集成運算放大器的單元電路.ppt

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5 1引言 集成運算放大器 簡稱運放 是一個直接耦合高增益的多級放大電路 本章涉及的主要問題 集成運算放大器的構(gòu)成及特點多級放大電路的耦合方式差分放大電路的結(jié)構(gòu) 工作原理功率放大電路及交越失真集成運算放大器的類型 使用注意事項 第5章集成運算放大器的單元電路 5 2集成運算放大器概述 5 2 1組成 1 輸入級 采用雙端輸入高性能的差分放大電路 輸入電阻大 差模放大倍數(shù)大 抑制共模信號的能力強 靜態(tài)電流小 2 中間級 提供高的電壓增益 以保證運算放大器的運算精度 中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大電路 集成運算放大器結(jié)構(gòu)圖 5 2 1組成 3 輸出級 互補對稱輸出電路 輸出級應(yīng)具有輸出電壓范圍寬 輸出電阻小 帶負載能力強 非線性失真小等特點 4 偏置電路 為各級放大電路提供合適的靜態(tài)工作點電流 集成運算放大器結(jié)構(gòu)圖 5 2 2集成運放的符號和電壓傳輸特性 a 常用符號 b 標(biāo)準(zhǔn)符號 符號 電壓傳輸特性 Uom Uom 線性放大區(qū) 非線性區(qū) 0 非線性區(qū) 5 3多級放大電路 耦合方式 5 3 1多級放大電路的耦合方式 1 直接耦合 直接耦合放大電路 2 阻容耦合 阻容耦合放大電路 3 變壓器耦合 變壓器耦合放大電路 4 光電耦合 光電耦合放大電路 光電耦合器及其傳輸特性圖 光電耦合特點光耦兩側(cè)電氣隔離可以不共地抑制電干擾 5 3 2零點漂移 直接耦合放大電路由于前后級直接相連 前一級的零漂電壓信號會和有用電壓信號一起被送到下一級 而且逐級放大 因此 零點漂移可以通過直接耦合放大電路被逐級放大 從而使輸出端的零點漂移現(xiàn)象更加嚴重 且放大電路的級數(shù)越多 放大倍數(shù)越高 零點漂移越嚴重 解決方案 采用分壓偏置共射基本放大電路采用溫度補償 利用熱敏元件來補償晶體管參數(shù)的變化采用差分放大電路結(jié)構(gòu) 輸出電壓的漂移 5 3 3直接耦合放大電路的電位移動 電位移動直接耦合放大電路 采用NPN和PNP三極管結(jié)合的方法解決電位移動問題 NPN和PNP組合電位移動直接耦合放大電路 5 3 4多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算 1 輸入電阻法 在計算前一級的電壓放大倍數(shù)時 將后一級的輸入電阻作為前一級的負載考慮 2 開路電壓法 將前級作為后級的信號源來考慮 信號源的電壓為前級的開路電壓 信號源的電阻為前級的輸出電阻 多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算方法 1 輸入電阻法 兩級放大電路的電壓放大倍數(shù)計算實例 等效電路 兩種方法的結(jié)果完全一致 2 開路電壓法 兩級放大電路的電壓放大倍數(shù)計算實例 等效電路 5 4集成運算放大器中的電流源 1 鏡像電流源 UBE1 UBE2 UBE IB1 IB2 由于兩三極管完全對稱 故 5 4 1電流源 1 2 忽略兩三極管BE結(jié)壓降的差值 有 由于 因此 式中 2 比例電流源 3 微電流源 晶體管電流之間的關(guān)系 可得 4 威爾遜電流源 由電路圖可知 如果電流放大系數(shù)足夠大 則有 5 多路電流源 5 5差分放大電路 差分放大電路 簡稱差放 能放大兩個輸入信號之差 差放只對輸入信號的差有響應(yīng) 晶體管VT1 VT2特性一致 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbe 電路參數(shù)對稱 即Rc1 Rc2 RcRs1 Rs2 Rs 5 5 1差分放大電路的組成 1 信號的分解 共模輸入信號 差模輸入信號 5 5 2差模信號和共模信號 在差模信號和共模信號同時存在的情況下 對于線性放大電路 可利用疊加原理得出輸出電壓 2 差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù) 集電極電流 晶體管的管壓降 通過以上分析 差分放大電路的靜態(tài)求解與共射放大電路一樣 只不過發(fā)射極電阻用2Re替代 5 5 3差分放大電路的靜態(tài)分析 1 雙端輸入雙端輸出 2 雙端輸入單端輸出 3 單端輸入雙端輸出 4 單端輸入單端輸出 5 5 4差分放大電路的輸入和輸出方式 1 雙入雙出差分放大電路的差模動態(tài)分析 5 5 5差分放大電路的差模動態(tài)分析 雙入雙出差放的差模工作方式 差模放大倍數(shù) 1 雙入雙出差分放大電路的差模動態(tài)分析 差模輸入電阻Rid 1 雙入雙出差分放大電路的差模動態(tài)分析 差模輸出電阻Rod 根據(jù)輸出電阻的定義 應(yīng)將源輸入電壓短路 保留內(nèi)阻RS 將負載電阻RL開路 1 雙入雙出差分放大電路的差模動態(tài)分析 a 集電極C1輸出 b 集電極C2輸出 雙入單出差分放大電路的差模工作狀態(tài)與雙入雙出差放差別不大 只是單端輸出只獲取了兩集電極之間輸出變化量的一半 2 雙入單出差分放大電路的差模動態(tài)分析 雙入單出差分放大電路 C1 從C1輸出為負 從C1輸出 2 雙入單出差分放大電路的差模動態(tài)分析 3 單入雙出差分放大電路的差模動態(tài)分析 與雙入雙出的差模放大指標(biāo)相同 差模放大倍數(shù) 差模輸入電阻 差模輸出電阻 4 單入單出差分放大電路的差模動態(tài)分析 與雙入單出的差模放大指標(biāo)相同 雙入雙出雙入單出單入雙出單入單出 輸入雙端輸入雙端輸入單入可轉(zhuǎn)單入可轉(zhuǎn)換為雙入換為雙入輸出C1和C2C1對地或C1和C2C1對地或之間輸出C2對地輸出之間輸出C2對地輸出發(fā)射極交流電位UeUe 0集電極雙出RL 2單出RL雙出RL 2單出RL負載電阻RL中點交流0RL中點交流0 5 差分放大電路動態(tài)差模工作狀態(tài)匯總 差模輸入電阻 輸出電阻 差模電壓增益 單端輸出 5 5 6差分放大電路的共模動態(tài)分析 共模輸入下的差分放大電路 共模抑制比 差分放大電路很難做到完全對稱 零點漂移也不能完全被克服 但將受到很大的抑制 差分放大電路抑制共模信號的能力 抑制零漂的能力 用共模抑制比來衡量 即 若雙入雙出差分放大電路完全對稱 則 若單端輸出 5 5 6差分放大電路的共模動態(tài)分析 5 5 7恒流源差分放大電路 功率放大電路的核心問題 輸出功率效率功率器件的散熱非線性失真 5 6 1概述 5 6互補功率放大電路 功率放大電路的分析方法 圖解法 5 6 1概述 導(dǎo)通角 360 效率 50 導(dǎo)通角 180 效率 78 5 導(dǎo)通角稍大于 180 效率 接近乙類 導(dǎo)通角 180 晶體管的工作狀態(tài) 為了降低靜態(tài)時的工作電流 晶體管從甲類工作狀態(tài)改為乙類或甲乙類工作狀態(tài) 但同時產(chǎn)生了失真問題 平均電流下降 靜態(tài)功耗雖然減小 但失真嚴重 晶體管乙類工作狀態(tài)失真嚴重 5 6 2乙類互補功率放大電路 為了解決乙類狀態(tài)下的失真問題 常采用乙類互補輸出電路 它是由一對特性一致的NPN和PNP晶體管 按射極輸出器的電路形式組合而成 乙類互補輸出級 1 電路組成 a b c 正負半周合成的波形圖 2 工作原理 正負半周波形合成的原理 因晶體管存在死區(qū) 若輸入信號小于開啟電壓 則晶體管不導(dǎo)通 所以乙類互補輸出電路在輸入信號正 負半周交替過零處 因晶體管存在死區(qū) 導(dǎo)致集電極電流為0 從而形成的非線性失真 稱為交越失真 uo 死區(qū) 3 交越失真 交越失真 輸入信號 輸出信號 交越失真的波形 3 交越失真 4 消除交越失真 甲乙類互補功率放大電路 為消除交越失真 可給晶體管稍稍加一點偏置 使之處于微導(dǎo)通狀態(tài) 消除死區(qū) 即工作在甲乙類工作狀態(tài) 只要一加入信號 晶體管立刻導(dǎo)通 1 輸出功率 輸入 輸出均為正弦波 負載上的最大不失真功率 忽略晶體管的飽和壓降時 5 乙類互補功率放大電路的參數(shù)計算 電源功率 晶體管的管耗 晶體管的管耗等于電源輸出功率與向負載提供功率之差 具有非線性的關(guān)系 2 管耗 最大管耗曲線 5 參數(shù)計算 對晶體管的管耗表達式求微分 可以得出 當(dāng)Uom 0 64VCC時 管耗的最大值為 對互補輸出級的一只晶體管 最大管耗 最大管耗曲線 5 參數(shù)計算 5 參數(shù)計算 3 效率 當(dāng)Uom VCC時效率最大 6 功率管的選擇 最大允許反向電壓U BR CEO兩只功放管中處于截止?fàn)顟B(tài)的管子將承受較大的管壓降 當(dāng)VT1飽和導(dǎo)通時 VT2管所承受最大管壓降為 2 集電極最大電流ICM 3 集電極最大功耗PCM VT1和VT2參數(shù)對稱 如電容C足夠大 兩管發(fā)射極的靜態(tài)電位可達VCC 2 計算方法可參照雙電源乙類互補對稱功率放大電路 5 6 3單電源互補功率放大電路 當(dāng)輸出功率較大時 要求輸出級功率晶體管提供較大的集電極電流iC 但大功率管的 值一般都不大 這就要求輸出級的前一級為它提供較大的基極電流驅(qū)動iB 即末前級也應(yīng)該是一個功率放大級 為了得到高的功率放大管 往往采用復(fù)合管 5 6 4復(fù)合管 組成復(fù)合管的條件 每只管都處于放大狀態(tài) 前一管的輸出電流和后一管的基極電流方向必須一致 四種類型的復(fù)合管 5 6 4復(fù)合管 由相同類型的晶體管組成的復(fù)合管 復(fù)合管的輸入電阻為 復(fù)合管的電流放大系數(shù)為 5 6 4復(fù)合管 由不同類型的晶體管組成的復(fù)合管 復(fù)合管的電流放大系數(shù)為 復(fù)合管的輸入電阻為 結(jié)論 由兩個相同類型的晶體管組成的復(fù)合管 其類型與原來相同 復(fù)合管的 1 2 復(fù)合管的由兩個不同類型的晶體管組成的復(fù)合管 其類型與前級晶體管相同 復(fù)合管的 1 2 復(fù)合管的 5 6 4復(fù)合管 例題 第一級 雙端輸入單端輸出的差放 第二級 以復(fù)合管為放大管的共射放大電路 第三級 準(zhǔn)互補輸出級 化整為零 識別電路 5 7集成運算放大器的參數(shù)和種類 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 集成運放在無外加反饋時 輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 通用型集成運放的Aud大都在80dB 100dB左右 2 差模輸入電阻rid rid是集成運放在輸入差模信號時的輸入電阻 3 共模抑制比KCMR 共模抑制比等于差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模電壓放大倍數(shù)Auc之比的絕對值 也常用分貝數(shù)來表示 5 7 1集成運算放大器的參數(shù) 4 輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂dUIO dT 由于集成運放的輸入級電路參數(shù)不可能完全對稱 輸入電壓為零時 輸出電壓不為零 輸入失調(diào)電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補償電壓 輸入失調(diào)電壓的溫漂是指溫度每變化1 時 輸入失調(diào)電壓的變化量 5 輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂dIIO dT 反映集成運放的輸入級差分對管輸入電流的不對稱程度 6 輸入偏置電流IB 輸入級差分對管輸入電流的基極 柵極 偏置電流的平均值 即 5 7 1集成運算放大器的參數(shù) 8 最大差模輸入電壓UIdmax UIdmax是不至于使輸入級差分管反向擊穿損壞的最大差模輸入電壓 9 3dB帶寬 當(dāng)頻率升高使Aud下降3dB時的信號頻率 11 單位增益帶寬fc 使Aud下降到1時所對應(yīng)的信號頻率 7 最大共模輸入電壓UIcmax UIcmax為輸入級能正常放大共模信號時 容許輸入的最大共模信號 5 7 1集成運算放大器的參數(shù) 1 幾種典型的通用型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 通用型 通用集成運放741內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2 幾種典型的高速 寬帶型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 高速和寬帶型 3 幾種典型的高精度 低噪聲型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 高精度低噪聲型 4 幾種典型的高輸入阻抗型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 高輸入阻抗型 5 幾種典型的低功耗型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 低功耗型 6 幾種典型的功率型運算放大器參數(shù) 5 7 2集成運放的種類 功率型 5 8集成運算放大器的使用注意事項 1 使用時必做的工作 1 使用運放前必須查閱有關(guān)手冊 辨認芯片管腳 以便正確連線 2 使用運放前用萬用表或測試設(shè)備對照管腳 測量運放有無短路和斷路現(xiàn)象 或用模擬集成電路測試儀器進行檢查 3 由于失調(diào)電壓及失調(diào)電流的存在 輸入為零時輸出不為零 對于內(nèi)部無自動穩(wěn)零措施的運放 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)可以考慮外加調(diào)零電路 使之在零輸入時得到零輸出 4 為了防止電路產(chǎn)生自激振蕩 應(yīng)在集成運放的電源端加上去耦電容或外接頻率補償電容 集成運放使用中損壞原因 1 輸入信號過大 使PN結(jié)擊穿 2 電源電壓接反或過高 3 輸出端直接接 地 或接電源 運放將因擊穿 輸出級功耗過大等因素而損壞 為使運放安全工作 保護措施如下 1 輸入保護 2 保護措施 2 輸出保護 3 電源端保護 輸出短路有R保護 同時規(guī)范運放的輸出幅度 使正向和反向的輸出幅度相等 如果電源電壓接反 二極管將處于反向狀態(tài)而截止 2 保護措施