等效于CCCS，即io=Aiii如LM3900,F1900等3.跨导型——输入电压转换为输出电流，等效于VCCS，即io=gmui如LM3080,F3080等4.互阻型——输入电流转换为输出电压，等效于CCVS，即uo=rmii如AD8009,AD8011等输出等效为电压源的运放，ro很小，几十Ω输出等效为电流源的运放，ro很大，几kΩ二、按控制特性分类1.可变增益运放2.选通控制运放——输入端有模拟多路开关，由数字量进行选择(1)外接电压控制uC,控制增益，如VCA610。当uC=0~–2V时,Au为–40bB~+40dB连续可调(2)用二进制数码控制增益,为模—数混合集成电路Aui1ui2ui3ui4uoAB三、按性能指标分类1.高阻型——输入阻抗很高，输入级多采用超β管，或用MOS管ri109Ω,适用于测量放大电路、信号发生电路、采样—保持电路2.高速型——具有很高的带宽:10~1000MHz和转换速率:100~1000V/μs。适于A/D、D/A变换器，锁相环和视频放大3.高精度型——具有高增益、低失调、低稳漂、低噪声适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度仪表中4.低功耗型——具有静态功耗低——几μW，工作电压低—几V的特点。常用于空间、军事、遥测、遥感等技术领域。4.6.3集成运放的选用——应注意：一、信号源的性质——根据信号源是电压源/电流源、内阻大小信号的幅值、变化的频率，选择运放的输入电阻，带宽…二、负载的性质——由负载的大小，确定运放的输出电压和输出电流的幅值。对于感性/容性负载,要考虑它们对频率特性的影响三、精度要求——根据精度要求，确定运放的开环增益、转换速率、失调电压、失调电流等四、环境条件——根据环境温度的变化范围，选择运放的失调电压/电流参数。再考虑电源电压、功耗等因素进行选择。4.7集成运放的使用4.7.1使用须知一、认识引脚集成运放大都采用DIP封装，使用前，应认清各引脚的功能二、参数则量静态——用Ω表则量各引脚，有无短路动态——用专用测试仪加电测试三、零点调节四、消除自激由于失调电压/电流的存在，对于内部没有自动调零电路的运放，必须外加调零电路(1)电源端加去耦电路(2)外加频率补偿电容4.7.2保护措施一、输入保护三、电源保护二、输出保护ADZRuouoAuoD2D1uoAD2D1+VCC-VCC4.7.3输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压设R1=R2=R3=R4=R，uPT1T2uoA+VCC(30V)uNe2e1b2b1R4R3R2R1-VCC(-30V)动态时，忽略Ib1,Ib2,Ib1Ib2运放A的工作电压为±15V静态时，uP=uN=0时，∴u0=0∴ue1≈ub1=+15V，ue2≈ub2=-15V则ub1=1/2(VCC-uo)+uo=1/2(VCC+uo)ub2=1/2(uo+VCC)-VCC=1/2(-VCC+uo)ub1-ub2=VCC=30V二、增大输出电流1.单向输出器2.双向输出器uPTA+VCCuNuoRL-VCCT1uPA+VCCuN-VCCuoT2