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03第六章集成运算放大器电路原理精品文档_图文


第六章 集成运算放大器电路原理
6.1 集成运放电路特点
优缺点:(与分立器件电路相比) 优:性能好,可靠性高、体积小,耗电小,成本低; 缺:高频、高压、大功率
分类: 应用:专用/通用 ; 频率:高/低 ; 工艺:薄膜、厚膜、混合等 速度:高/低 ; BJT/MOS
特点: (多级放大器:电压增益高、输入电阻高、输出电阻小) ? (1) 级间采用直接耦合方式。 ? (2) 尽可能用有源器件代替无源元件。
? (3) 利用对称结构改善电路性能。

第六章 集成运算放大器电路原理 6.1 集成运放电路特点
+ OUT

电流源:直流偏置电流 +有源负载
现代集成电路是将”设计”与”代工”分 离, “无生产线”的集成电路设计公司可独立生存.

第六章 集成运算放大器电路原理
? 半导体晶体管与集成电路:上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发 明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;
1947年,美国Bell Lab的巴丁、布拉顿和肖克莱发明晶体管,现代半导体时代开始,1956Nobel; 1958年,美国得克萨斯仪器公司基尔比发明了集成电路(1959.2专利),2000-Nobel 1959年,美国Fairchild电子公司的诺伊斯发明了平面集成电路(1959.7专利) 1960年代初:摩尔定律
基尔比:德州仪器公司,诺伊斯:英特尔公司
得州仪器公司似乎已经走到了英特尔公司的前面。 如果说1990年代主要是微机(PC)发展的时代,那么2000年代是互联网时代。在PC时
代,微处理器是微电子产业发展的动力;而在互联网时代,数字信号处理(DSP)和模拟技 术则成了主角。DSP是信息设备(如手机)的心脏,它和奔腾芯片的最大差别是速度。得州 仪器公司已成为世界上最大的DSP和模拟技术的供应商,他们生产的最快的DSP比奔腾芯片 快10倍。目前该公司的股票市值已升至1200亿美元,市场前景看好。

第六章 集成运算放大器电路原理 6.2 电流源电路 1.单管电流源电路

I0?(R1R ?2R2|UEE|?UBE)/R3

RO?rce(1?rbe

?R3 )
?R3?RB

晶体管实现恒流特性是有条件的,即晶体管必须工作在放大 状态。这对所有的晶体管电流源都适用。

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理

单管电流源电路等效内阻的推导

ib (R B ? r b)e ? (ib? ic)R E? 0

ib

?? RB

REic ?rbe?RE

RB

? U O ? (ic?ib )r c e? (ib? ic )R E

rbe
RE

rCE +
UO -

RO?U IO O

ui

?0,R L

??

? R O ? (1 ?R B? ? r R b eE ? R E )rc e? R E?R B? ? r R b eE 2 ? R E
? ? ? r c e ? R E ? R B ? R r b E e ? R E (r c e ? R E )? r c e ( 1 ? R B ? r b R e E ? R E )

第六章 集成运算放大器电路原理 2. 镜像电流源

Ir

?UCC?UBE Rr

?UCC Rr

IC2?IC1?Ir?2IB?Ir?2I?C2

IC2

?

? Ir ? ?2

?

Ir

? 小时,误差大

第六章 集成运算放大器电路原理

增加射随器(V5), 以减小误差的多路镜像 电流源

? ?? ???? Ir? IC 1? IB 5? IC 1? 1 4 ? IB? IC 1?( 4 1 I? C 1)? IC 1 (2? 2? ? 4 )

?2?? IC1?IC2?IC3?IC4??2???4Ir

?

Ir

第六章 集成运算放大器电路原理 多集电极晶体管镜像电流源

第六章 集成运算放大器电路原理

3.比例电流源

U B E 1?IE 1R 1?U B E 2?IE 2R 2
UBE1 ?UBE2

IE1R1 ?IE2R2

IC2

?IE2

?R1 R2

IE1

?R1 R2

Ir

Ir

? UCC ?UBE1 Rr ?R1

4.微电流电流源

第六章 集成运算放大器电路原理

IC 2?IE2?R 1 2(U B E 1?U B E2)?U R T 2lnIIE E 1 2

IC 2

? UT R2

ln Ir IC2

R2

?

UT IC2

ln

Ir IC2

5.威尔逊电流源— 负反馈型电流源

第Ir六?章U C C? 集U 成R BE r运3? 算U 放BE大2? 器U 电C C 路? R 原r2U 理BE
Ir ?IC1?IB3 ?IC1?I?C3
?? ? ? IC 3?1? IE3?1? (IC 2?IB 1?IB2)
? 1 ? ??(IC 1? 2 IB 1)? 1 ? ??(1 ? 2? 1)IC 1?? ?2 2 ? ? 2 ? ?IC 1

IC1

?

?2 ?? ?2 ? 2?

IC3 ?

? ?

?1 ?2

IC3

所以

IC3 ???2?2?2?2??2Ir ?Ir

5.威尔逊电流源— 第六章 集成运算放大器电路原理 负反馈型电流源

第六章 集成运算放大器电路原理 反馈型电流源:串接电流源

第六章 集成运算放大器电路原理 6.有源负载共射极放大器

有源负载

倒相

6.3 差动放大器

第六章 集成运算放大器电路原理

6.3.1 直接耦合放大器的”零点漂移”积累现象

第六章 集成运算放大器电路原理

6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析

一.直流工作点分析

结构特点: 结构高度对称,

有两个输入端,两个输出端,

令:

Ui1 ?Ui2 ?0

I

?IRE

?|UEE|?UBE RE

1 IC1Q ? IC2Q ? 2I

U C E 1 Q ? U C E 2 Q ? U C C ? IC 1 Q R C ? (? 0 .7 )

第六章 集成运算放大器电路原理

定义: 差模输入信号
Uid ?Ui1?Ui2
共模输入信号

Uic

?Ui1 ?Ui2 2

二. 差模放大特性第六1章.差模集放成运大算倍放数大器电路原理

注意信号的 相位关系

Aud1?UiU 1?0dU 1i2??IC12(rR beC?/I/bR2L)???2rRbeL'
Aud2 ??Aud1 单端输出放大倍数

Aud?U Ui0d?Uud1U ?idUud2?Aud1?Aud2

?

?

?

R

' L

双端输出放大倍数

rb e

第六章 集成运算放大器电路原理

2.差模输入电阻

Rid

?Uid Iid

?Uid1 Iid

?2rbe

3.差模输出电阻

双端输出--- R0d ? 2RC

R ? R 单端输出---

od

C

三.共模抑制特牲第六1章.共模集电成压运放算大放倍大数器电路原理

双端输出 单端输出

Auc

?Uoc Uic

?Uoc1?Uoc2 Uic

?0

Auc1?U Uoicc1??rbe?(1??R?C)2RE

2.共模输入电阻

Ric ?12[rbe?(1??)2RE]
3.共模输出电阻
双端输出--- R0d ?2RC 单端输出--- Rod ? RC

第六章 集成运算放大器电路原理

4.共模抑制比

K CMR

?|

Aud Auc

|

KCMR(dB)?20lg|

Aud Auc

|(dB)

双端输出

KCMR ? ?

单端输出

6.3.3 具有恒流第源六的章差动集放成大运电算路放大器电路原理

1.工作点 3.共模抑制比 5.输出电阻

2.差模放大倍数 4.差模输入电阻

6.3.4 差第动六放章 大集器成的运算传放输大特器电性路原理
? ? iC 1,2 ? f uid u0 ? F ?uid ?
目的: ?研究差动放大器的线性动态范围和大信号的非线性特性 ?熟悉差模输入信号与电流分配的关系 ?了解差动放大器传输特性的应用

第六章 集成运算放大器电路原理

UCC

RC

RC

iC 1 + uo - iC 2



V1

V2

u-id

I

-UEE
简化的差动放大器

uid ?uBE1?uBE2

iC1 ?iC2 ?I

i ?I euBE1 UT
C1 s

i ?I e C2

uBE2 UT s

公式推导:
ic1?ic2?I

第六章
RC

iC 1 +



V1

u-id

i 集成运R C U算C C 放大器电路原c2理

i (1? ) ? I c1

i u o -

iC 2

c1

V2

I

-UEE

I

I

I

ic1?1?ic2 ic1

?

? uBE 2?uBE 1

?uid

1?e U T

1?eU T

I

I

I

ic2?1?ic1 ic2

?

uBE 1?uBE 2

1?e U T

?

uid

1?eU T

第六章 集成运算放大器电路原理

iC1,iC2 I

i C2

i C1

I

I

iC1 ?

? uid

1? e UT

Q2

i C1

i C2

iC 2 ?

I
uid

-6UT -4UT-2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
传输特性

1 ? eUT

可u 见i d 超,过差动? 4 放U T 大,即 器? 线1 性00 动m v 态左 范右 围,电很路小进?? 入2 U 限T,幅即 状? 态5 0 ,m v 产左 生右 严?重
的非线性失真。

第六章 集成运算放大器电路原理
uo??(iC1?iC2)?RC

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理

iC1,iC2 I

i C2 Q

i C1
I 2

i C1

i C2

-6UT -4UT-2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
可见,增益AU正比于恒流源电流I。那 么,改变I就可以控制增益。 如果使I受到另外一个信号ub的控制, 那么就可以实现信号的相乘。 即, u0??2 R U C TI?uid??2 R U C TK ub?uid

扩大线性动态范围的方法——加射极负反馈电阻

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理

应用:

利用第差六分章放大集器成运的算传放输大特器性电可路原以理实现

1.

小信号的线性放大—

Au

?

?

Rc 2UT

I ? ? gm RC

2. 增益的自动控制—— Au ? I

U CC

RC

RC

A

Ui I ? U EE

检测

3. 信号的相乘运算第—六—章 u0集?成?运2R U C 算T放I?大uid 器?电?路2R U 原C T理Kub?uid

第六章 集成运算放大器电路原理
4.信号的整形——将不规则的输入波形整形为矩形波
5. 信号的变换——将三角波变成正弦波、方波
6. 电压比较器
Ur ? 参考电压 Ui ? Ur Uo为高电平 Ui ? Ur Uo为低电平

7. 高速第电六章流开集关成一运一算E放C大L器逻电辑路电原路理

U CC

RC

RC

Uo

Ui 1
0

Uo 1
0

Ui I ? U EE

只要 I 不太大,就可保证 晶体管在电流最大时不饱 和,所以开关速度很快。

第六章 集成运算放大器电路原理 6.4 集成运算放大器的输出级电路
NPN

PNP

NPN与PNP管组成互补对称跟随器, 输出电阻小,带负载能力强.

发射结零偏置, 存在交越失真.

第六章 集成运算放大器电路原理 为了克服交越失真,要加偏置电路
M N

M点与N点直流电压差1.4伏, 交流电压可视为相等.
A.B两点交流电位也可视为相同

U A B ? R 1 I1 ? R 2 I2? (R 1 ? R 2 )I2 ?(R1?R2)U R B2 E4?(1?R R1 2)UBE4

6.5 集成第运六放章芯片集电成路运举算例放--大-F器00电7(路LM原74理1)
?

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理
6.7 集成运算放大器的主要性能指标

?

一、输入失调电压UIO和输入失调电流IIO

?

输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性。

欲使静态时输出端为零电位,运放两输入端之间必须外

加的直流补偿电压,称为输入失调电压,用UIO表示; 必须外加的直流补偿电流,称为输入失调电流,用IIO表 示。

第六章 集成运算放大器电路原理

?

二、失调的温漂

?

在规定的工作温度范围内,UIO随温度的平均

变化率称为输入失调电压温漂,以dUIO /dT表示。

?

在规定的工作温度范围内,IIO随温度的平均

变化率称为输入失调电流温漂,以d IIO /dT表示。

?

三、输入偏置电流IIB

?

静态时,输入级两差放管基极电流IB1,IB2的平

均值,即

IIB

?

IB1

?IB2 2

第六章 集成运算放大器电路原理
? 四、开环差模电压放大倍数Aud ? 无反馈情况下,运放输出电压与输入差模电压之比; ? 五、共模抑制比KCMR ? 输入差模电压放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值; ? 六、差模输入电阻Rid ? 运放两个差动输入端之间的等效动态电阻; ? 七、共模输入电阻Ric ? 运放两个输入端对地之间的等效动态电阻;

第六章 集成运算放大器电路原理
八、输出电阻Ro 从运放输出端和地之间看进去的动态电阻; 九、输入电压范围 Udm
当加在运放两个输入端之间的电压差超过某一数值时,输入 级的某一侧晶体管将出现发射结反向击穿而不能工作,则输入端 之间能承受的最大电压差,称为最大差模输入电压。
当运放输入端所加共模电压超过某一数值时,使放大器不能 正常工作,此最大电压值称为最大共模输入电压,Ucm 十、带宽
运放开环电压增益下降到直流增益的0.707倍(-3dB)时所 对应的频带宽度,称为运放的-3dB带宽,BW表示;
运放开环电压增益下降到1时的频带宽度:单位增益带宽BWG

第六章 集成运算放大器电路原理

? 十一、转换速率(压摆率)SR ? 反映运放对高速变化的输入信号的响应情况。

? 运放在额定输出电压下,输出电压的最大变化率,即

SR

?

du0 dt

max

? 十二、静态功耗Pc

? 当输入信号为零时,运放消耗的总功率,静态功率

? 十三、电源电压抑制比PSRR

?

电源电压的改变将引起失调电压的变化,则失调电压

的变化量与电源电压变化量之比,即 PSRR ? ?UIO ?E

第六章 集成运算放大器电路原理
第六章作业: 6-1,6-3,6-4,6-5,6-7,6-13



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