电子技术培训课件 ch5集成运算放大器

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第五章集成运算放大器5.1零点漂移5.2电流源电路5.3差分放大电路5.4集成运算放大器介绍 本章重点：1、集成电路的组成及特点。2、偏置电路--电流源电路的原理与作用。3、差分放大电路的组态、分析与定性计算。4、集成运放电路的性能指标及应用。 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？ 5.1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：零漂的衡量方法：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ui=0时，，输出有缓慢变化的电压产生。将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。 例如若输出有1V的漂移电压。则等效输入有100uV的漂移电压假设第一级是关键3.减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路等效100uV漂移1V 1.基本镜像电流源基准电流：无论T2的负载如何变化，IC2的电流值将保持不变。5.2电流源电路因为：所以：5.2.1镜像电流源 2.多路镜像电流源 5.2.2.微电流源和比例电流源（1）电流小（因为△UBE小）。微电流源的特点：（2）电流稳定（电流负反馈）1.微电流源 2..比例电流源两个管子的相差不大即 5.2.3威尔逊电流源 （1）动态内阻比较大威尔逊电流源的特点：（2）电流稳定（电流负反馈）（（一定） 5.2.4有源负载电路 5.3差分式放大电路结构:对称性结构即：1=2=UBE1=UBE2=UBErbe1=rbe2=rbeRC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb5.3.1基本差分放大电路为什么对称结构? 一、抑制零漂的原理Uo=UC1-UC2=0当ui1=ui2=0时，当温度变化时：UC1=UC2设Tic1,ic2uc1,uc2uo=uc1-uc2=0Re的作用? 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6/1/2021 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 忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V三.基本工作原理1.静态工作点的计算： (1)加入差模信号ui1=-ui2=uid/2，２.电路的动态分析所以，Re对差模信号相当于短路。若ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2IRe不变UE不变uic=0。 差模电压放大倍数：因为ui1=-ui2设ui1,ui2uo1,uo2。电路对称│uo1│=│uo2│uo=uo1–uo2=2uo1差模电压放大倍数 (2)加入共模信号ui1=ui2=uic，uid=0。设ui1，ui2uo1，uo2。因ui1=ui2，uo1=uo2uo=0(理想化)。共模电压放大倍数共模输入时交流通路？ 单端输出时共模放大倍数： 差模输入电阻(３)输入输出电阻共模输入电阻 双端输出电阻单端输出电阻 【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 5.4集成运放简介5.4.1集成运放的总体结构 简单的集成运放原理电路： ＋－u-－u+uo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反相输入端同相输入端输出端 5.4.2集成运算放大器的主要参数一、极限工作参数1.最大差模输入电压Uidmax运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。2.最大共模输入电压Vicmax在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。 3.最大输出电流IOmax运放所能输出的最大峰值电流，手册上常用输出短路电流IOS表示。4.最大允许功耗PD当输入信号为零时，运算放大器消耗的总功率。 1.输入失调电UIO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。2.输入失调电压温漂dUIO/dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。二、性能参数 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IIB：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:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。 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100～120dB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105～106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fH：运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。12.转换速率SR(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 5.4.3通用型集成运放F007AB AB 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。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。5.4.4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ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。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A∕D和D∕A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施的运放需外加调零措施。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