运放教学PPT课件

集成电路的发展 1947年晶体管 1958年集成电路 69年大规模集成电路 75年超大规模集成电路 按10倍/6年的集成度发展 第四章 集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放电路简介 4.4 集成运放的种类及选择 4.5 集成运放的使用 （1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采 用差分放大电路和电流源电路。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂 并不增加制作工序。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制 作的大电阻。 （4）采用复合管。 集成运放----高性能的直接耦合多级放大电路。 4.1 集成运算放大电路概述 4.1.1　集成运放的特点 4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用 1. 集成运放电路的组成 一个 输出端 若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。 输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。 偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。 4.1.3 集成运放的电压传输特性 同相输入端 反相输入端 A od ：开环电压放大倍数 集成运放的符号 非线性区： 线性区： 非线性区： 集成运算放大器的传输特性 由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 在线性区： uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。 (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM , 就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。 4.2　集成运放中的电流源电路 4.2.1　基本电流源电路 4.2.2　改进型电流源电路 4.2.3　多路电流源电路 4.2.4　以电流源为有源负载的放大电路 4.2.1　基本电流源电路 一、镜像电流源 所以：IB0= IB1= IB，IC0 = IC1= IC= IB 。 使IC0和IC1呈镜像关系。 电路： T0与T1特性一致， 0 = 1=  ；  T0与T1工作在放大状态。 因为：UBE0=UBE1， 0 = 1= ； 工作原理：  IC1为输出电流。 电阻R中的电流为基准电流： 当>>2时，输出电流 ↗ IC1↑ T(℃) ↑ ↘ IC0↑→ IR↑→UR(IRR) ↑→UB↓→IB↓→ IC1↓ 镜像电流源具有一定的温度补偿作用： 存在问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ： 当IC较小时，需R大，集成电路中难以制造大的R。 二、比例电流源 电路： T0与T1特性一致， 0 = 1=  ；  T0与T1工作在放大状态有反馈电阻Re； 工作原理：  IC1为输出电流， 当>>2时，IC0≈IE0≈IR ， IC1 ≈ IE1，所以 比例电流源比镜像电流源的输出电流IC1具有更高的温度稳定性！（Re0和Re1是电流负反馈电阻）。 且Re0  IC1  三、微电流源 为了采用阻值较小的电阻，获得较小的输出电流IC1，可以将比例电流源中Re0的阻值减小到零微电流源。 电路： 工作原理： 式中（UBE0－ UBE１）只有几十毫伏，甚至更小，因此只要几千欧的Re，就可得到几十微安的IC1。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 电路： 若VCC＝15V，IR＝1mA，UBE0＝0.7V，UT＝26mV，IC1＝20A，则 确定IR和IC1 计算R和Re的数值 4.2.2　改进型电流源电路 改进的目的： 减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流。 微电流源： 比例电流源： 镜像电流源： 较小时，误差增大，需改进电路。 一、加射极输出器的电流源 电路： T0、T1 、 T2特性一致， 0 = 1= 2 ；  T2：射极输出器；  IC1为输出电流。UBE0=UBE1，IB1= IB0= IB IC1 =IC0 。 利用T2管的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。 工作原理： 即使很小，也可以认为IC1≈IR ， IC1与IR保持很好的镜像关系。 二、威尔逊电流源 电路： T0、T1 、 T2特性一致， 0 = 1= 2 ；  T1的rce是T2的发射极电阻Re ；  IC2为输出电流。UBE0=UBE1， IC1 =IC0 =IC 。 工作原理： 因为rce1非常大，所以可使IC2高度稳定。 Ａ点的电流方程为： 在Ｂ点： 整理： 　　IC2受基极电流影响很小。 4.2.3　多路电流源电路 1. 基于比例电流源的多路电流源 利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级静态电流的需要 基准电流：IR 三路输出电流： IC1、 IC2 、 IC3 当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的各级电流。 根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。 2.多集电极管构成的多路电流源 根据所需静态电流，来确定集电结面积。 设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则 3.MOS管多路电流源 根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。 设宽长比W/L=S，且T1～T4的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则 基准电流 [例]　图示电路是型号为F007的通用型集成运放的电流源部分。其中T10与T11为纵向NPN管； T12与T13是横向PNP管，它们的均为5，它们b-e 间电压值均约为0.7V。试求出各管的集电极电流。 解：图中R5上的电流是基准电流，根据R5所在回路可以求出 T10与T11构成微电流源， 利用累试法或 图解 交通标志图片大全及图解交通标志牌图片大全及图解建筑工程建筑面积计算规范2013图解乒乓球规则图解老年人智能手机使用图解 法求出I10≈28A T12与T13构成镜像电流源， 在电流源电路中，首先应求出基准电流IR， IR常常是集成运放电路中唯一能够通过列方程直接求出的电流；然后利用与IR的关系，分别求出各路输出电流。 4.2.4　以电流源为有源负载的放大电路 　　在共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数的数值，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc（或漏极电阻Rd）。然而，为了维持晶体管（场效应管）的静态电流不变，在增大Rc （ Rd ）的同时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。在集成运放中，常用电流源电路取代Rc （ Rd ），这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效的Rc （或Rd ）。由于晶体管和场效应管是有源元件，而上述电路中又以它们作为负载，故称为有源负载。 一、有源负载共射放大电路 电路：  T1 ：放大管 （共射）；  T2与T3：镜像电流源； 工作原理：  T2 ： T1的负载管 。 基准电流 空载时T1管的静态集电极电流 1) 并不需要很高的电源电压，只要VCC与R相配合，就可以设置合适的集电极电流ICQ1 2)输入端的uI中应含有直流分量，为T1提供静态基极电流IBQ1 ， IBQ1应等于ICQ1 / 1，而不应与镜像电流源提供的IC2产生冲突 3) 电路带上负载电阻RL后，ICQ1将有所变化。 电压放大倍数 若RL<<(rce1// rce2)，则 二、有源负载差分放大电路 电路：  T1与T2：放大管 （差分）；  T3与T4：负载（镜像电流源） iC3= iC4 ； 工作原理： 静态 IE1＝ IE2 ≈ IC1 ＝ IC2 ＝I/2， 若3>>2，则IC3 ≈IC1 因IC4 ＝ IC3 ，所以IC4 ≈IC1 iO= IC4 －IC2 ≈ 0 差模输入 iC1= －iC2 ，而iC3 ≈ iC1 ；由于iC3和 iC4的镜像关系， iC3= iC4  iO=  iC4 －  iC2 ≈  iC1 －( － iC1 )=2  iC1 ①电路的输入、输出方式？ ②如何设置静态电流？ ③静态时iO约为多少？ ④动态时ΔiO约为多少？ 电压放大倍数 输出电流与输入电压之比 使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。 4.3 集成运放电路简介 集成运放电路 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 （1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途 和技术指标。 （2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能 的基本电路。 （3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和 性能。 （4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实 现的功能和性能。 （5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路 的主要参数。 已知电路图，分析其原理和功能、性能。 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 一、F007电路分析 找出偏置电路 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。 简化电路分解电路 双端输入、单端输出差分放大电路 以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路 用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级 三级放大电路 输入级的分析 T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。 共集-共基形式 Q点的稳定： T（℃）↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑ IC9与IC8为镜像关系→IC9↑ 因为IC10不变→IB3↓ IB4↓ → IC3 ↓ IC4↓→ IC1↓ IC2↓ T1和T2从基极输入、射极输出 T3和T4从射极输入、集电极输出 输入级的分析 T7的作用：抑制共模信号 T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。 作用？ + _ 放大差模信号 特点： 输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。 中间级的分析 中间级是主放大器，它所采取的一切 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 都是为了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。 中间级 输出级 输出级的分析 D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。 iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。 准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。 中间级 输出级 特点： 输出电阻小 最大不失真输出电压高 判断同相输入端和反相输入端 ４.４集成运放的主要性能指标 指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 指标参数 F007典型值 理想值 输入失调电压UIO 几μV/ ℃ 0 UIO的温漂dUIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO 20nA 0 IIO的温漂dIIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。 指标参数 F007典型值 理想值 最大共模输入电压 UIcmax ±13V -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR 0.5V/μS ∞ 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级差分管将损坏。 上限截止频率。 对大信号的反应速度 集成运放的主要性能指标 指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 Aod 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 最大差模输入电压 UIdmax ±30V -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞ 4.5 集成运放的种类及选择 4.5.1 集成运放的发展概况 　　第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思想,采用了集成数字电路的制造工艺，利用少量横向PNP管,构成以电流源做偏置电路的三级直接耦合放大电路。但是，它各方面性能都远远优于分立元件电路，满足了一般应用的要求。典型产品有A709、国产的F003、5G23等。 　　第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了明显的提高，各方面性能指标比较均衡，因此属于通用型运放，应用非常广泛。典型的产品有A741、LM324、国产的F007、F324、5G24等。 　　第三代产品的输入级采用了超管， 值高达1000～5000倍，而且版图设计考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有AD508、MC1556、国产的F1556、F030等 　　第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化，一般情况下不需要调零就能正常工作，大大提高了精度。典型产品有HA2900、SN62088、国产的5G7650等。 几代产品中输入级的变化最大！ 4.5.2　集成运放的种类 一、按工作原理分类 互阻型： 跨导型： 电流放大型： 电压放大型： 二、按可控性分类 1.可变增益运放 （a）由外接的控制电压uC来调整开环差模增益Aod，称为电压控制增益的放大电路，如VCA610，当uC从0变为-2V时， Aod从-40dB变为+40dB，中间连续可调。 （b）利用数字编码信号来控制开环差模增益Aod ，这类运放是模拟电路与数字电路的混合集成电路，具有较强的编程功能，例如AD526，其控制变量为A1、 A2 、 A3 ，当给定不同的二进制码时， Aod将不同。 2.选通控制运放 　　此类运放的输入为多通道，输出为一个通道，即只有一个对“地”输出电压信号。利用输入逻辑信号的选通作用来确定电路对哪个通道的输入信号进行放大。 三、按性能指标分类 1.通用型 高阻型、高速型、高精度型和低功耗型 2.特殊型 高阻型：rid>109 ； 适用：测量放大电路等； 高速型：增益带宽高 ； 适用：A/D,D/A转换等； 高精度型：低失调，低温漂，低噪声，高增益； 适用：高精度仪器设备等； 4.5.3 运放的选择 一、信号源的性质　　二、负载的性质　　 三、精度要求　　　　四、环境条件 查手册，选型号 首选：通用型，通用型不能满足要求时，选择特殊型。 根据： ４.６　集成运放的使用 4.6.1 使用时必做的工作 1、集成运放的外引线（管脚） 2、参数测量 3、调零或调整偏置电压 4、消除自激振荡 4.6.2 保护措施 1、输入保护 2、输出保护 3、电源端保护 讨论一 根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。 已知现有集成运放的类型是： ①通用型 ②高阻型 ③高速型 ④低功耗型 ⑤高压型 ⑥大功率型 ⑦高精度型 1. 作低频放大器，应选用 。 2. 作宽频带放大器，应选用 。 3. 作幅值为1μV以下微弱信号的量测放大器，应选用 。 4. 作内阻为10MΩ信号源的放大器，应选用 。 5. 负载需5A电流驱动的放大器，应选用 。 6. 要求输出电压幅值为±80的放大器，应选用 。 7. 宇航仪器中所用的放大器，应选用 。 讨论二 1. 输入级采用什么措施增大放大倍数？ 2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数？ 3. 如何消除交越失真？ 4. uI1、 uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？ 有源负载 有源负载 复合管共射放大电路 增大输入级的负载电阻 _ _ + _ _ _ + + 反相 输入端 同相 输入端 超β管 已知一个集成运放的开环差模增益Aod为100dB，最大输出电压峰-峰值Uopp＝±14V，分别计算差模输入电压uI（即uP－uN）为10μV、100μV、1mV、1V和－10μV、－100μV、－1mV、－1V时的输出电压uO。 根据集成运放的开环差模增益，可求出开环差模放大倍数 当集成运放工作在线性区时，输出电压uO＝Aod uI； 当Aod uI超过±14V时，uO不是＋14V，就是－14V。 讨论三 第四章要求 1、熟悉集成运放的组成及各部分的作用。 2、正确理解主要指标参数的物理意义及其使 用注意事项。 3、了解电流源电路的工作原理 4、了解F007的工作原理。 END