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模拟电子技术基础

模拟电子技术基础. 课件制作：. . 郑恒秋. §4.3 集成运放电路简介. 从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大器。 一、双极型集成运放 1 、 F 007( A 741) 电路分析 2 、 F 324( LM 324) 电路分析 二、单极型集成运放. 一、双极型集成运放. 1 、 F007( A741) 电路分析. ⑴ 电路结构 由二大部分组成，一部分是偏置电路，一部分是放大电路。 偏置电路由电流源完成。 R 5 中的电流为偏置电路的基准电流。 T 10 与 T 11 构成微电流源：

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Presentation Transcript

  1. 模拟电子技术基础 课件制作：  郑恒秋

  2. §4.3 集成运放电路简介 • 从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大器。 • 一、双极型集成运放1、F007(A741)电路分析2、F324(LM324)电路分析 • 二、单极型集成运放

  3. 一、双极型集成运放 • 1、F007(A741)电路分析

  4. ⑴电路结构 • 由二大部分组成，一部分是偏置电路，一部分是放大电路。 偏置电路由电流源完成。R5中的电流为偏置电路的基准电流。 T10与T11构成微电流源： IC10=IC9+IB3+IB4 T８与T９构成镜像电流源，为第一级提供静态电流。 T１３与T１２构成镜像电流源，为第二、三级提供静态电流。 　

  5. 放大部分如下图所示： 显然，放大电路可分成输入级、中间级和输出级三部分。

  6. ①输入级由T1~T９组成，是一个共集－共基组合双端输入、单端输出的差分放大电路。T1和T2组成的共集差分放大电路与T３和T４组成的共基差分放大电路之间是直接耦合。T５、 T６和T７组成的加射极输出器的比例电流源是该级的有源负载。 • ②中间级是由复合管T1６和T１７组成、以恒流源做有源负载的共射放大电路。

  7. ③输出级由T１４、 T１８和T１９组成准互补输出电路，T１5和R７、R8组成UBE倍增器，设置静态偏置，以消 除交越失真。D1、D2、R9和R10组成过流保护电路。原理是：uR7+uD1=uBE14+iOR9正常情况下， uD1<Uon， D1截止。过流时， D1导通，为T１４基极分流，保护T１４。 • 　此外，电容C起相位补偿作用。　　　　电位器Rw用于调零。

  8. ⑵静态分析 • 我们已经求出了IR=0.73mA，IC10=28A， • IC12=IC13=0.365mA，现在求其它电流。 • ①

  9. T8和T9组成镜像电流源，基准电流是2IE1 把⑵、⑶式代入⑴式，得：

  10. ② ③已知1= 2=150 ④UBE倍增器 因此，T14、T18处于临界导通状态。

  11. ⑶交流性能分析，先看第一级： • 根据电流源一节的分析，IO1=2  IC4

  12. 再看第二、三级，设R9+RL=2K，16=100， 17= 14=150，rce17=rce13=274K  • 画出交流等效电路图：

  13. 2、F324(LM324)电路分析 • F324是四通用运算放大器，其特点是既可以单电源（3—30V）工作，又可以双电源(±1.5--- ±15V)工作，而且静态功耗小。电路如图：

  14. 基准电流IR来源于内部专门的基准电流源电路。基准电流IR来源于内部专门的基准电流源电路。 • 多集电极晶体管T11、T12和T13利用集电区面积不同而构成比例电流源，为第一、二级提供静态电流，T19和T20管构成镜像电流源，为末级提供静态电流。除去偏置电路后的电路图如下，由输入级、中间级和输出级组成。

  15. 输入级是共集---共射组合双端输入、单端输出的差分放大电路。输入级是共集---共射组合双端输入、单端输出的差分放大电路。 • 中间级是共集---共射组合放大电路。 • 输出级的工作情况与使用的电源有关。 • 在单电源供电的情况下，输出级是由T8和T9复合构成的射极输出器，50µA电流源为它提供静态电流。这时，T7管的集电极电位为： • uC7=uBE8+ uBE9+ uR2+ uO • 所以，T10管发射结反向偏置， T10管截止。 • 静态时，应使uO=VCC/2，通过输入端加偏置来实现。 • 当双电源供电时，输出级的工作情况与F007相同。 • R2的作用有二个，一是补偿输出级中NPN管与PNP管的不对称，二是与T21管组成正向过流保护电路。 • 电容C起相位补偿作用。

  16. 二、单极型集成运放 • 当要求高输入电阻时，应使用场效应管构成的运算放大器。CMOS集成运放的输入电阻可高达1010以上。C14573是四运放集成电路，原理图如下： • 它全部由增强型MOS管组成。T1、T2和T7构成多路电流源，为放大电路提供静态电流。其基准电流IR由外接电阻决定，一般选20---200A。

  17. 它全部由增强型MOS管组成。T1、T2和T7构成多路电流源，为放大电路提供静态电流。其基准电流IR由外接电阻决定，一般选20---200A。它全部由增强型MOS管组成。T1、T2和T7构成多路电流源，为放大电路提供静态电流。其基准电流IR由外接电阻决定，一般选20---200A。

  18. 把偏置电路简化后，放大部分的电路图如下 ：

  19. 由图可知，C14573有二级放大。 • 第一级是由P沟道管T3和T4构成的双端输入。单端输出的共源差分放大电路。T5和T6组成的电流源做有源负载。 • 第二级是共源放大电路，放大管是N沟道管T8，其漏极带有有源负载。输出电阻大，带负载能力差。 • 电容C起相位补偿作用。

  20. §4.4 集成运放的基本知识 • 一、性能指标二、低频等效电路三、封装形式四、分类

  21. §4.4集成运放的基本知识 • 一、性能指标 • 1、最大额定值 • 2、电气特性⑴输入特性⑵输出特性 ⑶动态特性

  22. 一、性能指标 • 1、最大额定值 • ①电源电压，最大允许的安全电源电压，一般±15V。 • ②耗散功率，在规定的温度范围内工作时，安全 耗散的功率。 • ③工作温度范围： 商品级：0°C----+70°C工业级： -25°C----+85°C军用级： -55°C----+125°C • ④最大差模输入电压, Uidmax，太大会击穿PN结。 • ⑤最大共模输入电压, Uicmax，超过一定值后不能正常工作。 • ⑥输出短路持续时间，输出接到任一电源上，所能承受的时间。

  23. ②输入失调电压的温度系数dUIO/dT，V/ °C， 失调电压是可以补偿的，但漂移不能补偿。 • ③输入偏置电流IIB，两输入端输入电流的平均值，IIB=0.5(IB1+IB2)。 • ④输入偏置电流IIB的温度系数d IIB/dT。 • ⑤输入失调电流IIO，输出为零时，流入两输入端的 电流差， IIO=IB1-IB2 • ⑥输入失调电流IIO，的温度系数dIIO/dT。 • ⑦差模输入电阻rid，一般几十K 到几M。 • ⑧共模抑制比KCMR。 • 2、电气特性⑴输入特性 • ①输入失调电压UIO，为使静态为零时，运放两输入端必须外加的直流补偿电压。

  24. ⑵输出特性 • ①输出电压摆幅UOP，不削波情况下的最大峰值电压。 • ②输出电阻rO。 • ③输出短路电流，内部限流。 • ⑶动态特性 • ①开环差模电压放大倍数Aod。 • ②-3dB带宽fH，上限截止频率。 • ③单位增益带宽fC，与晶体管的fT类似。 • ④转换速率（压摆率）SR，大信号条件下，输出电压变化的最大速率。 SR=|duO/dt|max • ⑤建立时间tS，放大器加阶跃信号后，电压达到规定精度范围以内的最终电压所需要的时间。

  25. 二、低频等效电路 • 因为运放有二个输入端和一个输出端，所以一般情况下用一个三角形表示运算放大器，如下图所示。而且，只标出二个输入端和输出端，其它如电源端、调零端等一般不画出，只有在需要时才标出。

  26. 运算放大器的低频等效电路如下图。 • 输入端等效为一个差模输入电阻rid， 理想运放的rid=。 • 输出端等效为一个压控（uI=uP-uN)电压源AoduI，内阻为rO。对于理想运放Aod= ， rO=0

  27. 三、封装形式 • 集成运放有金属圆形封装和双列直插封装两种形式。双列直插封装形式较多。 • 双列直插封装有8、10、12、14、16管脚等，材料大部分为塑料，有一些性能要求高的采用陶瓷材料。

  28. 前面介绍过的741运放的管脚排列如下：

  29. 324运放的管脚排列如下：

  30. 四、分类 • （一）、通用型 • 通用型运放的特征为：单位增益带宽fC在1MHz---3MHz范围，可在±5~ ±20V电源电压范围内工作，通常有内补偿电路，这类的典型运放为单运放A741，双运放A747，四运放LM324，做一般用途。 • （二）特殊型（专用型） • 1、高速型，反应速度快，用于高速A/D，D/A转换，高速采样—保持电路等。主要用单位增益带宽、转换速率和建立时间来体现。 • 如3554，转换速率SR=1000V/S，单位增益带宽fC=1.7GHz，建立时间tS=150nS(0.1%精度）。

  31. 2、高阻型，要求输入差模电阻不小于109，主要措施 是在输入级采用结型或MOS型FET。例如CA3140，Ri=1.5T =1.51012 。 • 3、高压型，有较高的输出电压，例如3583，电源电压 最高为±150V，输出电压的峰值为±140V。 • 4、大功率型，例如MCEL165，在18V电压下，可输出3.5A电流。 • 5、低功耗型，主要用在要求微电流的军事和空间技术 中。如CA3078，在±6V电源电压时，电源电流是20 A。 • 6、高精度型 ，又叫仪用型 • 适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。例如CAW5037，UIO=10 V，其温漂为0.2 V/ °C，IIO=7nA，等效输入噪声电压密度为3.5nV/Hz，电流密度约为1.7pA/ Hz，Aod=105dB。

  32. 除了通用型和特殊型运放外，还有一类运放是为完成某种特定功能而生产的，例如仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器、对数／反对数放大器等等。随着EDA技术的发展，人们会越来越多地自己设计专用芯片。目前可编程模拟器件也在发展之中，人们可以在一块芯片上通过编程的方法实现对多路（如 16路）模拟信号的各种处理，如放大、有源滤波、电压比较等。 • 这些集成电路的一部分在后面几章中介绍。

  33. 作业 • P205 4.13 • P206 4.17

  34. 休息

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