1、第四版童詩(shī)白,第四章集成運(yùn)算放大電路,4.1集成運(yùn)算放大電路概述,4.2集成運(yùn)放中的電流源電路,4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介,4.5集成運(yùn)放的種類(lèi)及選擇,4.4集成運(yùn)放的指標(biāo)及低頻等效電路,4.6集成運(yùn)放大的使用,1,第四版童詩(shī)白,本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：,1.集成電路的特點(diǎn)。,2.偏置電路（電流源）的作用、分類(lèi)及計(jì)算。,3.理想集成運(yùn)算放大電路（IC）的性能指標(biāo)。,2,第四版童詩(shī)白,本章討論的問(wèn)題：,1.什么是集成運(yùn)算放大電路？將分立元件直接耦合放大電路做在一個(gè)硅片上就是集成運(yùn)放嗎？集成運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？,2.集成運(yùn)放由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,3.如何設(shè)置集成運(yùn)放中各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作

2、點(diǎn)？,4.集成運(yùn)放的電壓傳輸特性有什么特點(diǎn)？,5.如何評(píng)價(jià)集成運(yùn)放的性能？有哪些主要指標(biāo)？,6.集成運(yùn)放有哪些類(lèi)型？如何選擇？使用時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？,3,4.1集成運(yùn)算放大電路概述,集成電路簡(jiǎn)稱(chēng) IC (Integrated Circuit),集成電路按其功能分,數(shù)字集成電路,模擬集成電路,模擬集成電路類(lèi)型,集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等。,4,集成電路的外形,集成電路的外形,(a)雙列直插式,(b)圓殼式,(c)扁平式,5,4.1.1集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一. 對(duì)稱(chēng)性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。

3、,二. 集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時(shí)，要在電路上另想辦法。,三. 在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。,四. 在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。,五. 集成電路中的 NPN 、 PNP管的 值差別較大，通常 PNP 的 10 。常采用復(fù)合管的形式。,6,一、輸入級(jí),差分電路，大大減少溫漂。,二、中間級(jí),采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。,三、輸出級(jí),互補(bǔ)對(duì)稱(chēng) 電路，帶負(fù)載能力強(qiáng),四、偏置電路,電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。,4.1.2集成運(yùn)放電路的組成及其各部分的作用,實(shí)質(zhì)上

4、是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。,圖 4.1.1集成運(yùn)算的基本組成,7,4.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性,圖 4.1.2集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性,uO=f(uP-uN),集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端分別為同相輸入端uP和反向輸入端uN。,電壓傳輸特性,8,輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即,集成運(yùn)放的工作區(qū)域,線性區(qū)域：,Aod為差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù),非線性區(qū)域：,輸出電壓只有兩種可能的情況：,+UOM或-UOM,UOM為輸出電壓的飽和電壓。,9,4.2集成運(yùn)放中的電流源電路,集成運(yùn)放電路中的晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)電流;

5、或作為有源負(fù)載取代高阻值電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。,4.2.1基本電流源電路,10,一、鏡像電流源 (電流鏡 Current Mirror),基準(zhǔn)電流,由于 UBE1 = UBE2，T1與 T2 參數(shù)基本相同，則,IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC,所以,當(dāng)滿(mǎn)足 2 時(shí)，則,圖 4.2.1,11,二、比例電流源,由圖可得,UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2,由于 UBE1 UBE2 ，則,忽略基極電流，可得,兩個(gè)三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱(chēng)為比例電流源。,圖 4.2.2比例電流源,12,三、微電流源,在鏡像電流

6、源的基礎(chǔ)上接入電阻 Re。,引入Re使 UBE2 UBE1，且 IC2 IC1 ，即在 Re 值不大的情況下，得到一個(gè)比較小的輸出電流 IC2 。,圖 4.2.3 微電流源,13,基本關(guān)系,因二極管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,圖 4.2.3微電流源,14,復(fù)習(xí)：,1.集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？,2.集成運(yùn)放的組成部分？ 輸入級(jí)常用什么結(jié)構(gòu)？ 輸出級(jí)常用什么結(jié)構(gòu)？,3.集成運(yùn)放的二個(gè)工作區(qū)域？各自特點(diǎn)？,15,4.2.2 改進(jìn)型電流源電路,問(wèn)題：基本電流源電路在很小時(shí)， IR和 IC2相差很大。,為了減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準(zhǔn)電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對(duì)基本

7、電流源電路進(jìn)行改進(jìn)。,一、加射極輸出器 的電流源,16,由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何證明）,缺點(diǎn)： 1. 受電源波動(dòng)影響大； 2.電流最低至mA級(jí)。,IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(+1),如10 IC2=0.982 IREF,增加電阻Re2目的是使IE3增大。,圖4.2.4加射極輸出器的電流源,17,二、威爾遜電流源,T1管的c-e串聯(lián)在T2管的發(fā)射極，其作用與典型的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的Re相同。,圖4.2.5威爾遜電流源,公式推導(dǎo)（略）,當(dāng)10 IC2=0.984 IR,可見(jiàn)，在很小時(shí)，也可認(rèn)為IC2= IR 。 IC2受基極電流影響很小。,問(wèn)題：I

8、R如何計(jì)算？,18,4.2.3多路電流源,電路圖,公式推導(dǎo),IC= IE IREF- IB/(+1),當(dāng)較大時(shí)IC=IREF,由于各管的， UBE相同，,IEREIREFRE=IE1RE1 =IE2RE2=IE3RE3,IC2IE2=IREFRE/RE2,IC3IE3=IREFRE/RE3,IC1IE1=IREFRE/RE1,所以,圖4.2.6基于圖4.24的多路電流源,19,多集電極管構(gòu)成的多路電流源,圖4.2.7多集電極管構(gòu)成的多路電流源,當(dāng)基極電流一定時(shí)，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。,MOS管多路電流源,圖4.2.8MOS管多路電流源,設(shè)溝道寬長(zhǎng)比W/LS,漏極電流之比正比于

9、溝道的寬長(zhǎng)比。,20,例4.2.1圖4.2.9所示電路是F007的電流源部分。其中T10與T11為縱向NPN管； T12與T13是橫向PNP管，它們的為5，b-e間電壓值約為0.7V，試求各管的電電流。,圖4.2.9F007中的電流源電路,解,0.73mA,IC1028uA,0.52mA,21,4.2.4 以電流源為有源負(fù)載的放大電路,在集成運(yùn)放中，常用電流源電路取代RC或Rd ，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可獲得很大的等效RC或Rd的。,晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管是有源元件，又可作為負(fù)載，故稱(chēng)為有源負(fù)載。,22,一、有源負(fù)載共射放大電路,1.電路圖,2.靜態(tài)分析

10、（求參考電流，略）,3.動(dòng)態(tài)分析,23,二、有源負(fù)載差分放大電路,利用鏡像電流源 可以使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出的情況。,2.靜態(tài)分析,1.電路圖,3.動(dòng)態(tài)分析,放大電路采用差分輸入、單端輸出；工作電流由恒流源 I 決定；輸出電流 io = ic4 - ic2 = 2ic4,圖4.2.11有源負(fù)載差分放大電路,24,4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介,典型的集成運(yùn)放,雙極型集成運(yùn)放 F007,CMOS 集成運(yùn)放 C14573,一、引腳,4.3.1雙極型集成運(yùn)放 F007,F007 的引腳及連接示意圖,(a),(b)連接示意圖,25,二、電路原理圖,圖 4.3.1F007 電路原

11、理圖,26,1. 偏置電路,至輸入級(jí),至中間級(jí),基準(zhǔn)電流：,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級(jí)所需的偏置電流。,各路偏置電流的關(guān)系：,IREF,I11,IC10,I3, 4,IC9,IC8,IC12,IC13,微電流源,鏡像電流源,輸入級(jí),鏡像電流源,中間級(jí),輸出級(jí),圖 4.3.1-1F007 的偏置電路,27,2. 輸入級(jí),T1、T2、T3、T4 組成共集 - 共基差分放大電路；T1、T2 基極接收差分輸入信號(hào)。,T5、T6 有源負(fù)載；,T4 集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。,uO,RW 調(diào)零電阻，R 外接電阻。,T7 與R2 組成射極輸出器。,圖 4. 3. 1-2,28,若暫不考慮 T7 和調(diào)零電路則

12、電路可簡(jiǎn)化為：,(1). T1、T2 共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。 (2). 共基組態(tài)的 T3、T4，與有源負(fù)載 T5、T6 組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。,(3). T3、T4 共基接法能改善頻率響應(yīng)。 (4). 該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。,圖 4.3.1.2 簡(jiǎn)化示意圖,29,3. 中間級(jí),輸入來(lái)自 T4 和 T6集電極；,輸出接在輸出級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大管的基極。,中間級(jí) T16、 T17 組成復(fù)合管， T13 作為其有源負(fù)載。,8、9兩端外接30pF 校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。,30,4. 輸出級(jí),圖 4.3.1-4F007 輸出級(jí)原理電

13、路,T14、 T18 、T19 準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路；,D1、 D2 、R9、R10 過(guò)載保護(hù)電路；,T15 、R7、R8 為功率管提供靜態(tài)基流。,調(diào)節(jié) R7、R8 阻值可調(diào)節(jié)兩個(gè)功率管之間的電壓差。這種電路稱(chēng)為 UBE 倍增電路。,31,過(guò)載保護(hù)電路,二極管保護(hù)電路,保護(hù)元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,輸出電流正常， VD3、VD4 截止，保護(hù)不起作用；,若 VT1 正向 IC1， URe1 ，VD3 導(dǎo)通， IB1 ，IC1 。輸出電流無(wú)法增大，保護(hù)功率管 VT1 。,若 VT2 反向電流IC2， URe2 ，VD4 導(dǎo)通， IB2， IC2 。避免 VT2 電流過(guò)大。,圖 4. 2.

14、 25過(guò)載保護(hù)電路,32,三極管保護(hù)電路,保護(hù)元件：,工作原理與二極管保護(hù)原理類(lèi)似。,VT3、VT4、Re1、Re2。, Re 愈大，則 IEm 愈??；, 溫度升高， UD、 UBE 降低，Iem 減小。更有利于保護(hù)在高溫下的集成運(yùn)放。,圖 4. 2. 25過(guò)載保護(hù)電路,33,4.3.2.單極型集成運(yùn)放,一、電路結(jié)構(gòu),雙入雙出差分式放大電路 耗盡型NMOSFET對(duì)管T1、 T2,有源負(fù)載 增強(qiáng)型NMOSFET對(duì)管T3T4,偏置電路 TREF、T5、T6 T7組成。,二、工作原理,電路的基準(zhǔn)電流IREF ID5 ID6 I0,靜態(tài)分析 ID1 ID2 I0/2 輸出電壓 UoQ UoD1Q- U

15、oD2Q 0,動(dòng)態(tài)分析 uo uoD1- uoD2,差模電壓增益 AVD uo / uid - gm (rds1/ rds3).,34,4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路,一、開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Aod,一般用對(duì)數(shù)表示，定義為,單位：分貝,理想情況 Aod 為無(wú)窮大； 實(shí)際情況 Aod 為 100 140 dB。,4.4.1集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo),35,二、輸入失調(diào)電壓 UIO,三、輸入失調(diào)電壓溫漂 UIO,定義：,為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。,一般運(yùn)放：UIO 為 1 10 mV；,高質(zhì)量運(yùn)放：UIO 為 1 mV 以下。,定義：,一般運(yùn)放為 每度 10 20 V；,高

16、質(zhì)量運(yùn)放低于每度 0.5 V 以下；,36,四、輸入失調(diào)電流 IIO,五、輸入失調(diào)電流溫漂 IIO,當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差，即,定義：,一般運(yùn)放為 幾十 一百納安；高質(zhì)量的低于 1 nA。,定義：,一般運(yùn)放為 每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。,37,六、輸入偏置電流 IIB,七、差模輸入電阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定義：,輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。,定義：,一般集成運(yùn)放為幾兆歐。,定義：,多數(shù)集成運(yùn)放在 80 dB 以上，高質(zhì)量的可達(dá) 160 dB。,38,九、最大共模輸入電壓 UIcm,輸入端所能承受的最大共模電壓。,十、最大差模輸入電壓

17、 UIdm,反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。,十一、 - 3 dB帶寬 fH,表示 Aod 下降 3 dB 時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放 fH 只有幾赫至幾千赫。,39,十二、 單位增益帶寬fc,Aod 降至 0 dB 時(shí)的頻率，此時(shí)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于 1 。,十三、 轉(zhuǎn)換速率 SR,額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。單位為 V / s 。,在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的 SR 值。,其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。,40,4.4.2集成運(yùn)放的低頻等效電路,考慮各種失調(diào)因素時(shí)等效電路圖,不考慮各種失調(diào)因素

18、的電路圖,41,4.5集成運(yùn)放的種類(lèi)及選擇,4.5.1集成運(yùn)放的發(fā)展概況,4.5.2集成運(yùn)放的種類(lèi),一、按工作原理分類(lèi),1.電壓放大型F007、F324 2.電流放大型LM3900、F1900 3.跨導(dǎo)型LM3080、F3080 4.互阻型AD8009、AD8011,二、按可控性分類(lèi),1.可變?cè)鲆孢\(yùn)放 2.選通運(yùn)放,42,1.高精度型,性能特點(diǎn)：,漂移和噪聲很低，開(kāi)環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）,2.低功耗型,性能特點(diǎn)：,靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2 個(gè)數(shù)量級(jí)(不超過(guò)毫瓦級(jí))，要求電壓很低，有較高的開(kāi)環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）,三、按性能指標(biāo)分類(lèi),43,3.高

19、阻型,性能特點(diǎn)：,通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入電阻高達(dá) 1012 。,高阻型運(yùn)放可用在測(cè)量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號(hào)源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）,4.高速型,大信號(hào)工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá) 1 000 V/s，單位增益帶寬可達(dá) 10 MHz，甚至幾百兆歐。,性能特點(diǎn)：,44,常用在A / D 和 D / A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）,5.高壓型,性能特點(diǎn)：,輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。,6.大功率型,性能特點(diǎn)：,可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。,4.5.3運(yùn)放的選擇（略）,45,4.6集成運(yùn)放的使用,一、集成運(yùn)放的外引線（管腳）,二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,1. 不能調(diào)零,調(diào)零電位器故障；,電路接線有誤或有虛焊；,反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開(kāi)環(huán)；,集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；,重新接通即可恢復(fù)為輸入信號(hào)過(guò)大而造成“堵塞”現(xiàn)象,4.6.1使用時(shí)必做的工作,46,2. 漂移現(xiàn)象嚴(yán)重,存在虛焊點(diǎn),運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁