第六章 6[2].3-6.5集成运算放大器

第六章集成运算放大器6.3电流源电路6.4集成运算放大器介绍6.5集成运放的性能指标6.3电流源电路6.3.1镜像电流源电路IR＋UCCR2IBRL＋UCCIB1IB2IE1IE2IC1V1V2IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoIB2IDE1IE2V2VDE1(a)镜像电流源(b)镜像电流等效电路IC2＝Io图6–14镜像电流源及等效电路因为V1管的集电极和基极之间短路,所以V1管仅仅相当于一个由其发射结构成的二极管,将其记作VDE1,因此,图6-14(a)可以等效为图6-14(b)。由第一章公式(1-1)可知,PN结的伏安特性方程为。所以流过V1管与V21kTqUsDeII11111kTqUBEsDEeII12222kTqUBEsEeII2222222221212CCCBBCBEBDERIIIIIIIIIII当β2时,RUUIIIBECCRCR22又因为所以当UCCUBE2时,RUICCR当β2,UCCUBE2时,则RUIIICCRCo26.3.2IR＋UCCRRL＋UCCIC3＝IoIB1IB2IE3IC1V1V2(a)威尔逊电流源(b)威尔逊等效电路2IBV3IB3IC2IR＋UCC＋UCCIC3＝IoIE3V1V3IB3IDE2IE1IC1IB1VDE2RRL图6–15威尔逊电流源及等效电路12EDEII1111111121322CCBCBBEBDEBEIIIIIIIIIII3331EECIII1131221CCCIII3311CRBRCIIIII)2221(23RCoIII当(β2+2β+2)2时,RCoRCoIIIIII3322212当β=20时,威尔逊电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：%45.0442222222RRoRoIIIII%1.922222211RRCRCIIIII而图6-14的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：RUUUIIIBEBECCRCo23332ceorr6.3.3比例电流源IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoV1V2IE2Re1Re2IE1IB2图6–16比例电流源222111eEBEeEBERIURIU由于V1与V2的发射结都处于导通状态,其伏安特性曲线十分陡峭(因为发射区都是重掺杂的),发射结正偏压的微小变化,就会导致发射极电流的显著变化,所以,当IE1与IE2相差不大(小于10倍)时,对应的发射结正偏压UBE1与UBE2相差十分微小。因此,在的范围内,可以近似认为UBE1=UBE2，代入公式(6-47)得101.021EEII2211eEeERIRI(6-47)当β1时RBREoCBCEIIIIIIIII21222221eoeRRIRI21eeRoRRII111eCCeBECCRRRURRUUI所以在的范围内101.0RoII12121eCCeeReeoRRURRIRRI当时,上式不再成立,可用下式估算101.0RoRoIIII或oReTReeCoIInRUIRRII1221222221beeeceorRRrr6.3.4微电流源IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoV1V2IE2Re2IE1IB2图6–17微电流源2212eEBEBERIUU由电路图可知调节Re2的值,使UBE2UBE1，则IE2IE1。因为β1,所以122222211EBECoEEBIIIIIIII因为IB2IE2IE1，所以121EBERIIII把Io≈IE2,IR≈IE1代入IE2IE1得IoIR。正确地选取Re2的值,可以使Io达到微安量级,而此时IR仍然很大,所以限流电阻R=(UCC-UBE1)/IR不会太大。可见,该电路能够在R不太大的条件下,获得微小的输出电流。定量分析如下：22211121221,1SETBESETBEBEBEeEIInUUIInUUUURI21211EETBEBEIInUUU式中UT是温度电压当量；IS1与IS2分别是V1与V2发射结的反向饱和电流,由于V1与V2特性相同,所以(6-54)2121EETeEIInURI代入公式(6-54)得因为IE2≈Io,IE1≈IR,代入上式得oReTCoIInRUII122由电路图可得RURUUICCBECCR1(6-55)(6-56)【例4】在图6-17电路中,UCC=15V,IR=1mA,Io=IC2=10μA,常温下,UT=26mV,请确定Re2及R的值。解：由公式(6-55)得knIInIURoRoTe121010101110101026163632kIUIUURRCCRBECC151011531由公式(6-56)得6.3.5多路电流源IR＝706A1.5kIC3688AIC447A8.6A1.45k0.6AV2V3V40.5A1.74k42AIC1V1＝80696.5A8.6A图6–18多路电流源6.3.6作为有源负载的电流源电路IRRV3V1RLRbUs＋－UBBIC2V2＋UCC图6–19有源负载共射放大器【例5】图6-20是集成运放F007中的一部分电路,它们组成电流源电路(各元器件的编号均与F007电路图中的编号相同),试计算各个管子的电流,其中V12和V13是横向PNP管,β12=β13=2。V10和V11是NPN型管。解流过电阻R5的电流就是参考电流IR,即mARUUUUIBEBEEECCR73.0396.2851112V10、V11构成微电流源,根据式(6-55)得410101RIIInUCCRT即,IC10的单位为微安,利用作图法或试探法求得IC10≈28μA。V12和V13组成镜像电流源,由于β较小,则利用式(6–40)10107302613CCInI1213365.073.022221313CRCImAIIV13V11R5IRV12UCC＝15V39kR43kIC10－UEE＝－15VV10IC13图6-20F007中的电流源电路6.4集成运算放大器介绍集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为了抑制零点漂移,所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路,为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路(第九章讲)。－15VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3①③④⑤⑥ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5IR30pFR7R8V15V18V19V14VD1VD2R9R10⑦＋15V8②＋－uiIC1k50kRw3k39kC4.5k7.5k50k25kuo外接调零电位器输入级偏置电路中间级输出级9IC101k图6–21F007的电路原理图6.4.1偏置电路＋UCC－UEER5V11R4V10V12V13至中间级IR至输入级I34IC9V9V8IC8IC13IC10图6-22F007的偏置电路51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICC6.4.2输入级V8V9V2V4I34UoV61k50k1kV7V5V3V1＋15V－15VI＝ICIC9Ui1Ui21k10k10图6–23的输入级F007V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:910981234CCCCIIIIIIITCC(因为IC10是恒定电流)12CCII34CCII6.4.3中间级7.5kR84.5kR7R539kIR30pFV16V11V17V12V13IC133kV10Ui＋15V至输出级－15VV15图6–24F007的中间级6.4.4输出级和过载保护V15VD1VD2R7R8V16V17V18V19R10R9V14V13Ui＋15V－15VUo图6--25F007的输出级6.5集成运放的性能指标1.开环差模电压放大倍数AodAod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即idoodUUA对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍).理想集成运放odA2.最大输出电压Uop-p最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。如果F007电源电压为土15V时的最大输出电压为土10V，按Aod=105计算，输出为土10V时，输入差模电压Uid的峰一峰值为土0·1mV。输入信号超过土0.1mV时，输出恒为土10V，不再随Uid变化，此时集成运放进入非线性工作状态。用集成运放的传输特性曲线表示上述关系，如图6—26所示。集成运放的性能指标0.10.20.30.4Uid/mV－0.1－0.2－0.3－0.410－10线性区Uo/V＋－∞＋Uid0图6–26集成运放的传输特性集成运放的性能指标3.差模输入电阻ridrid的大小反映了集成运放输入端，向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2MΩ。理想集成运放idr集成运放的性能指标4.输出电阻roro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Iomax表示它的极限负载能力。理想集成运放5.共模抑制比CMRR共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路一样。CMRR愈大愈好。理想集成运放0orCMRR集成运放的性能指标6.最大差模输入电压Uidmax从集成运放输入端看进去,一般都有两个或两个以上的发射结相串联,若输入端的差模电压过高,会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏,PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏,如F007的Uidmax为±30V。集成运放的性能指标7.最大共模输入电压Uicmax输入端共模信号超过一定数值后,集成运放工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uicmax值为±13V。8.输入失调电压UIOUIO指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器),它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时,输出也为零,但实际中往往输出不为零,将此电压折合到集成运放的输入端的电压,常称为输入失调电压UIO。其值在1~10mV范围,要求愈小愈好。集成运放的性能指标(1)输入偏置电流IIB输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流,(2)输入失调电流IIOF007的IIB=200nA,IIO为50~100nA。121()2IBBBIII12IOBBIII9.输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO集成运放的性能指标IIB愈小愈好。IIO愈小愈好。它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响,使直流输出电压调至零伏,但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放可做到0.9μV/℃以下,可做到0.009μA/℃以下。F007的IodUdTIodIdTIodUdTIodIdT20~30/,1/IoIOdUdIVCnACdTdT10.输入失调电压温漂和输入失调电流温漂集成运放的性能指标在第三章“频率特性”中我们已讲过,随着输入信号频率上升,放大电路的电压放大倍数将下降,