模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行-PPT课件-第四章

第四章集成运算放大电路4.1集成放大电路的特点4.2集成运放的基本组成部分4.3集成运放的典型电路4.4集成运放的主要技术指标4.5理想运算放大器4.6各类集成运放的性能特点4.7集成运放使用中的几个具体问题4.1集成放大电路的特点集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。5.集成电路中的NPN、PNP管的值差别较大，通常PNP的≤10。4.2集成运放的基本组成部分实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图4.2.1集成运算的基本组成输入级中间级输出级偏置电路4.2.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。一、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2RUVI1BECCREF基准电流由于UBE1=UBE2，VT1与VT2参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=ICC2REFBREF1C2C22IIIIII所以211REF2CII当满足2时，则RUVII1BECCREF2C图4.2.2+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，则22E11ERIRI忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图4.2.3比例电流源三、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2UBE1，且IC2IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。图4.2.4微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系e2Ce2E2BE1BERIRIUU因二极管方程TTUUUUIIIBEBEeeSSC)1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln2S1SIIe2C2C1CTlnRIIIU若IC1和IC2已知，可求出Re。图4.2.4微电流源4.2.2差分放大输入级输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式基本形式长尾式恒流源式一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uIdId21uId21u+uoR1R2假设电路完全对称当uId=0，时UCQ1=UCQ2UO=0图4.2.6差分放大电路的基本形式2.电压放大倍数VT1和VT2基极输入电压大小相等，极性相反，——称为差模输入电压(uId)。在差模信号作用下：Id1u1CΔ21ΔuAuIdCΔΔuAuu1221Id12CC1oΔΔΔuAuuuu差模电压放大倍数为1IdodΔΔuAuuA3.共模抑制比差分放大电路输入电压差模输入电压uId共模输入电压uIc(uIc大小相等，极性相同)+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模电压放大倍数：IcocΔΔuuAAc愈小愈好，而Ad愈大愈好图4.2.7共模输入电压共模抑制比KCMRcdCMRlg20AAK(1)KCMR描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；(2)理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=∞。(3)基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。1.电路组成+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uIdId21uId21u+uoRRVEEReRe称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。Re愈大，共模负反馈愈强。Ac愈小。每个管子的零漂愈小。对差模信号无负反馈。图4.2.8长尾式差分放大电路2.静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uIdId21uId21u+uoRRVEERe当uId=0时，由于电路结构对称，故：IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，1=2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则eBEQEEBQ)1(2RRUVIICQIBQ)(BQBQ对地RIUcCQCCCQRIVU(对地)图4.2.8长尾式差分放大电路3.动态分析RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI22LR2LRbe1I1BΔΔrRui1B1CΔΔii1IbeLCLc1C1CΔ2//2//ΔΔurRRRRRiu则2IbeLCLc2C2CΔ2//2//ΔΔurRRRRRiu同理图4.2.8长尾式差分放大电路的交流通路图4.2.10接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2LRRWVEE+VCCRe输出电压为)Δ(Δ2//ΔΔΔ2I1IbeLCC21COuurRRRuuu差模电压放大倍数为beLC2I1IOd)2//(ΔΔΔrRRRuuuA差模输入电阻为差模输出电阻为)(2beidrRRco2RR三、恒流源式差分放大电路用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.电路组成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。图4.2.13恒流源式差分放大电路2.静态分析当忽略VT3的基极电流时，Rb1上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3)(EECC2b1b1b1bVVRRRUR于是得到CQ3CQ2CQ121IIIC1CQCCCQ2CQ1RIVUU11CQBQ2BQ1IIIRIUU1BQBQ2BQ1e3BEQEQ3CQ31bRUUIIR图4.2.13恒流源式差分放大电路3.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为beLC2I1IOd)2//(ΔΔΔrRRRuuuA差模输入电阻为差模输出电阻为)(2beidrRRco2RR四、差分放大电路的输入、输出接法有四种不同的接法差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。1.差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+beLCd)2//(rRRRA)(2beidrRRco2RR图4.2.16(a)差分输入、双端输出2.差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uououO约为双端输出的一半，即beLCd)//(21rRRRA)(2beidrRRcoRR若由VT2集电极输出，uO为“正”。图4.2.16(b)差分输入、单端输出3.单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+单端输入则当共模负反馈足够强时，IEΔ21ΔuuIEI1BEΔ21ΔΔΔuuuuIE2BEΔ21Δ0Δuuu三极管仍然基本工作在差分状态，所以；beLCd)2//(rRRRA；)(2beidrRRco2RR图4.2.16(c)单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+；beLCd)//(21rRRRA；)(2beidrRRcoRR若改从VT2集电极输出，则；beLCd)//(21rRRRA这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。图4.2.16(d)单端输入、单端输出结论(1)双端输出时，Ad与单管Au基本相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。(2)双端输出时，理想情况下，KCMR→；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。(3)单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。(4)单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。(5)单端输出时，Rid2(R+rbe)。差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdbeLC)2//(rRRRbeLcrRRR)2//(beLcrRRR)//(21beLcrRRR)//(21KCMR很高很高较高较高Rid)(2berR)(2berR)(2berR)(2berRRoc2Rc2RcRcR差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。1.Ad约为双端输出时的一半。2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于将单端输入转换为双端输出。1.Ad约为双端输出时的一半。2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。4.2.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的一、有源负载图4.2.17有源负载单管共射放大电路VT1：放大三极管；VT2：有源负载；VT3、VT2镜像电流源。+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。基准电流RUVI3BECC有源负载的差分放大电路放大电路采用差分输入、单端输出；工作电流由恒流源I决定；输出电流io=ic4ic2=2ic4+VCCVT1VT4VT3+uIioVT2IVEEic3ic1ic4ic2该电路有相当于双端输出时的io，在集成运放中的应用十分广泛。图4.2.18有源负载的差分放大电路二、复合管优点可以获得很高的电流放大系数；提高中间级的输入电路；提高了集成运放总的电压放大倍数。复合管的构成：+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1由两个或两个以上三极管组成。复合管共射电流放大系数值BCΔΔii因为由图可见2B21B12C1CCΔΔΔΔΔiiiii1B11E2BΔ)1(ΔΔiii1BBΔΔii图4.2.192B21211B21B1CΔ)(Δ)1(ΔΔiiii+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1则212121BCΔΔii所以　　　三极管输入电阻rbe2be11beBBEbe)1(ΔΔrriur其中])1([ΔΔΔΔ2be11be1B2be2B1be1BBErriririu