第5章集成运算放大电路.

第5章集成运算放大电路5.1模拟集成电路简介5.2差分放大电路5.3电流源电路5.4集成运放电路简介5.5集成运放的主要参数及低频等效电路5.6集成运放使用5.1模拟集成电路简介一模拟集成电路的特点1、单个元件的精度不高，受温度影响也大，但是元器件的性能参数一致性比较好，对称性好。（差分放大电路）2、电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻构成，阻值范围为几十欧~20千欧左右。另外电阻值的精度不易控制，误差在20%~30%左右。3、电路中电容值也不大（几十PF），大电感也不易制造，通常直接耦合，因此存在温漂。4、常用二极管和晶体管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏置电流，二极管用晶体管的发射结代替。5、NPN管做成纵向管,β大，而PNP做成横向管β小而耐压值高，所以无法配对使用。如果要对称使用，通常用复合管电路二集成运放运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。5.2差分放大电路5.2.1差分式放大电路的一般结构5.2.2长尾式差分放大电路5.2.3恒流源差分放大电路零点漂移现象零点漂移:如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。a)温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流IC的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。b)电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。无论是温度变化还是电源波动，都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。一、差分放大电路的组成b、为克服温度漂移增加随温度变化的电源V。c、用和左边电路完全对称的电路代替电源V。d、图(c)电路射极电阻影响电路电压放大倍数。将两电阻合二为一。e、增加负电源解决电源和信号源不共地的问题。5.2.1差分式放大电路的一般结构输入信号i2i1id=vvv差模信号)(21=i2i1icvvv共模信号idod=vvvA差模电压增益icoc=vvvA共模电压增益icciddooo=vvvvvvvAA总输出电压其中ov——差模信号产生的输出ov——共模信号产生的输出共模抑制比反映抑制零漂能力的指标cdCMR=vvAAK根据2=idici1vvv2=idici2vvvi2i1id=vvv)(21=i2i1icvvv有共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。5.2.2长尾式差分放大电路•双端输入双端输出电路•双端输入单端输出电路•单端输入双端输出电路•单端输入单端输出电路（1）静态分析1.双端输入双端输出电路差分放大电路输入共模信号（2）动态分析icoccuuA=共模增益：cA在电路参数理想对称情况下：0cA•电路参数对称起互相补偿作用，抑制温度漂移。•Re对共模信号的负反馈作用，抑制温度漂移。差分放大电路加差模信号2、双端输入单端输出差分放大电路（1）静态分析(2)差模信号的等效电路（3）双端输入单端输出电路对共模信号的等效电路3单端输入双端输出电路(1)静态分析（略）（2)动态分析4单端输入单端输出电路1.电路组成及工作原理静态OCC2C121=IIIICE2CE1=VVCCV)V7.0(c2CCCRIVc2CRIEEVβIIICB2B15.2.3恒流源差分放大电路动态仅输入差模信号，i2i1vv和大小相等，相位相反。O2O1vv和大小相等，，0O2O1ovvv信号被放大。相位相反。2.主要指标计算（1）差模情况idod=vvvAi2i1o2o1vvvv接入负载时i1o122vvbecrRbeLcd)21//(=rRRβAv以双倍的元器件换取抑制零漂的能力A双入、双出3.主要指标计算（1）差模情况B双入、单出ido1d1=vvvAi1o12vvd21vAbec2rR接入负载时beLcd2)//(=rRRβAv3.主要指标计算（1）差模情况C单端输入eorr等效于双端输入指标计算与双端输入相同。3.主要指标计算（2）共模情况A双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以0oc2oc1ocvvv0icoccvvvA共模增益B单端输出icoc1c1vvvA抑制零漂能力增强icoc2vvobec2)1(rrRoc2rRorc1vA3.主要指标计算（2）共模情况（3）共模抑制比cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK双端输出，理想情况CMRK单端输出CMRKc1d1vvAAbeorr越大，CMRK抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidd1o1vvvvvKA例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益.解：求:mA1)V12(0c3C3RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3RIVVV。时，当，，均为硅管，、、V008050TTTOi321321vvβββ?mV5)3(;)2(;)1(Oi2d2e2CE2CE3EC23Cvvvvv时，当的值及、、、、AAARVVIII(1)静态k3.2mV26)1(200E33be3Ir(2)电压增益mA37.0c2BE3e3E3C2RVRIIV9V)7.0(1037.012V12E2c2C2CE2VRIVmA74.022C2E2EIIIk2.5k74.0121074.07.0)12(Ee1EEe2IRIVRk78.3mV26)1(200E22be2Irk3.245)1(e33be3i2RrR(3)50)(2)//(b1bei2c22d2RrRRβAv9.3)1()//(e33beL3c32RrRRβAv1952d2vvvAAAmV5.2)0mV5(21)(21i2i1icvvv差分电路的共模增益3.0)(2)1()//(e2e12b1bei2c22c2RRβRrRRβAvmV972)9.3(]5.2)3.0(550[)(2icc2idd22O2OvvvvvvvvAAAA共模输入电压不计共模输出电压时mV975Ov(4)时k12LR95.1)1()//(e33beL3c32RβrRRβAv5.972d2vvvAAA电流源是一个输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应，它是电子线路中广泛大量使用的单元电路。5.3.1镜像电流源5.3.2威尔逊电流源5.3.3微电流源5.3.4以电流源为有源负载的放大多路5.3电流源电路应用：（1）为集成运放各级提供小而稳的偏置电流（2）作为各级放大级的有源负载，提高电压增益优点：（1）用晶体管代替大电阻，节省硅片面积，降低成本（2）用较少的级数获得大的增益，由于级数减少和电路输出阻抗大，集成运放的消振问题容易振荡（3）由于放大管的集电极电流与集电极电位无关，电路可以在很快的电源电压范围内工作，而偏置电流基本不变简介5.2.1镜像电流源CCBCBECCRIIIIRUVI222RCIIRUVIIBECCRC12当时CCCIII10BBBIII1010基准电流一镜像电流源镜像电流源特点：结构简单，存在一定的温度补偿的作用存在的问题：（1）受到电源的影响大。当Vcc改变的时候，电流也随之改变（2）恒流的特性不够理想，当e-c极间电压发生变化的时候，Ic也变化（3）输出电流与基准电流接近，还相差2IB二精密镜象电流源（带缓冲）精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其精度提高了倍。由于有T3存在，IB3和将比镜象电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。精密电流源三、比例电流源0010011100eBECCREeeEEeEeERRUVIIRRIIRIRI5.2.2威尔逊电流源RCRCRCCRBCCCCBCECCBCEBEBECCRIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIRUUVI22)2()2()22(211)2(1)12(2222222201022122111221稳定性增强了eBEBEECRUUII101111lnCReTCIIRUI式中：基准电流RUVIBECCR05.2.3微电流源TTe)1(eSSUUUUBBEBEIII可以提供μA级或更小的电流一、基于比例电流源的多路电流源5.2.4以电流源为有源负载的放大多路二、多集电极管构成的多路电流源三、MOS管多路电流源F007中的电流源电路一集成运放电路的组成1.输入级：要求其输入电阻高，抑制共模能力强，差模放大倍数大。2.中间级：要求放大倍数大。多采用共射（或共源）电路，并采用复合管做放大管，用恒流源做集电极负载。3.输出级：要求输出电压线性范围宽，输出电阻小（带负载能力强）和非线性失真小。4.偏置电路：偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。集成运放采用电流源电路为各级提供集电极（或发射极、漏极）静态工作电流。5.4集成运放电路简介4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。二集成运放电路的电路构成1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。三集成运放是一种高性能的直接耦合多级放大电路，该产品的种类繁多，但每种的基本组成、结构形式、组成原则都一致。下面以通用运放F007为例加以说明，其电路原理图及放大部分电路如图所示：型号为F007的通用型集成运放对于集成运放电路，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。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。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UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级三级放大电路四、集成运放的符号和电压传输特性线性放大区)(NPodOuuAu在线性放大区，有odA为运放的差模开环放大倍数。OMOuu在非线性放大区，有OMOuu或(a)(b)模拟集成放大器的符号(a)国家标准符号(b)原符号运算放大器的电路模型图2.1.3运算放大器的电路模型通常：开环电压增益Avo的105（很高）输入电阻ri106Ω（很大）输出电阻ro100Ω（很小）vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）注意输入输出的相位关系一、运算放大器的静态技术指标1.输入失调电压UIO：(inputoffsetvoltage)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。是表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电流IIO：(inputoffsetcurrent)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程度。5.4集成运放电路的性能指标及低频等效电路3.输入偏置电流IIB:(inputbiascurrent)输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流