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1、第四章 集成运算放大器第1页，此课件共35页哦集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多高增益的直接耦合的集成的多级放大器。级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元元器器件件具具有有良良好好的的一一致致性性和和同同向向偏偏差差，因因而而特特别别有有利利于于实实现现需需要要对对称称结构的电路。结构的电路。（2）集集成成电电路路的的芯芯片片面面积积小小，集集成成度度高高，所所以以功功耗耗很很小小，在在毫毫瓦瓦以以下。下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。(由于集成电路中，由于集成电路中，电阻电阻是利
2、用是利用NPN管的管的基区体电阻基区体电阻构成，电阻值的范围一般为几构成，电阻值的范围一般为几十欧十欧10千欧左右，阻值范围不大，且阻值精度不易控制，误差可达千欧左右，阻值范围不大，且阻值精度不易控制，误差可达10%20%。所以，若需要高阻值电阻，可用所以，若需要高阻值电阻，可用BJT或或FET等组成的恒流源代替，或采用外接电等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的方法。阻的方法。)什么是集成运算放大器？什么是集成运算放大器？第2页，此课件共35页哦（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。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。直接耦
3、合方式。如需大电容，只有外接。(电容电容则采用则采用PN结的结电容结的结电容构成，约在构成，约在100PF以下，误差也较大，以下，误差也较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。因此电路结构只能采用直接耦合方式。)（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。(6)在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是NPN管）比制造管）比制造其他元件容易，且占用面积小，性能好。其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用因此常用BJT（或（或FET）构成恒流源作偏置电阻；将）构成恒流源作偏置电阻；将BJT的基极和的基极和集电极短接构成
4、二极管集电极短接构成二极管 稳压管等；稳压管等；第3页，此课件共35页哦一一、集成运放的组成部分集成运放的组成部分：1、四个部分、四个部分：偏置电路、输入级、中间级、输出级偏置电路、输入级、中间级、输出级2、各部分的作用、要求和常采用的电路形式：、各部分的作用、要求和常采用的电路形式：偏置电路偏置电路：向各个放大级提供适当的静态偏置电流，决定各级的静向各个放大级提供适当的静态偏置电流，决定各级的静态工作点。要求提供的静态电流小而稳定。态工作点。要求提供的静态电流小而稳定。常采用电路：比例电流源、镜像电流源、微电流源常采用电路：比例电流源、镜像电流源、微电流源输入级输入级：接收输入信号，对集成运
5、放的多项技术指标起决定性的作用。：接收输入信号，对集成运放的多项技术指标起决定性的作用。要求该级抑制零点漂移能力高。要求该级抑制零点漂移能力高。常采用电路：差分放大电路常采用电路：差分放大电路中间级中间级：提供足够大的电压放大倍数。要求该级电压放大倍数大：提供足够大的电压放大倍数。要求该级电压放大倍数大且输入电阻高。且输入电阻高。常采用电路：共射放大电路（有源负载和复合管）常采用电路：共射放大电路（有源负载和复合管）第4页，此课件共35页哦输出级输出级：处理大信号、带负载。要求设法减小输出波形的：处理大信号、带负载。要求设法减小输出波形的非线性失真，提供较大电流，带负载能力强。非线性失真，提供
6、较大电流，带负载能力强。常采用电路：互补对称功放电路常采用电路：互补对称功放电路3、框图、框图:输入级 中间级 输出级 偏 置 电 路Vi1Vi2Vo级间直接耦合级间直接耦合差分式输入差分式输入电压（流）放大电压（流）放大恒流源恒流源功放功放第5页，此课件共35页哦1.镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：无论无论T2的负载如何变化，的负载如何变化，IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。因为：因为：所以：所以：二二、集成运放中的偏置电路集成运放中的偏置电路特点特点：电路结构：电路结构：存在问题存在问题：当：当不够大时，不够大时，I IC2C2与与I IREF REF 差异较大差异较大
7、第6页，此课件共35页哦2.微电流源微电流源（1）电流小（因为）电流小（因为UBE小）。（小）。（2）电流稳定（电流负反馈）电流稳定（电流负反馈）微电流源的特点微电流源的特点：电路结构电路结构：镜像电流源电路适合用于较大工作电流（mA级）的场合，若需要IC2 R，在集成电路中不易实现。故推出 微电流源（微电流源（AA级）级）第7页，此课件共35页哦3.多支路比例电流源多支路比例电流源同样，同样，IC2 和和IC3也与也与IR成比例成比例电路结构：电路结构：+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC第8页，此课件共35页哦即：即：1=2=UBE1=U
8、BE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb三、三、输入级电路输入级电路差分放大电路差分放大电路（三种形式：（三种形式：基本式、长尾式、恒流源式）基本式、长尾式、恒流源式）（一）长尾式（一）长尾式（结构特点（结构特点：对称性）：对称性）第9页，此课件共35页哦四、输出级四、输出级工作原理：工作原理：ui为正半周时，为正半周时，T1管工作，管工作，T2管截止，输出管截止，输出uo为正；为正；ui为负半周时，为负半周时，T2管工作，管工作，T1管截止；输出管截止；输出uo为负。为负。两管交替工作，在负载电阻两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。上
9、得到完整的正弦波。1.互补对称射极输出电路互补对称射极输出电路第10页，此课件共35页哦2.克服交越失真的互补对电路克服交越失真的互补对电路 静态时，静态时，T1、T2两管发射结电两管发射结电压分别为二极管压分别为二极管D1、D2的的正向导通压降，致使两管正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以均处于微弱导通状态，以消除交越失真。消除交越失真。电路中增加电路中增加 D1、D2工作原理工作原理 ：第11页，此课件共35页哦简单的集成运放简单的集成运放 原理电路：原理电路：第12页，此课件共35页哦 通用型集成运放通用型集成运放F007AB第13页，此课件共35页哦AB第14页，此课件共35页
10、哦分析：分析：1.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，构成了主偏置电路，产生基准电流产生基准电流：其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管管构构成成多多支支路路电电流流源源。T13管管是是多多集集电电极极三三极极管管，其其集集电电极极电电流流的的大大小小比比例例为为3:1。B路作为中间级的有源负载。路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。路为输出级提供偏置。第15页，此课件共
11、35页哦2.输入级：输入级：T1、T2和和 T3、T4管组成共集一共基复合管组成共集一共基复合差动输入电路。其中差动输入电路。其中T1和和T2管作为射极输管作为射极输出器，输入电阻高。出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。以上。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组成具有组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时
12、还有单端输出转换为双端增益的功能。第16页，此课件共35页哦3.中间级：中间级：T16和和T17是复合管组是复合管组成的共射放大电路，成的共射放大电路，T13B作作这一级的集电级有源负载。这一级的集电级有源负载。电容电容C用来克服自激振荡用来克服自激振荡第17页，此课件共35页哦T14和和T20管组成互补对称管组成互补对称输出级输出级4.输出级：输出级：T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不致烧管在负向电流过大时不致烧坏。坏。T18、T19和和 R8为其提供静态为其提供静态偏置以克服交越失真。偏置以克服交越失真。T15和和 R9保护保护T14管，使其管，使其
13、在正向电流过大时不致烧坏。在正向电流过大时不致烧坏。第18页，此课件共35页哦5.相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2号腿为反相端。号腿为反相端。ABRP为平衡电位器为平衡电位器第19页，此课件共35页哦五、五、集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 1.1.输入失调电压输入失调电压U UIOIO 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。端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。2.2.输入失调电压温漂输入失调电
14、压温漂 d dU UIOIO/dT/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。变化量之比值。第20页，此课件共35页哦 4.4.输入失调电流输入失调电流 I IIOIO ：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。级输入电流不对称的程度。3.3.输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB ：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用输入电压为零时，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
15、大小。于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂d dI IIOIO/dTdT: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。量之比值。第21页，此课件共35页哦 6.6.最大差模输入电压最大差模输入电压U Uidmaxidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差差分管将出现反向击穿现象。分管将出现反向击穿现象。7.7.最大共模输入电压最大共模输入电压V Vicmaxicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入
16、电压的允许范围。共模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。制能力。第22页，此课件共35页哦 8.8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 A Ao od d ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.9.差模输入电阻差模输入电阻r ridid ：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以
17、上。欧姆以上。10.10.共模抑制比共模抑制比 K KCMRCMR ：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。第23页，此课件共35页哦 11.3dB带宽带宽 f H：运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H。12.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率换速率SR的表达式为：的表达式为：第24页，此课件共35页哦六、特殊集成运算放大器六、特殊集成运算放大器
18、 反反映映集集成成运运放放性性能能的的好好坏坏有有几几十十个个参参数数，一一种种运运放放要要想想在在各各种种指指标标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通通用用型型运运放放，各各种种参参数数指指标标都都不不算算太太高高，但但比比较较均均衡衡，适适用用于量大面广，没有特殊要求的场合。于量大面广，没有特殊要求的场合。特特殊殊类类型型的的集集成成运运放放，在在某某一一个个或或几几个个参参数数上上有有很很高高的的性性能能，而而其其他他参参数数一一般般。用用户户可可以以从从特特殊殊类类型型集集成成运运放放的的系系列列中中进行选择，以满足某些方面的特殊要
19、求。进行选择，以满足某些方面的特殊要求。第25页，此课件共35页哦 1.高输入阻抗型 特点：差差模模输输入入电电阻阻往往往往大大于于109W W，输输入入偏偏置置电电流流通通常常为为pA数量级。数量级。输输入入级级经经常常采采用用结结型型场场效效应应管管JFET与与BJT相相结结合合构构成成差差动动输输入入级级，称称为为BiFET，或或采采用用超超 管管与与BJT结结合合的的电电路路，构构成成差动输入级。差动输入级。其典型产品有其典型产品有5G28、F3130、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。等。主要应用：测量放大、取样电路主要应用：测量放大、取样电路第
20、26页，此课件共35页哦2.高精度、低漂移型 特特点点：很很低低的的漂漂移移量量和和很很高高的的精精度度。一一般般UIO/T 2m mV,IIO/T 10MHZ。高高 速速 型型 运运 放放 的的 典典 型型 产产 品品 有有m mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。等。主主要要应应用用：高高速速数数据据采采集集系系统统、高高速速AD和和DA转转换换器器，高高速速锁锁相相环环及及视视频频放放大大系系统统中中，性性能能优优良良的的高高速速运运放放转转换换速速率率已已可可达到几千伏达到几千伏微秒。微秒。第28页，此课件共35页哦4.4.低功耗型低功耗型特特点点：功功耗耗为
21、为微微瓦瓦数数量量级级。电电流流几几十十微微安安，电电源源电电压压在在几几伏伏以以下。下。典型产品有典型产品有CA3078、m mPC253、ICL7641等。等。主要应用主要应用：能源有限的宇航、军事技术。：能源有限的宇航、军事技术。5.5.大功率型大功率型 特特点点：电电源源电电压压为为正正负负几几十十伏伏，输输出出电电流流几几十十安安培培，输输出出功功率率为几十瓦左右。为几十瓦左右。典典 型型 产产 品品 有有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。等。第29页，此课件共35页哦u-u+uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放
22、的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端七、七、集成运算放大器的模型集成运算放大器的模型第30页，此课件共35页哦1、运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui第31页，此课件共35页哦
23、2、理想运算放大器：、理想运算放大器：（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Aod=（2）差摸输入电阻）差摸输入电阻 Rid=（4）输出电阻）输出电阻 Ro=0（3）共模抑制比）共模抑制比KCMR=（5）输入失调电压，输入失调电流及其温漂为零）输入失调电压，输入失调电流及其温漂为零（6）开环带宽）开环带宽BW=第32页，此课件共35页哦理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）3.线性区线性区第33页，此课件共35页哦4.非线性区（正
24、、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！+10V-10V+Uom-Uom0uoui 运放工作在非线性状态时：运放工作在非线性状态时：(1)若若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则UO=-UOM。(2)虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！第34页，此课件共35页哦本章小结本章小结1 1熟练掌握差动放大器的电路结构、工作原理及分析熟练掌握差动放大器的电路结构、工作原理及分析 计算方法计算方法2正确理解集成运放中电流源电路的电路结构及其特点，正确理解集成运放中电流源电路的电路结构及其特点，了解其了解其他单元电路的工作原理他单元电路的工作原理3正确理解集成运放的总体结构，了解集成运放正确理解集成运放的总体结构，了解集成运放F007的电路结构的电路结构及特点。及特点。了解特殊类型运放的特点。了解特殊类型运放的特点。4正确理解集成运放的各种参数的物理意义。正确理解集成运放的各种参数的物理意义。5.熟练掌握集成运放的电压传输特性及理想运放的模型及特点熟练掌握集成运放的电压传输特性及理想运放的模型及特点第35页，此课件共35页哦