模拟电子技术第4章-集成运算放大电路课件.ppt

1、第4章集成运算放大电路4.1集成运算放大电路概述4.2集成运放中的偏置电路4.3集成运放中的输入级单元电路差分放大电路4.4集成运放中的中间级单元电路4.5集成运放中的输出级单元电路4.6通用集成运放介绍4.7集成运放的主要参数本章教学要求本章教学要求了解集成运算放大器组成和基本特点，了解集成运了解集成运算放大器组成和基本特点，了解集成运算放大器的主要性能指标；算放大器的主要性能指标；理解电流源电路的工作原理；理解电流源电路的工作原理；掌握差分电路的结构、特点、工作原理和性能指标掌握差分电路的结构、特点、工作原理和性能指标的分析计算。的分析计算。4.1.1集成电路中元器件的特点集成电路中元器件

2、的特点1)1)集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下制造的，集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下制造的，邻近的邻近的器件具有良好的一致性和同向偏差器件具有良好的一致性和同向偏差，因此，特别，因此，特别有利于实现有利于实现需需要要对称结构的电路对称结构的电路。2)2)由于集成电路中的由于集成电路中的电容是用电容是用PNPN结的结电容构成结的结电容构成的，所以只能的，所以只能制作制作几十皮法几十皮法以下的电容。以下的电容。3)3)为了克服为了克服直接耦合电路直接耦合电路的温度漂移，采用了的温度漂移，采用了温度补偿温度补偿的手段。的手段。4)4)尽量采用尽量采用晶体管或场效应晶体管构成恒流源电路晶

3、体管或场效应晶体管构成恒流源电路，代替高阻代替高阻值值(几百千欧以上几百千欧以上)的的电阻电阻。5)5)集成电路中，常集成电路中，常采用复合管采用复合管的接法以改进单管的性能。的接法以改进单管的性能。4.1.2集成运放的典型结构输入级的作用输入级的作用是是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端入端uP和和uN，并尽量减小温漂，一般，并尽量减小温漂，一般采用差分放大电路采用差分放大电路。中间级的作用中间级的作用是是提供较高的电压放大倍数提供较高的电压放大倍数，一般采用带有源负，一般采用带有源负载的共载的共发射极电压放大器发射极电压放大器。输出级的作用

4、输出级的作用是进行是进行功率放大功率放大，以驱动负载工作，所以要求输，以驱动负载工作，所以要求输出电阻低、带载能力强、能输出足够大的电压和电流、波形失出电阻低、带载能力强、能输出足够大的电压和电流、波形失真小，一般采用真小，一般采用互补推挽电路互补推挽电路。偏置电路提供各级静态工作电流，一般采用电流源电路。偏置电路提供各级静态工作电流，一般采用电流源电路。4.1.3集成运放的种类及特点1.1.通用型集成运放通用型集成运放2.2.高速型集成运放高速型集成运放3.3.高输入阻抗型集成运放高输入阻抗型集成运放4.4.高精度型集成运放高精度型集成运放5.5.低功耗型集成运放低功耗型集成运放6.6.大功

5、率型集成运放大功率型集成运放1.通用型集成运放 通用型集成运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放。通用型集成运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放。这类运放用途广泛，使用量最大。这类运放用途广泛，使用量最大。例例A741：输入失调电流为：输入失调电流为20nA、输入失调电压为、输入失调电压为12mV、开环增益为开环增益为100dB、共模抑制比为、共模抑制比为90dB、差模输入电阻为、差模输入电阻为2M、输出电阻为输出电阻为100、共模输入电压的范围、共模输入电压的范围13V、转换速率为、转换速率为0.5V/s。2.高速型集成运放 高速型集成运放是指转换速度较高的运放。一般转换速度高速型集成

6、运放是指转换速度较高的运放。一般转换速度在在100V/s以上。高速型集成运放用于高速模以上。高速型集成运放用于高速模-数数(A-D)、数、数-模模(D-A)转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、比较器、视频电路中。目前最高转换速度已经可以做到法器、比较器、视频电路中。目前最高转换速度已经可以做到6000V/s。高速型集成运放在对信号进行测量或处理时，有时需。高速型集成运放在对信号进行测量或处理时，有时需要放大电路的反应速度快，以保证精度。为此，在集成电路的要放大电路的反应速度快，以保证精度。为此，在集成电路的设计中采取一定

7、的措施设计中采取一定的措施(如加大电流如加大电流)以提高转换速度。以提高转换速度。3.高输入阻抗型集成运放 在测量电路中往往需要高输入电阻或低输入电流的高阻型在测量电路中往往需要高输入电阻或低输入电流的高阻型集成运放，这可通过输入级采用超集成运放，这可通过输入级采用超管或场效应晶体管等措施来管或场效应晶体管等措施来实现。国产高阻型集成运放如实现。国产高阻型集成运放如F3140，它的差模输入电阻为，它的差模输入电阻为10101012，它的输入失调电流为，它的输入失调电流为10-12A，开环增益为，开环增益为100dB。国。国外这类产品有外这类产品有ICH8500A，它的输入失调电流为，它的输入失

8、调电流为10-14A，开环增，开环增益为益为81dB。高阻型集成运放的用途十分广泛，除了可用于测量。高阻型集成运放的用途十分广泛，除了可用于测量放大器，还广泛应用于采样保持电路、积分器、对数放大器、放大器，还广泛应用于采样保持电路、积分器、对数放大器、带通滤波器等。带通滤波器等。4.高精度型集成运放 高精度是指集成运放低失调、低温漂、低噪声、高电压放高精度是指集成运放低失调、低温漂、低噪声、高电压放大倍数、高共模抑制比。国产的超低噪声高精度运放大倍数、高共模抑制比。国产的超低噪声高精度运放F5037(对对应于应于CAW5037)的失调电压为的失调电压为10V，失调电流为，失调电流为7.0nA，

9、失调电，失调电压的温漂为压的温漂为0.2V/，开环增益约为，开环增益约为105dB。又如。又如CF725(对应对应于于A7245)也属于高精度型集成运放。也属于高精度型集成运放。5.低功耗型集成运放 在空间技术和军事科学等领域中，常常需要集成电路能在在空间技术和军事科学等领域中，常常需要集成电路能在电源电压较低电源电压较低(如如12V)时工作，或者只取很微弱的电流时工作，或者只取很微弱的电流(如如10100A)，这时就需要低功耗型集成运放。国产的，这时就需要低功耗型集成运放。国产的F3078I，在电源，在电源电压为电压为6V时，电源电流是时，电源电流是20A，静态功耗是，静态功耗是240W(相

10、当于相当于运放运放CA3078的性能的性能)。6.大功率型集成运放 随着集成工艺的不断发展，集成电路的输出功率范围逐渐随着集成工艺的不断发展，集成电路的输出功率范围逐渐扩大，已有输出几十瓦功率的集成电路。比如国产的扩大，已有输出几十瓦功率的集成电路。比如国产的FX0021，在电源电压为在电源电压为15V时，最大输出电流可达时，最大输出电流可达1.2A，最大输出电，最大输出电压幅值为压幅值为12V。它的性能相当于运放。它的性能相当于运放LH0221。MCEL165在在18V电压下输出电流可达电压下输出电流可达3.5A。4.2集成运放中的偏置电路4.2.14.2.1镜像电流源电路镜像电流源电路4.

11、2.24.2.2比例电流源电路比例电流源电路4.2.34.2.3微电流源电路微电流源电路4.2.44.2.4电流源电路的作用电流源电路的作用4.2.1镜像电流源电路CCBE1CCC1C2RVUVIIIRR优点：结构简单，一定的温度补偿作用。优点：结构简单，一定的温度补偿作用。缺点：缺点：IR受电源变化的影响大受电源变化的影响大。由于由于恒流特性不够理想恒流特性不够理想，晶体管，晶体管C、E极间电压变化时，极间电压变化时，IC2也会做相应变也会做相应变化，即电流源的输出电阻还不够大。化，即电流源的输出电阻还不够大。输出电流输出电流IC2与基准电流与基准电流IR的精度取的精度取决于决于，特别是当，

12、特别是当值不够大时，两者值不够大时，两者之间误差更大。之间误差更大。该电路只适用于较大工作电流该电路只适用于较大工作电流(mA数数量级量级)的场合。的场合。4.2.2比例电流源电路E1C2RE2RIIR在参考电流在参考电流IR一定的情况下，只要一定的情况下，只要合理选择两个三极管的发射极电阻合理选择两个三极管的发射极电阻的比例，即可得到合适的的比例，即可得到合适的IC2。4.2.3微电流源电路BEC2E2EUIIRl用小电阻即可实现微电流源。l由于引入了电阻RE，因此微电流源的输出电阻比VT2的输出电阻rce2大得多，使输出电流IC2更加稳定。l当电源电压发生变化时，参考电流IR和UBE也将变

13、化，由于RE的值一般为数千欧姆，使UBE2UBE1，以致VT2的UBE2值很小而工作在输入特性曲线的弯曲部分，则IC2的变化远小于IR的变化，故电源电压波动对IC2的影响不大。例4-1电路如图所示，已知VCC=12V，UBE1=0.7V，若测得试估算电阻RE和R的阻值。C2C116A,0.64mAII解由二极管的伏安特性方程可得BETUUESeIICBETSlnIUUIBE1BE2E2EBE2C2EUUI RUIRC1C2C2EBE1BE2TS1S2(lnln)IIIRUUUIIC1C2ETC2lnIIRUIC1TC2EC2ln6kIUIRICCBE1C118kVURI4.2.4电流源电路的作

14、用 电流源电路除了能给放大电路提供稳定的工作电流外，它还具有交流电流源电路除了能给放大电路提供稳定的工作电流外，它还具有交流等效电阻较大的特点。因此，可以等效电阻较大的特点。因此，可以利用电流源电路代替放大电路的负载电利用电流源电路代替放大电路的负载电阻阻，这时电流源称之为，这时电流源称之为有源负载有源负载。电路特点：电压放大倍数高电路特点：电压放大倍数高4.3集成运放中的输入级单元电路差分放大电路4.3.1基本差分放大电路1.电路组成定义：定义：差模信号差模信号 共模信号共模信号 idi1i2uuuidi1i2uuuici1i21()2uuuidi1ic2uuuidi2ic2uuu所以：所以

15、：结论：两输入端的共模信号结论：两输入端的共模信号uic的大的大小相等小相等极性相同，两输入端的差模极性相同，两输入端的差模电压电压+uid/2和和-uid/2的大小相等的大小相等极极性相反。性相反。oudiducicuA uA u2.静态分析基本差分电路的直流等效电路BEQEEBQ1BQ2BE0V12UVIIRR CQ1CQ2BQ1IIICQ1CCCQ1CCQ2CCCQ2CUVIRUVIR3.差模分析a)差模信号交流通路b)半边差模信号微变等效电路LCodo1o2o1Ludidi1i2d1BbeBbe/222RRuuuuRAuuuuRrRr odo1o2o1udidi1i2d1LCLBbeB

16、be22/2uuuuAuuuuRRRRrRr3.差模分析idBbe2()RRrodC2RRod1od1od1ud1idi1i2i1CLLBbeBbe2/22uuuAuuuuRRRRrRrod1CRRidBbe2()RRr（1）双端输出）双端输出（2）单端输出）单端输出结论：双端输出时差模放大倍数等于单管放大倍数；单端输出时，差模放结论：双端输出时差模放大倍数等于单管放大倍数；单端输出时，差模放大倍数是单管放大倍数的一半。大倍数是单管放大倍数的一半。4.共模分析（1）双端输出）双端输出ococ1oc2ucicic=0uuuAuuicBbeE1(1)22RRrRocC2RR（2）单端输出oc1Lu

17、cicBbeE(1)2uRAuRrR ocCRRicBbeE1(1)22RRrRLucE2RAR 5.共模抑制比共模抑制比衡量一个差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模抑制比衡量一个差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力共模信号的抑制能力u dC M Ru cAKAudECMBbeucRARKRrA双端输出：双端输出：CMRK 单端输出：单端输出：6.差分放大电路的作用抑制零点漂移 当电源电压波动或温度变化时，两晶体管集电极电流和电压的变化量相当电源电压波动或温度变化时，两晶体管集电极电流和电压的变化量相同，尽管每只晶体管都存在同，尽管每只晶体管都存在“零点漂移零点漂移”，但

18、两晶体管的漂移信号，但两晶体管的漂移信号(UC1和和UC2)在输出端恰好能互相抵消，使得输出端不出现在输出端恰好能互相抵消，使得输出端不出现“零点漂移零点漂移”，这就是，这就是差分放大电路能抑制差分放大电路能抑制“零点漂移零点漂移”的原理。的原理。但实际上电路的元件参数很难完全但实际上电路的元件参数很难完全对称，因此就达不到预期的效果。由于温漂的变化是同时作用于这个电路的两部分，对称，因此就达不到预期的效果。由于温漂的变化是同时作用于这个电路的两部分，所以所以T1和和T2的的iC变化情况相同。这种作用，可以看成是在两输入端同时输入一对同变化情况相同。这种作用，可以看成是在两输入端同时输入一对同

19、极性、同幅值的信号的结果。这种信号即为共模信号极性、同幅值的信号的结果。这种信号即为共模信号 。如电路对称性好，则。如电路对称性好，则对应的共模信号输入时的输出电压为对应的共模信号输入时的输出电压为 将很小，也就是温漂小。衡量的办法是将很小，也就是温漂小。衡量的办法是用用 来表示。来表示。越小表示电路抑制温漂的能力越强。越小表示电路抑制温漂的能力越强。ICUOCUOCICucUAUucA4.3.2带恒流源的差分放大电路4.3.2带恒流源的差分放大电路带调零措施的差放电路a)调节IC的电路b)调节RC的电路例差分放大电路如图所示，已知晶体管的1=2=60,3=80，rbb=300,RB=1k,R

20、C1=RC2=RC=10k,RE3=3k,RC3=12k,VT1、VT2为硅管,VT3为锗管，+VCC=+12V,-VEE=-12V。当输入信号Ui=0V时，测得输出Uo=0V。试求：(1)估算VT1、VT2的工作电流IC1、IC2和电阻RE的大小；(2)当Ui=10mV时，输出电压Uo的值。4.4.1复合管的组成4.4集成运放中的中间级单元电路4.4.2复合管放大电路a)复合管放大电路及其直流分析b)复合管放大电路的交流等效电路4.5集成运放中的输出级单元电路互补推挽放大电路4.6.1双极型通用运放4.6.2CMOS运放4.6通用集成运放介绍集成运算放大器的符号a)国家标准规定的符号b)国内

21、外常用符号4.6.1双极型通用运放A741集成运算放大器的内部原理图1.偏置电路 A741的偏置电路是一种组合电流源。的偏置电路是一种组合电流源。VT8、VT9、VT12、VT13为为PNP型晶体管，型晶体管，VT10、VT11为为NPN型晶体管。型晶体管。+VCC、VT12、R5、VT11和和-VCC构成了主偏置电路构成了主偏置电路.VT10、R4和和VT11组成微电流源电路组成微电流源电路(IREFIC11)。电流电流IREF为毫安数量级，而为毫安数量级，而IC10为微安数量级。为微安数量级。VT8和和VT9组成镜像电流组成镜像电流源为差分输入级提供偏置电流源为差分输入级提供偏置电流IC8

22、，而，而IC9与与IC10为为VT3和和VT4提供偏置电流。提供偏置电流。VT12和和VT13构成双端输出的镜像电流源。构成双端输出的镜像电流源。VT13是一个双集电极晶体管，可是一个双集电极晶体管，可视为两个晶体管，它们的两个集电结彼此并联，其集电极电流视为两个晶体管，它们的两个集电结彼此并联，其集电极电流IC13A和和IC13B的大小比例为的大小比例为3 1。IC13B是作为中间级的有源负载，是作为中间级的有源负载，IC13B=(3/4)IC12。IC13A为输出级提供偏置电流，为输出级提供偏置电流，IC13A=(1/4)IC12。2.输入级 输入级由输入级由VT1、VT2和和VT3、VT

23、4组成共集组成共集-共基复合差分放大电路共基复合差分放大电路,NPN型晶体管型晶体管VT1、VT2组成共集电路可以提高输入电阻，组成共集电路可以提高输入电阻，PNP型晶体管型晶体管VT3、VT4组成共基电路与组成共基电路与VT5、VT6、VT7组成的有源负载，可以提高输入级的组成的有源负载，可以提高输入级的电压增益和共模抑制比。电压增益和共模抑制比。VT7用来构成用来构成VT5、VT6的偏置电路，的偏置电路，VT7的的7比比较大，较大，IB7很小，所以无论有无差模输入信号，均有很小，所以无论有无差模输入信号，均有IC3=IC5=IC6。3.中间级 中间级由中间级由VT16和和VT17组成复合管

24、共发射极电路，组成复合管共发射极电路，VT12和和VT13B所组所组成的电流源作为它的有源负载，其交流电阻很大，因此本级可以获得很高的成的电流源作为它的有源负载，其交流电阻很大，因此本级可以获得很高的电压增益，同时也有较高的输入电阻。电容电压增益，同时也有较高的输入电阻。电容C(30pF)用于频率补偿。用于频率补偿。4.输出级 为了保证集成运放有一定的输出功率以及较小的输出电阻，因为了保证集成运放有一定的输出功率以及较小的输出电阻，因此输出级采用此输出级采用NPN型晶体管型晶体管VT14和和PNP型晶体管型晶体管VT20组成的互补组成的互补推挽功率输出电路，两个晶体管都接成射极输出器。推挽功率

25、输出电路，两个晶体管都接成射极输出器。VT18和和VT19为输出级的偏置电路，在静态时，为输出级的偏置电路，在静态时，VT14和和VT20处于微导通状态，处于微导通状态，克服它们的死区电压，避免产生交越失真。克服它们的死区电压，避免产生交越失真。5.辅助电路 为了防止输出管为了防止输出管VT14和和VT20在在RL过电流时而损坏，在过电流时而损坏，在A741运放中，运放中，由由VT15、VT21和电阻和电阻R6、R7组成过载保护电路。发生过电流时，组成过载保护电路。发生过电流时，R6或或R7两端电压降会增大，使两端电压降会增大，使VT15或或VT21由截止变为导通，将由截止变为导通，将VT14

26、或或VT20的基的基极电流分流一部分，从而保护了输出管极电流分流一部分，从而保护了输出管VT14和和VT20。整个电路要求当输入信号为零时输出也应为零，这在电路设计方面已作整个电路要求当输入信号为零时输出也应为零，这在电路设计方面已作考虑。在电路的输入级中，考虑。在电路的输入级中，VT5、VT6的发射极还接一电位器的发射极还接一电位器RP，中间滑动，中间滑动触头接触头接-VCC，调节，调节VT5、VT6的发射极电阻，可以保证静态时输出为零。的发射极电阻，可以保证静态时输出为零。4.6.2CMOS运放C14573电路原理图4.7.1交流参数1.开环差模电压增益Aod2.差模输入电阻rid和输出电

27、阻ro3.共模抑制比KCMR4.开环带宽fBW5.单位增益带宽fBWG6.转换速率SR4.7集成运放的主要参数4.7.2直流参数1.输入失调电压uIO2.输入偏置电流IIB3.输入级失调电流IIO.温度漂移本章小结本章小结集成运放是一种集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路高增益的直接耦合放大电路，通常输入级采用差分放大电通常输入级采用差分放大电路、中间级采用共射极放大电路、输出级采用互补推挽放大电路、直流偏路、中间级采用共射极放大电路、输出级采用互补推挽放大电路、直流偏置采用电流源电路。置采用电流源电路。差分放大电路主要差分放大电路主要利用电路的对称性克服零点温漂利用电路的对称性克服零点温漂

28、，它对差模信号有较大，它对差模信号有较大的放大能力，对共模信号有较强的抑制能力。的放大能力，对共模信号有较强的抑制能力。差分放大电路可以等效为两个对称的共射极放大电路，利用半边等效电路差分放大电路可以等效为两个对称的共射极放大电路，利用半边等效电路来估算静态工作点以及各种动态指标。理想情况下，来估算静态工作点以及各种动态指标。理想情况下，双端输出差模电压放双端输出差模电压放大倍数等于等效共发射极放大电路的电压放大倍数，共模电压放大倍数等大倍数等于等效共发射极放大电路的电压放大倍数，共模电压放大倍数等于零，共模抑制比等于无穷大。单端输出差模电压放大倍数等于双端输出于零，共模抑制比等于无穷大。单端输出差模电压放大倍数等于双端输出的一半，由于射极公共电阻（或恒流源）较大，共模电压放大倍数很小，的一半，由于射极公共电阻（或恒流源）较大，共模电压放大倍数很小，共模抑制比也比较大。共模抑制比也比较大。常用的镜像电流源、比例电流源、微电流源，是根据晶体管工作在放大状常用的镜像电流源、比例电流源、微电流源，是根据晶体管工作在放大状态，且基极电流恒定时，集电极电流也恒定的特性来实现的。态，且基极电流恒定时，集电极电流也恒定的特性来实现的。电流源不仅电流源不仅能给放大电路提供稳定的直流偏置，而且可作为放大器的有源负载。能给放大电路提供稳定的直流偏置，而且可作为放大器的有源负载。