[信息与通信]6 集成电路运算放大器.ppt

第六章 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。不能制造电感，如需电感，也只能外接。 （5）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三极管发射结构成。,直耦放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,温漂指标：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入Vi=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,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。,例如,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,6.1 差动放大电路,即：1=2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,2019/1/30,1. 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. 差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。 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,3. 差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,4. 共模抑制比,三.差动放大电路的基本工作原理,1. 静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V,2.抑制零漂的原理:,vo= vC1 - vC2 = 0,vo= (vC1 + vC1 ) - (vC2 + vC2 ) = 0,当vi1 = vi2 = 0 时，,当温度变化时：,vC1 = vC2, vC1 = vC2,(1)加入差模信号,设： vi1=-vi2 =vid/2，vic=0。,3.电路的动态分析,Re对差模信号相当于短路,设vi1 ,vi2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IRe不变 VE不变,其等效电路为：,因为vi1 =- vi2,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,(1)加入共模信号,设： vi1=vi2 =vic，vid=0。,设vi1 ， vi2 ，使vo1 ， vo2 。 因vi1 = vi2， vo1 = vo2 vo= 0 (理想化)。,共模电压放大倍数,四.差动放大器的输入输出方式,差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,2. 双端输入单端输出,这种方式适用于将 差分信号转换为单端输出 的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,（4）共模电压放大倍数,共模等效电路：,3. 单端输入双端输出,单端输入等效双端输入: 因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,vi1 = vi2 = vi /2,计算同双端输入双端输出：,4. 单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号： 设从T1的基极输入信号，如果从C1 输出，为负号；从C2 输出为正号。,计算同双入单出：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时， 双端输出时，,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：,五. 带恒流源的差动放大电路,根据共模抑制比公式：,恒流源的直流电流数值为 IE3 =(VZ - VBE3 )/ Re,可以看出：加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re 。,恒流源相当于阻值很大的电阻。,恒流源不影响差模放大倍数。,恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。,恒流源的作用,？,思 考 题,1. 若在基本差动放大电路中增加两个电阻Re（如图所示）。则动态指标将有何变化？,答：,双端输出差模增益,差模输入电阻,单端输出共模增益,？,思 考 题,2. 差动放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：,反相,vC1与vi1,同相,vC2与vi1,同相,vC1与vi2,反相,vC2与vi2,反相,vO与vi1,同相,vO与vi2,3. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？,差动放大器实例,1. 镜像电流源,基准电流：,无论Rc的值如何， IC2的电流值将保持不变。,6.2 集成运算放大器中的单元电路,一 电流源电路,因为：,所以：,2. 微电流源,所以IC2也很小,3. 多路电流源,4. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。,放大管,二. 差动输入级,1. 有源负载差动放大电路,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。,2. 共集共基差动输入级,输入阻抗高。 T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。,6.3 集成运算放大器,一. 集成运放的总体结构,二. 简单的集成运放,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,三. 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，其集电极电流和的大小比例为3:1。一路作为中间级的有源负载。一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，T13管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 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。,1.输入失调电压Vio 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。,3.4 集成运算放大器的主要参数,2.输入失调电压温漂 dVio /dT,4.输入失调电流 Iio ： 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。,3.输入偏置电流IB ： 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大小。,5.输入失调电流温漂dIio /dT,6.最大差模输入电压Vidmax,7.最大共模输入电压Vicmax,8.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,12.转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,运算放大器外形图,运算放大器外形图,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,3.5 特殊集成运算放大器,一.高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,二.高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如： OP177 CF714,三.高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。 例如： AD549 CF155/255/355,四.低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如： OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。 OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W 。 CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W 。,五. 功 率 型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。 例如： LM12 TP1465,本章小结,1直流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。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它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集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成运放。集成运放的参数有几十个之多，正确掌握了它的主要参数的物理意义，才能在使用中恰当地选择元器件。 4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。 5集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，应掌握其电压传输特性。并根据不同的使用情况选择不同的运放模型。,