集成电路3学习.pptx

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1、 集成运算放大器一般有两个输入端和一个输出端，几乎都存在一个将双端差分输入的信号转换为单端输出的问题,利用镜像电流源 可以使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的效果。双端变单端电路第1页/共135页有源负载的差分放大电路恒流源IEE决定工作点电流差分输入、差分输入、单端输出单端输出第2页/共135页差模输入信号产生的输出电流:第3页/共135页共模输入信号产生的输出电流:电路虽为单端输出，但具有双端输出的性能。与双端输出时共模电流为零是一致的第4页/共135页电平移动电路 电平移动的作用就是要把升高的电平降低或者把降低的电平升高，达到当输入信号为零电平时，为了使输出保持为零电

2、平输出为零电平的目的,并要求在直流电平移动的同时，交流信号不衰减。第5页/共135页1)电阻分压式电平移动电路2)恒流源电平移动电路3)PNP管电平移动电路4)二极管电平移动电路几种常用的电平移动电路：第6页/共135页1、电阻分压式电平移动电路直流直流交流交流 方法简单，但是在实现直流电平移动的同时，对交流信号进行了衰减，故在集成电路中不易使用第7页/共135页2.恒流源电平移动电路 恒流源的输出电流在电阻R1上产生恒压降IOR1 输出的直流电压比输入的直流电压降低了IOR1例1:第8页/共135页由于恒流源地交流电阻很大，输出交流电压v2v1，几乎不衰减。第9页/共135页 电流源在电路中

3、的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。例2:第10页/共135页 电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时,输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。第11页/共135页 中间级输入来自前级差放的集电极；中间级 T16、T17 组成复合管，IC13 作为其有源负载。8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。第12页/共135页3.5 集成运算放大器的输出级1)定义特殊工作场合：负载RL特别小1.概述以输出较大功率为目的的放大电路第13页/共135页 从能量控制和转换的角度看，功率放大器和其他的放大器没有本

4、质上的区别 在电源电压一定的条件下，输出尽可能大的信号功率和提供尽可能大的转换效率。功率放大器的输出电压和输出电流的幅度较大，管子一般工作在接近极限运用的状态第14页/共135页2)几个特殊问题(1)性能指标输出功率输出功率效率第15页/共135页(2)大信号（极限）状态功放管的安全问题:（ICM、PCM、V(BR)CEO）分析方法：大信号模型、图解法（求V o m）第16页/共135页(3)如何提高输出功率要求最佳负载第17页/共135页PT Po（即效率提高）电源功率PV一定时:第18页/共135页3)放大器的工作状态 根据在正弦信号整个周期内的三极管导通情况，可分为几个工作状态.乙类乙类

5、甲类甲类甲乙类甲乙类丙类丙类导通角等于180一个周期内均导通导通角大于180导通角小于180导通角等于360第19页/共135页第20页/共135页2、单管甲类功率放大器的分析第21页/共135页1)静态分析-直流功率分析直流电源提供的直流功率为ICQVCC 矩形ABCO的面积。集电极电阻RC的功率损耗为I2CQRC 矩形QBCD的面积。晶体管集电极耗散功率为ICQVCEQ 矩形AQDO的面积。第22页/共135页 输入信号为正弦波时，集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变 2)动态分析 第23页/共135页 共射放大电路输出功率小，效率低（25），不宜作功放。第24页/共135页 在理想

6、变压器的情况下变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线垂直于横轴且过(VCC，0)。第25页/共135页作出交流负载线RL等效到原边的电阻为第26页/共135页最大输出功率为三角形QAB的面积第27页/共135页当输入信号为正弦波，集电极电流也为正弦波时，直流电源提供的功率不变电路的最大效率为:第28页/共135页Q 应选在 MN 线段的中央，使 i C、v CE在信号正峰点时摆动到 M 点，负峰点时摆动到 N 点。3）输出功率和效率第29页/共135页放大器的集电极输出功率为第30页/共135页M、N点三极管集电极输出的交流电流和电压的幅度最大：集电极的最大输出功率第31页/共135页电源电

7、压的功率功放的最高效率第32页/共135页分析功放电路应注意的问题分析功放电路应注意的问题:(1)电路参数不能超过极限值放大管应工作在安全区（ICM、PCM、V(BR)CEO）(2)提高电路效率静态时电源提供的功率被放大器所消耗，并转化为热能形式消耗掉；甲类功放中，忽略管子的饱和压降且输出负载合理的理想条件下，理论效率最大也只能达到50%。动态时电源提供的功率的一部分为有用功率，输入信号越大传输给负载的功率越大。第33页/共135页(3)静态功耗注要是静态电流产生的，将工作点下移，输入信号为零时电源输出的功率等于零或很小；电路工作时具有特点电路工作时具有特点输入信号增大时电源输出的功率也随之增

8、大；第34页/共135页1.电路组成及工作原理 由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。第35页/共135页工作时工作时:T1和T2交替工作正、负电源交替供电输出与输入之间双向跟随。静态时静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。R T第36页/共135页(1)互补：第37页/共135页(2)对称：NPN、PNP 特性相同（对管）正、负电源相等第38页/共135页2.分析计算(1)图解分析（求 ）第39页/共135页第40页/共135页第41页/共135页(2)输出功率第42页/共135页最大不失真输出功率(3)效率第43页/共135页 管耗管耗P PT T：单个管子在半个周期内的管耗第4

9、4页/共135页 电源功率电源功率 效率效率 第45页/共135页3.功率BJT的选择（安全问题）3个极限参数：PCM、ICM、V(BR)CEO 最大最大管耗管耗 P PCMCM第46页/共135页 集电极最大电流集电极最大电流 I ICMCM 最大管压降最大管压降 V 0():第54页/共135页 使用单电源供电的输出级使用单电源供电的输出级 调整T3的静态偏置？第55页/共135页#在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容C C 才可充当负电才可充当负电源的角色？源的角色？电容C替代了另一电源第56页/共135页1)静态偏置 调整R1、R2阻值的大小，可使电容上电压第57页/共135页2)

10、动态工作情况输出级在接近充分运用状态下工作时第58页/共135页负载上得到最大的交流输出电压为负载上得到最大的交流输出电压为 第59页/共135页电路对静态工作点漂移影响的抑制作用 温度变化第60页/共135页单电源互补对称输出级电路与双电源互补对称输出级电路的功率计算公式基本相同，不同的是其中的直流电源VCC用1/2 VCC代替。第61页/共135页此路存在的问题：K点电位受到限制第62页/共135页3)带自举电路的单电源功放第63页/共135页将D点与电源分开，使VD 有提高的可能性第64页/共135页静态时静态时 C3 充电后，其两端有一固定电压VC3 比 K 点电位高当C3的容量足够大

11、时，在工作过程中此电压基本保持不变第65页/共135页#在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容 C C3 3 才能起到电源的作用？才能起到电源的作用？第66页/共135页动态时动态时 当输出电压向正方向升高时 D点电位就随之升高C3充当一个电源 保证了即使在饱和的条件下，K 点的电压能够到达接近于电源电压VCC。第67页/共135页双电源互补对称电路单电源互补对称电路第68页/共135页（1）负载电阻RL的值；（2）输出功率最大时电路的效率；电路中已知VCC=32V，设BJT的VCES=1V，ICEO=0，电路最大的不失真输出功率为7.03W，求：（3）BJTT1的最大管耗PT1及T1管耗最

12、大时的输出功率P0和效率（按和管子静态电流都近似为0进行计算）。例3.3第69页/共135页解:（1）负载电阻RL的值；第70页/共135页（2）输出功率最大时电路的效率第71页/共135页（3）最大管耗PT1、输出功率P0和效率第72页/共135页（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。电路中已知VCC 15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降VCES 3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL 4例3.4第73页/共135页解:（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率第74页/共135页因为V0Vi，所以V0m8V。（2）

13、若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。最大输出功率最大输出功率第75页/共135页 差模传输特性差模传输特性:指输出差模电流随差模输入电压变化的特性。差分放大电路的传输特性第76页/共135页(2)双端输出时(1)单端输出时的差模传输特性方程 第77页/共135页(3)差模特性曲线第78页/共135页集成运放的电压传输特性电压传输特性第79页/共135页第80页/共135页 输出电压与两输入端的电压之间存在线性放大关系，即集成运放的工作区域线性区域：线性区域：A VD:差模开环放大倍数第81页/共135页非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：+VOM或 -

14、VOM第82页/共135页1、输入失调电压定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。电路两边存在着不对称，使得零输入时(即静态时)双端差分放大器的失调差分放大器的失调:输出电压V0不等于零第83页/共135页 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。表征运放内部电路对称性的指标。一般运放：VI0 为 1 10 mV；高质量运放：VI0 为 1 mV 以下。输入失调电压输入失调电压第84页/共135页2、输入失调电流、输入失调电流 定义:当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差 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

15、程度。两管的不等第85页/共135页IB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。输入端引入电流IIO 第86页/共135页3、失调模型和调零电路、失调模型和调零电路加到差放两输入端间的总失调电压:第87页/共135页第88页/共135页 调节调零RW，改变两端发射极电位或集电极电阻，使静态工作时双端输出的电压减小到零。实用调零电路 发射极调零电路集电极调零电路第89页/共135页晶体管特性参数随温度的变化而变化，晶体管特性参数随温度的变化而变化，从而引起从而引起VIO和和IIO的漂移的漂移 VIO和和IIO随温度的变化率均分别与随温度的变化率均分别与VIO和和IIO

16、成正比。成正比。调零电路的调零不可能跟踪温度的变调零电路的调零不可能跟踪温度的变化，因此，调零电路可以克服失调，但化，因此，调零电路可以克服失调，但不不能消除温漂。能消除温漂。4、VIO和IIO的温漂第90页/共135页2)2)输入失调电流温漂输入失调电流温漂 I IIOIO定义：定义：一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。1)1)输入失调电压温漂输入失调电压温漂 V VIOIO 定义：定义：一般运放为 每度 10 20 V；高质量运放低于每度 0.5 V 以下；第91页/共135页 输出电压为0时，运算放大器的两个输入端的静态电流的差 在室温下（25C）以及标准电源电压下，输入电压为

17、0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压。1、输入失调电压VIO2、输入失调电流IIO第92页/共135页 开环电压增益是指运放没有反馈时的差模电压增益，即集成运算放大器的输出电压与差模输入电压的比值 3、开环电压增益 差模输入电阻是在运算放大器输入差模信号时，运算放大器的两个输入端看进去的等效电阻4、差模输入电阻第93页/共135页反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。5、转换速率（摆率）运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号能够达到的最大变换率称为转换

18、速率或者摆率，用SR表示，单位为V/u S。第94页/共135页 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。6、温度漂移1)输入失调电压温漂 2)输入失调电流温漂 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。第95页/共135页 7、最大差模输入电压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。8、最大共模输入电压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。第96页/共135页理想运放的技术指标理想运放的技术指标3.7集成运算放大器的基本应用

19、第97页/共135页第98页/共135页1)理想运放工作在线性区时的特点输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即第99页/共135页（1）理想运放的差模输入电压等于零开环电压增益无穷大，输出电压为有限值，故两个输入端的电压为无穷小，即两输入端电压差为零,可以视为短路“虚短”第100页/共135页(2)理想运放的输入电流等于零由于 Rid=，两个输入端均没有电流，即“虚断”第101页/共135页集成运放的传输特性2)理想运放工作在非线性区特点：(1)理想运放的输入电流等于零第102页/共135页第103页/共135页例如:F007的V o pp=14V，A o d 2 105 线性区

20、内输入电压范围3)线性区范围很小线性区非线性区 实际特性第104页/共135页1、反相放大器“虚短”:“虚地”:由由“虚短虚短”和和“虚断虚断”的模型：的模型：“虚断”:第105页/共135页反相放大器的电压增益反相放大器的电压增益:第106页/共135页 2、同相放大器 由由“虚短虚短”和和“虚断虚断”的模型：的模型：第107页/共135页同相放大器的输出电压与输入电压同相，放大器的放大倍数只与外加的电阻有关，与运算放大器无关反相放大器的电压增益反相放大器的电压增益:第108页/共135页集成运放读图方法了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和 技术指标。化整为零：将整个电路图分为各自具

21、有一定功能的 基本电路。分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性 能。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。定量计算：必要时可估算或应用计算机计算电路的 主要参数。根据电路图，分析其原理和功能、性能。跟着信号走！跟着信号走！第109页/共135页读图简单的集成电路运算放大器inout直接耦合 多级放大电路+-+-反相端同相端例3.5第110页/共135页inout直接耦合 多级放大电路差分输入级双入单出中间放大级复合管共射输出级 2级共集镜像电流源输入级偏置镜像电流源T5的偏置+-+-反相端同相端第111页/共135页（1）放大电路的直流分析已知：当vi1=vi2=0

22、时，v o=0；=100；VBE=0.7V。差分输入级第112页/共135页 中间放大级已知：当vi1=vi2=0时，v o=0；=100；VBE=0.7V 第113页/共135页已知：当vi1=vi2=0时，v o=0；=100；VBE=0.7V 输出级直流电平移动Vo=VB5-VBE5-VR5-VBE6=VB5-2VBE IC9R5第114页/共135页（2）放大电路的输入、输出电阻rbe1=rbe2=5.45k，rbe3=262k，=100r c e7=200k,第115页/共135页rbe4=rbe5=2.8k，rbe6=725第116页/共135页（3）放大电路的总增益第117页/共

23、135页第118页/共135页 通用型集成运放第119页/共135页第120页/共135页第121页/共135页LM741集成运放的简化电路=-2第122页/共135页 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。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。第123页/共135页双端输入、单端输出共集-共基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VBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级三级放大电路第124页/共135页 T7的作用：抑制共模信号 放大差模信号 T5、T6分别是T3、T4的有源负载

24、，而T4又是T6的有源负载。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。第125页/共135页 输出级分析D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。i0增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护T14。第126页/共135页集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题1.集成运放参数的测试 2.使用中可能出现的异常现象1)不能调零第127页/共135页2)漂移现象严重第128页/共135页3)产生自激振荡第129页/共135页3.集成运放的保护1)输入保护反相输入保护同相输入保护第130页/共135页2)电源极性错接保护第131页/共135页3)输出端错接保护利用稳压管保护运放第132页/共135页4)输出限流保护保护元件：VT1、VT2第133页/共135页正常工作时工作点在 A 点工作电流过大时，工作点经 B 移到 C 或 D 点。保护管工作特性第134页/共135页感谢您的观看。第135页/共135页