1、第五章 集成运算放大器,1、电流源电路 2、差分放大电路 3、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级放大器。,集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF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。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,什么是集成运算放大器？,Home,5.1. 直接耦合放大电路的零点漂移现象,Next,零漂：输入短路时，输
2、出仍有缓慢变化的电压产生。,主要原因：温度变化引起，也称温漂。电源电压波动、元件老化等也会产生输出电压的漂移。,温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,（2） 采用温度补偿。,（3） 采用差分式放大电路。,（1） 在电路中引入直流负反馈。,一、直接耦合放大电路的零点漂移,二、抑制零点漂移的方法,一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。 1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜象电流源、微电流源、多路电流源等 3、
3、电流源电路一般都加有电流负反馈， 4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。,5.2、电流源电路,2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、 增大动态范围。,二、电流源电路的用途： 1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏 置电流，以获得极其稳定的Q点。,3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。,4、电流源还可单独制成稳流电源使用。,5.2、电流源电路,一、镜象电流源,镜象电流源,其中：基准电流 是稳定的，故输出电流 也是稳定的。,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,一、镜象电流源,二、多路镜像电流源,通过一个基准电流源稳定多个三极
4、管的工作点电流，即可构成多路电流源。 图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流 IC2、IC3。,多路镜像电流源,三、改进型镜象电流源,精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其镜象精度提高了 倍。,改进型镜像电流源,电路中增加了T3 管， IB3 比镜象电流源的2IB小3倍。 因此IC2和IREF之间的镜象精度提高了 倍。,微电流源,微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。,微电流源,IC2 远小于IREF ,当R取 几k 时， IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好
5、。,比例式电流源,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。,比例式电流源,动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高 电流稳定,威尔逊电流源电路,有源负载电路,图,5,-,8,有源负载共射极放大电路,（,b,）,等效电路,R,（,a,）,共射极放大电路,5.3 差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,电路特点：T1、T2 所在的两边电路参数完全对称。,2. 抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,这一过程类似于分压式射极偏置电路的
6、温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,2. 抑制零点漂移原理,1. 差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号。 单端输入仅从一个输入端对地加信号。,2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,二. 几个基本概念,差模信号共模信号,根据,有,共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分,共模信号大小相等，相位相同； 差模信号大小相等，相位相反。,差模信号,共模信号,放大两个输入信号之差,差模电压增益,差模信号,差模信号共模信号,差模信号：,共模信
7、号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,差模信号共模信号,Home work: Page126 5-2,5-3,Any question from your side is welcome to discuss!,工作原理,静态,动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,仅共模信号：,工作原理,(1)加入差模信号,所以，Re对差模信号相当于短路。,若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变 UE不变,3. 主要指标计算,（1）差模情况,接入负载时, 双入、双出,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 双入、单出,接入负
8、载时,3. 主要指标计算,（1）差模情况, 单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同。,3. 主要指标计算,（2）共模情况, 双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益, 单端输出,抑制零漂能力增强,3. 主要指标计算,（2）共模情况,共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,4. 几种方式指标比较,双入,双入,单入,单入,4. 几种方式指标比较,双入,双入,单入,单入,Home,Next,Back,例5.1 如图所示电路中，已知VCC= VEE =9V，VBE =0.7V， Rc=4.7 k， Rb= Rw= 1
9、00， RL=10 k， I=1.2mA， Rw的滑动端位于中点，晶体管=50，rbb =300 ， uI =0.02V，求： （1）静态工作点；（2）差模输出电压 uO。,Home,Next,Back,【例5-1】在下图中，已知三极管的 的滑动端处于中点，试估算： （1）静态工作点； （2）差模电压放大倍数； （3）差模输入电阻。,解 （1）静态时，电路完全对称，交流输入信号为零,（2）,（3）,T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,5.3.2 三极管有源负载差分放大电路,. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路,静态,IE6 I
10、REF,Io IE5,5.4 集成运放简介,5.4.1 集成运放的总体结构,集成运放 组成方框图,输入级：,差分电路，大大减少温漂。,中间级：,采用有源负载的共发射极电路，增益大。,输出级：,OCL 电路，带负载能力强,偏置电路：,镜像电流源，微电流源。,简单的集成运放,原理电路：,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,运算放大器外形图,5.4.2 集成电路运算放大器的主要参数,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流IIB,3. 输入失调电流IIO,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂II
11、O / T,5. 最大差模输入电压Vidmax,6. 最大共模输入电压Vicmax,7. 最大输出电流Iomax,5.4.2集成电路运算放大器的主要参数,8. 开环差模电压增益AVO,9. 开环带宽BW (fH),10. 单位增益带宽 BWG (fT),11. 转换速率SR,end,5.4.3 通用型集成运放F007,分析：,1. 偏置电路：,T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,其他偏置电流都与基准电流有关。 T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。 T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的
12、大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,2. 输入级：,T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。 其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成具有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。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,3. 中间级：,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。,T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和
13、R8为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,4. 输出级：,5. 相位分析：,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,5.4.
14、4 特殊集成运算放大器,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV, IIO/T 200PA, KCMR110dB。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用
15、精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。,3.高速型,高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。 高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在
16、几伏以下。 典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5. 大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,5.4.5 集成运放的选择和使用,1. 使用时必做的工作,金属壳封装和双列直插式,双列直插式有8、10、12、14、16脚,使用时要辨认管脚，正确连线。,一、集成运放的外引脚,二、参数测量,使用时要用万用表进行简易测量，判断是否有短路和断路现象。,三、调零或调整偏置电压,由于失调电压与失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。在内部无自动稳零措
17、施的运放需外加调零措施。 对单电源供电的运放，有时需在输入端加直流偏置电压，设置合适的动态输出电压。,四、消除自激振荡,电源端加去耦电容或外接频率补偿电容。,2. 保护措施,一、输入保护,输入保护措施,二、输出保护,输出保护电路,三、电源保护,电源端保护,1直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。 3集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有BJT集成运放、FET集成运放、BiMOS集成运放等。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。 4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。,本章小结,Home work: Page127 5-8,Any question from your side is welcome to discuss!,Questions Feedback,1、三极管的组态 2、反馈的输出判断 3、反馈的输入判断 ,
