模拟电子技术基础简明教程(第三版)第五章

1第五章集成运算放大电路第5章集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点5.2集成运放的主要技术指标5.3集成运放的基本组成部分5.4*集成运放的典型电路5.5各类集成运放的性能特点5.6*集成运放使用中的几个具体问题2第五章集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点集成电路的发展集成电路的分类集成放大电路的主要特点3第五章集成运算放大电路一、集成电路的发展集成电路简称IC(IntegratedCircuit)，是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，密度高、引线短、外部接线大为减少，提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。4第五章集成运算放大电路人们经常以电子器件每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。1904年电真空器件第一代1948年半导体器件第二代1959年集成电路第三代1974年大规模集成电路第四代5第五章集成运算放大电路集成电路的外形图5.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式6第五章集成运算放大电路二、集成电路的分类1.按功能划分数字集成电路：输入量和输出量为高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路。模拟集成电路：数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路。2.按模拟集成电路类型划分集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数模和模数转换器以及锁相环等。3.按构成有源器件类型划分双极型和单极型。7第五章集成运算放大电路三、集成电路的特点1.参数精度不高，受温度影响较大，但对称性好。2.电阻值范围有一定局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。3.常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。4.集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，放大级之间通常采用直接耦合方式。5.一般情况下，PNP管只能做成横向的，β值较小（β≤10）。8第五章集成运算放大电路5.2集成运放的主要技术指标集成运放的符号集成运放的技术指标9第五章集成运算放大电路一、集成运放的符号A+-U-U+Uo由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。反相输入端输入信号与输出信号的相位相反同相输入端输入信号与输出信号的相位相同输出端开环放大倍数10第五章集成运算放大电路二、集成运放的主要技术指标1.开环差模电压增益AodAod=20lgΔUoΔU--ΔU+定义：运放无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。11第五章集成运算放大电路2.输入失调电压UIO3.输入失调电压温漂αUIOdUIOdTαUIO=定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIo的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。12第五章集成运算放大电路4.输入失调电流IIO5.输入失调电流温漂αIIOIIO=IB1-IB2dIIodTαIIO=定义：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。13第五章集成运算放大电路6.输入偏置电流IIBIIO=IB1+IB212IIB是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标。它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的β值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。定义：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。14第五章集成运算放大电路7.差模输入电阻rid8.共模抑制比KCMR9.最大共模输入电压UIcmΔUIdrid=ΔIId集成运放输入端所能承受的最大共模电压。KCMR=20lgAodAcd用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。15第五章集成运算放大电路10.最大差模输入电压UIdm11.-3dB带宽fH12.单位增益带宽BWG13.转换速率SR集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。Aod下降3dB时的频率。Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/μs。16第五章集成运算放大电路5.3集成运放的基本组成部分5.3.1偏置电路5.3.2差分放大输入级5.3.3中间级5.3.4输出级17第五章集成运算放大电路向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数☆集成运放的基本组成部分输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成18第五章集成运算放大电路IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置电路1.镜像电流源（电流镜）VCC-UBE1RIC2≈IREF=VCC-UBE1RIREFIC12IBIC2IREF-2IB☆当β2时β211REF2C+=II优点:结构简单，有温度补偿作用。∵UBE1=UBE2∴IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC19第五章集成运算放大电路+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2２.比例电流源R1R2UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2∵UBE1≈UBE2，则22E11ERIRI≈忽略基极电流有：REF211C212CIRRIRRI≈≈图5.3.3比例电流源优点:结构简单，有温度补偿作用。缺点:VCC变化时，IC2按同样规律变化，因此不适于直流电源在大范围内变化的集成运放；无法产生微安极电流（电阻兆欧级）ECII≈20第五章集成运算放大电路３.微电流源为了得到微安级的输出电流，同时又希望电阻值不太大，可以在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2UBE1，且IC2IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。图5.2.4微电流源21第五章集成运算放大电路+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系：e2Ce2E2BE1BERIRIUU≈=−根据二极管方程且BEBECSS(e1)eTTUUUUIII=−≈eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln≈−≈−S1S2II≈设反向饱和电流e2C2C1CTlnRIIIU≈若IC1和IC2已知，可求出Re。图5.2.4微电流源BECEUU=22第五章集成运算放大电路优点:（１）VCC变化时，RE负反馈的作用，IC2变化很小，提高了恒流源对电源变化的稳定性。（２）温度升高时，UBE1下降，对IC2增加有抑制作用，提高了恒流源对温度变化的稳定性。（３）RE引入了电流负反馈，输出电阻增大。23第五章集成运算放大电路[例5.3.1]图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的β2，横向PNP三极管的β=2，电阻R5=39kΩ。IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF①估算基准电流IREF；②分析电路中各三极管组成何种电流源；③估算VT13的集电极电流Ic13；④若要求Ic10=28μA，试估算电阻R4的阻值。24第五章集成运算放大电路IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF解：①由图可得CCEEBEREFmAmA52151520.7390.73VVUIR+−=+−×==②VT12与VT13组成镜像电流源，VT10、VT11与R4组成微电流源。25第五章集成运算放大电路Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③β=2不能简单认为Ic13≈IREF。C13REFmAmAβ12110.73110.365II=+=+=④Β2可认为Ic11≈IREF。CT4CCk3311661010326100.7310lnln281028103103IURIIΩΩΩ−−−−××==××=×=26第五章集成运算放大电路二、差分放大输入级+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大电路电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1）电路组成27第五章集成运算放大电路温度变化时，UC1和UC2变化一致，uO保持不变。uo=VC1－VC2=0uo=(VC1+∆VC1)－(VC2+∆VC2)=0静态时，ui1=ui2=0当温度升高时→IC↑→VC↓（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT228第五章集成运算放大电路（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压uId两个输入电压大小相等、极性相反。差模输入电压+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT229第五章集成运算放大电路共模输入电压uIc两个输入电压大小相等、极性也相同。+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模输入电压30第五章集成运算放大电路在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，都可认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:[例]uI1=5mV,uI2=1mV则:uId=4mVuIc=3mVIdI1I2uuu=−IcI1I21()2uuu=+31第五章集成运算放大电路共模放大倍数：Ac=ΔuoΔuic共模抑制比:CdCMRAAK=dCMRC(dB)20lg(dB)AKA=差模放大倍数共模放大倍数KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比ΔuoΔui差模电压放大倍数：Ad=32第五章集成运算放大电路差分放大电路的差模电压放大倍数Ad：ΔuO=ΔuC1–ΔuC2=2ΔuC112=2·Au1ΔuiΔuC1=-ΔuC2=12Au1ΔuId差分放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。ΔuoΔuId=Au1Ad=33第五章集成运算放大电路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.长尾式差分放大电路减少每个管子输入端的温漂引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比：对共模信号有负反馈作用，对差模信号没有负反馈作用。补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流(1)电路组成：在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻Re.34第五章集成运算放大电路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)静态分析IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB35第五章集成运算放大电路(3)动态分析Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe）Ro=2Rc+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2RRL12RL12+-∆ui∆uc2∆uc1+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-∆u