集成运算放大器放大电路.pptx

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1、教学内容3.1 概述3.2 电流源电路3.3 差动放大电路3.4 集成运算放大器3.5 集成运放的简单应用电路第1页/共76页 电路组成集成运算放大器是具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大电路的集成化。集成运放内部电路一般可分为四个组成部分，即输入级、中间级、输出级及偏置电路。3.1 3.1 概概 述述第2页/共76页 电路组成 输入级：常采用差动放大电路，要求输入电阻高、静态电流小、具有一定的电压放大能力以及抑制零点飘移的能力。中间级：一般采用有源负载的共射（共源）放大电路，要求能提供较大的电压放大倍数。输出级：采用射极跟随器或互补对称电路，要求输出电阻小，带负载能力强。

2、偏置电路：常采用电流源电路，用于合理设置集成运放各级放大电路的静态工作点。第3页/共76页 集成运算放大器的电路结构特点一、一、用有源元件用有源元件(晶体管或场效应管晶体管或场效应管)取代电阻取代电阻。二、二、用晶体管代替二极管用晶体管代替二极管，为了简化集成电路的制作工艺。，为了简化集成电路的制作工艺。三、三、电路结构与元件参数良好的对称性电路结构与元件参数良好的对称性，因此受环境温度和，因此受环境温度和 干扰等影响干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路(输入级输入级)和恒流源电和恒流源电路路(作偏置电路或有源负

3、载作偏置电路或有源负载)。四、四、采用直接耦合方式，采用直接耦合方式，因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均。因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均。五、五、集成运放中常采用复合形式，集成运放中常采用复合形式，因为集成晶体管和场效应管制作工艺不同，性能因为集成晶体管和场效应管制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。第4页/共76页单管电流源电路1、电路结构形式由一个晶体管和相应的电阻组成的电流源电路。2、工作原理如图所示，合理选择电路参数，使得电路满足：IR1IB，

4、电阻R2上的电压为3.2 3.2 电流源电路电流源电路第5页/共76页 单管电流源电路晶体管发射极电流为由于IC=IE，从晶体管集电极来看，该电路可以等效为一个电流源。第6页/共76页 单管电流源电路的动态电阻单管电流源电路的动态电阻求该电路动态电阻，作出其微变等效电路。第7页/共76页 单管电流源电路的动态电阻单管电流源电路的动态电阻求该电路动态电阻，作出其微变等效电路。电流源的动态电阻是相当大的。只要晶体管工作在放大状态，该电路就是一个较为理想的恒流源电路。第8页/共76页 镜像电流源电路1、电路结构形式可分为基本镜像电流源电路和改进型镜像电流源电路。第9页/共76页 镜像电流源电路2、工

5、作原理分析 T1与T2特性完全相同，且发射结电压相等，因此基极电流和集电极电流完全相等。即有 IB1=IB2=IB IC1=IC2 由于T1的 UBE=UCE，故处于临界放大 状态，IC1=IB1 成立。由电路可得只要 2，则有第10页/共76页 镜像电流源电路3、电路特点优点：是电路结构简单，且具有一定的温度补偿作用；缺点：不能实现输出电流与基准电流之间的比例调节。对于确定的电源电压，当要求输出电流较小时，必须增大电阻R R的数值，这在某些情况下实现起来并不方便。第11页/共76页 比例电流源电路1、电路结构形式为了实现输出电流与基准电流之间的比例调节，在两个晶体管的发射极加上电阻。2、工作

6、原理分析由右图可得UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2 因为T1与T2特性完全相同，在室温下，若IE1与IE2相差在10倍以内时，则有第12页/共76页 比例电流源电路工作原理分析如果采用硅管，可近似认为UBE1=UBE2IE1RE1 IE2RE2当1时，有 IE1IC1IR，IE2IC2则第13页/共76页 微电流源电路1、电路结构形式在集成运放电路中，往往要求提供微小电流的电流源，当电源电压一定时，为了实现利用阻值较小的电阻而获得极小的输出电流IC2，可将比例电流源中的RE1短路。第14页/共76页 微电流源电路2、工作原理分析右图可见，T2管的发射极电流为 T1、T2特性完全相

7、同，则有当1时，有 IE1IR，IE2IC2 则基准电流为3、电路特点 利用较小的电阻值，可获得微安级的电流源。第15页/共76页 改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源一、加射极输出器的电流源1、电路结构特点 在镜像电流源T1管的集电极与基极之间加一只从射极输出的晶体管T3。利用T3的电流放大作用，减小了基极电流IB1和IB2对基准电流IR的分流作用。第16页/共76页 改进型电流源电路2、工作原理分析 由于三个晶体管特性完全相同，则有1=2=3=，而由于UBE1=UBE2，IB1=IB2=IB，因此有整理后可得：第17页/共76页 改进型电流源电路 即使很小，也可以使输出电流与基准电流保

8、持很好的镜像关系。在实际电路中，有时在T1和T2管的基极与地之间加电阻RE3，用来增大T3管的工作电流，此时T3管发射极电流为第18页/共76页 改进型电流源电路二、威尔逊电流源电路二、威尔逊电流源电路由于三个晶体管特性完全相同，则有1=2=3=，由图可得IC1=IC2IE3=IC3+IB3求解可得第19页/共76页 多路电流源电路基于镜像电流源的多路电流源电路之一。根据电路可得则有第20页/共76页 多路电流源电路基于微电流源的多路电流源电路 IRRE1IC2RE2IC3RE3 因此，当基准电流确定以后，只要选择合适的各发射极电阻，即可得到所需要的输出电流。第21页/共76页 多路电流源电路

9、多集电极管的多路电流源电路 T通常为横向PNP型管，当IB一定时，各集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区的面积分别为S1、S2、S3。则有：使用中通过R值调节IB值。分析电路可得：第22页/共76页 电流源电路与晶体管电流源类似，场效应管也可组成各种电流源电路，用于场效应管集成放大电路中的偏置电路。电流源电路是集成运放的重要组成部分之一，其主要用途是提供必要的偏置电流。分析电流源电路的依据是PN结的电流方程和基尔霍夫电流定律，分析思路是参照电路的连接关系，先确定基准电流的表达式，进而求出输出电流与基准电流的关系。第23页/共76页 差动放大器差动放大器零点飘移：当外界环境因素（特

10、别是温度）改变引起前级的静态工作点变化时，这种变化将被逐级放大，从而造成输出端电压的变化。温度变化是引起零点飘移的主要因素。采用具有对称性的差动放大电路时抑制零点飘移的有效方法之一。8.3 8.3 差动放大电路差动放大电路第24页/共76页 基本差动放大电路基本差动放大电路1 1、电路组成、电路组成特点是电路结构的对称性；左右两边各为一个直接耦合的共射基本放大电路。第25页/共76页 基本差动放大电路基本差动放大电路2 2、抑制零点飘移的工作原理、抑制零点飘移的工作原理当输入信号为零时，电路可以重画如右图所示。当输入信号为零时，电路可以重画如右图所示。若环境温度变化，由于电路的对称性，温度变化

11、使得若环境温度变化，由于电路的对称性，温度变化使得IB1(IC1)、IB2(IC2)产生相同产生相同的增量，此时，两管集电极电压增量也相同。由的增量，此时，两管集电极电压增量也相同。由Uo=UC1-UC2可见，无论环境温度可见，无论环境温度如何变化，输出电压保持零值不变。如何变化，输出电压保持零值不变。第26页/共76页 基本差动放大电路基本差动放大电路抑制零点飘移的工作原理抑制零点飘移的工作原理在正常输入信号下，ui对于T1、T2的基极电流影响相反。例如，若ui增大，则引起IB1、IC1增大，uC1减小；引起IB2、IC2减小，uC2增加；uC1uC2，uo=uC1-uC2。第27页/共76

12、页 基本差动放大电路基本差动放大电路3 3、主要性能指标、主要性能指标 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共对共模信号没有放大能力模信号没有放大能力。(1)(1)共模信号共模信号:u ui1 i1=u ui2 i2 大小相等、极性相同大小相等、极性相同 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。制水平。第28页/共76页两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2)(2)差模信号差模信号:u ui1 i1=u ui

13、2i2大小相等、极性相反大小相等、极性相反u uo o=(=(V VC1C1 V VC1 C1 )(V VC2 C2+V VC C )=)=2 2 V VC1 C1 即即对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力。基本差动放大电路基本差动放大电路主要性能指标主要性能指标 第29页/共76页(3)(3)比较输入比较输入 u ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。例例1:ui1=10 mV,ui2=6 mV ui2=8 mV 2 mV 例例2:ui1=20 mV,ui2=16 mV 可分解成可分解成:ui1=18 mV +2 mV ui2=18 mV 2 mV 可分

14、解成可分解成:ui1=8 mV +2 mV共模信号共模信号 差模信号差模信号 放大器只放大器只 放大两个放大两个 输入信号输入信号 的差值信的差值信 号号差动差动 放大电路。放大电路。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。第30页/共76页 基本差动放大电路基本差动放大电路(4)(4)差模放大倍数差模放大倍数(5)(5)共模放大倍数共模放大倍数(6)(6)共模抑制比共模抑制比主要性能指标第31页/共76页 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路1、静态分析当ui1=ui2=0时，由图可得考虑到电路的对称性，有可以解出第32页/共76页 静态分析晶体管输入回路方程：晶体管输入回路

15、方程：忽略前两项，则忽略前两项，则RC+UCCRBT1RE-UEEIB2IEICIE+UCE+UBE+单管直流通路单管直流通路发射极电位发射极电位 VE 0第33页/共76页 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路2、动态分析1）差模电压放大倍数考虑到电路的对称性，rbe1=rbe2，令:则有第34页/共76页 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路动态分析动态分析1）差模电压放大倍数 第35页/共76页 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路2、共模电压放大倍数差动放大电路，在输入共模电压时，ui1=ui2=uic，可作出共模等效电路。由下图可得由于所以，在理想对称条件下uoc=0即第36页/共7

16、6页 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路3、共模抑制比在理想对称条件下，由于Auc=0，所以 为无穷大。4、差模输入电阻由下图可得第37页/共76页 长尾式差动放大电路5、输出电阻按照输出电阻的定义，做出其等效电路，则有Ro=2RC第38页/共76页 差动放大电路的进一步改进形式1、具有恒流源的差动放大电路 采用恒流源代替长尾式差动放大电路中的电阻RE。若UR2UBE3，则可以认为IC3为一恒定电流。第39页/共76页 差动放大电路的进一步改进形式2、具有调零功能的差动放大电路发射极调零电路。集电极调零电路。注意：差动放大电路的调零不可能跟踪温度的变化，因而不能消除温漂，只能克服失调。第40

17、页/共76页 差动放大电路的传输特性第41页/共76页电压传输特性线性区：斜率为电路的差模电压放大倍数Aud。当输入电压幅值较大时，输出电压就会产生失真。若再加大uid，则uod将趋于不变，其数值的大小取决于电源电压UCC。第42页/共76页 差动放大电路的传输特性实实验验及及分分析析均均表表明明，在在静静态态工工作作点点附附近近，当当|uid|4UT时时，传传输输特特性性出出现现明明显显的的弯弯曲曲，而而后后趋趋于于水水平平。这这说说明明差差动动放放大大电电路路在在大大信信号号输输入入时时，具有良好的限幅特性。具有良好的限幅特性。第43页/共76页差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法

18、 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“接地接地”点，以避免干扰；点，以避免干扰；或负载需要有或负载需要有“接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：l差动放大电路举例1、双端输入、双端输出电路；2、双端输入、单端输出电路；3、单端输入、双端输出电路；4、单端输入、单端输出电路。第44页/共76页差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法 1.1.双端输入双端输出双端输入双端输出：第45页/共76页2 2.双端输入单端输出双端输入

19、单端输出：Q点分析点分析 由于输入回路没有变化，所以由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一与双端输出时一样。但是样。但是UCEQ1 UCEQ2。第46页/共76页双端输入单端输出双端输入单端输出:动态分动态分析析第47页/共76页3 3.单端输入双端输出单端输入双端输出共模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：第48页/共76页 单端输入双端输出单端输入双端输出差模输出共模输出1)1)静态工作点静态工作点2)2)动态参数动态参数与双端输入双端输出电路完全相同与双端输入双端输出电路完全相同与双端输入双端输

20、出电路完全相同与双端输入双端输出电路完全相同第49页/共76页4 4.单端输入单端输出单端输入单端输出1)1)静态工作点静态工作点2)2)动态参数动态参数与双端输入单端输出电路完全相同与双端输入单端输出电路完全相同与双端输入单端输出电路完全相同与双端输入单端输出电路完全相同第50页/共76页4.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下输入方式：输入方式：Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、Ac、KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。第51页/共76页差分放大电

21、路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能双端输入双端输入双端输出双端输出双端输入双端输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出AdKCMR很高很高很高很高较高较高较高较高RidRo第52页/共76页 例一双端输入单端输出放大电路如图所示，T1与T2特性完全相同，试求：（1）电路的静态工作电流ICQ1、ICQ2及电压UCEQ1、UCEQ2；（2）差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻、共模电压放大倍数、共模抑制比；第53页/共76页解：（1）作直流通道，分析静态工作点。第54页/共76页（2）动态参数分析由于输入回路对称，在

22、差模信号作用下，发射极交流接地。第55页/共76页 共模信号作用时，恒流源的等效电阻为RE 则共模输出电压为 共模放大倍数 共模抑制比 第56页/共76页 通用型集成运放F0073.4 3.4 3.4 3.4 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器第57页/共76页 偏置电路流过R5中的电流为 基准电流，则有T10与T11构成微电源，第58页/共76页 偏置电路T12与T13构成基本镜像电路T8与T9构成基本镜像电路，因为 所以第59页/共76页 中间级中间级是以T16与T17成的复合管为放大管，所形成的的共射放大电路，具有很强的放大能力。第60页/共76页 输出级输出级是准

23、互补电路，T18和T19复合而成的PNP型管与NPN型管T14构成互补形式，为了弥补它们的非对称性。在发射极加了两个阻值不同的电阻R8和R9。R6和R7和T15构成UBE倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点，以消除交越失真。第61页/共76页 输出级D1和D2、R8和R9 共同构成过流保护电路。T14导通时R7上的电压与二极管D1上的电压之和等于T14管b-e间电压与R9上电压之和，即uR7+uD1=uBE14+ioR9当io未超过额定值时，uD1Uon，D1截至；而当io过大时，R9上电压过大使D1导通，为T14的基极分流，从而限制了T14的发射极电流，保护了T14管。同理，D2对T18、

24、T19管也具有保护功能。第62页/共76页 主要技术指标1、输人失调电压UIO及输入失调电流IIO输入失调主要反映运放输入极差动电路的对称性。2、失调的温漂在规定的工作温度范围内，UIO、IIO随温度的平均变化率称之为失调电压、电流温漂，分别用 表示。3、输入偏置电流IIB 4、开环差模电压放大倍数5、共模抑制比第63页/共76页 主要技术指标6、差模输入电阻、输出电阻7、带宽运放开环电压放大倍数下降到直流电压放大倍数的0.707倍时所对应的频带宽度，称之为运放的-3dB带宽，用BW 表示。8、输入电压范围 两个输入端之间能承受的最大电压差，称之为最大差模输入电压，用UIdmax表示。9、转换

25、速率转换速率是指运放在额定输出电压下，输出电压的最大变化率，即定义：第64页/共76页低频等效电路在低频小信号下应用时，若仅分析对输入差模电压的放大作用，可以等效电路来描述集成运放。第65页/共76页 其它类型的集成运放类型类型主要结构特点主要结构特点应用范围应用范围高输入高输入电阻型电阻型它们的输人级多采用超它们的输人级多采用超管或场效应管管或场效应管适用于测量放大电路、信适用于测量放大电路、信号发生电路或取样一保持号发生电路或取样一保持电路。电路。高精度高精度型型 高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调声、高增益等特点，

26、它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于差模增益和共模抑制比均大于10dB。适用于对微弱信号的精密适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。度的仪器设备中。高速宽高速宽带型带型它的种类很多，增益带宽多在它的种类很多，增益带宽多在10MHz左右，左右，有的高达千兆；转换速率大多在几十伏有的高达千兆；转换速率大多在几十伏/微微秒至几百伏秒至几百伏/微秒，有的高达几千伏微秒，有的高达几千伏/微秒。微秒。适用于模一数转换器、数适用于模一数转换器、数一模转换器、锁相环电路一模转换器、锁相环

27、电路和视频放大电路。和视频放大电路。低功耗低功耗型型采用外接偏置电阻；用有源负载代替高阻采用外接偏置电阻；用有源负载代替高阻值的电阻等。值的电阻等。遥测、生物医学、空间技遥测、生物医学、空间技术等。术等。第66页/共76页 理想运放的条件与符号理想化的条件：开环差模电压放大倍数Aud；差模输入电阻rid；开环输出电阻Ro00；共模抑制比KCMR；3.5 3.5 集成运放的简单应用电路集成运放的简单应用电路第67页/共76页 理想运放的条件与符号理想运放的条件与符号虚短 当集成运放工作在线性区，输出电压 为有限值，则差模输入电压虚断由于差模输入电阻趋于无穷大，因而流进集成运放输入端的电流也就趋于

28、零，即第68页/共76页 同相比例器同相比例器信号由同相端输入，要求两边的输入回路参数对称以减小误差，所以R=R1/Rf。1、据“虚断”，有 2、据“虚短”，有 由此得出第69页/共76页 同相比例器电路的电压放大倍数电压跟随器如果令Rf00，R1，则构成了电压跟随器。此时电压放大倍数第70页/共76页 反相比例器1、据“虚断”，有 2、据“虚短”，有电压放大倍数第71页/共76页 两级放大电路R1、R2、R3和A1组成同相比例器；R4、R5、R6和A2组成同相比例器。则可得第72页/共76页【解解】uo1=uiRfR1uo2=uo12RR2RfR1=uiuo2=uo2uo1 例例1：图图 所

29、示为两级比例运算放大电路，求所示为两级比例运算放大电路，求 uo与与 ui 的关系。的关系。2RfR1RfR1=ui+ui 3RfR1=ui 上一题下一题返 回练习题集+2Ruiuo2+RfR1Ruo1+uoR2R23图 1补充例题补充例题 第73页/共76页 【解解】前级电路为电压前级电路为电压跟随器，故跟随器，故 uo1=ui1 后级电路利用叠加原理后级电路利用叠加原理分析。在分析。在 uo1=ui1 单独作用时为单独作用时为反相比例运算电路，故反相比例运算电路，故uo=ui1RfR1在在 ui2 单独作用时为同相比例运算电路，故单独作用时为同相比例运算电路，故（）uo=1+ui2RfR1

30、由此求得：由此求得：RfR1（）uo=uo+uo=1+ui2 ui1RfR1=5 ui24 ui1例例2：所示电路，已知：所示电路，已知 Rf=4 R1，求，求 uo 与与ui1 和和 ui2 的关系的关系式式。上一题下一题返 回练习题集+Rfui1uo+R1R2图 2ui2第74页/共76页本章小结电流源电路电流源电路的基本形式是镜像电流源，当对输出电流的精度要求较高或要求输出微电流时，可采用各种改进型的电流源电路。差动放大电路差动放大电路事实上是利用电路结构的对称性进行温度补偿，来提高电路抑制温漂的能力。长尾式电路及恒流源电路的引入进一步提高了差动放大电路的共模抑制能力。差动放大电路的主要技术指标有：Aud、Auc、KCMR等。集成运算放大器集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路，从外部看，可以等效成双端输入单端输出的差动放大电路。集成运放通常由输入级，中间级，输出级和偏置电路等四部分组成。输入级多采用差动放大电路；中间级为共发射极放大电路；输出级为互补对称射极跟随器；电流源电路不仅作为偏置电路而且作为有源负载，从而大大提高了运放的增益。同相比例器和反相比例器是集成运放最基本的应用电路之一。第75页/共76页感谢您的观看。第76页/共76页