模拟电子技术第4章集成运算放大器

集成运算放大器是一种高增益的多级直接耦合放大电路。本章主要介绍集成运放内部电路的一般组成、电流源电路、差动放大电路的基本工作原理，以及集成运放的主要技术性能指标。集成运放内部电路具有以下特点1级间采用直接耦合方式。2尽可能地用有源器件代替无源器件，利用晶体管代替较大的电阻。3尽量采用对称性电路结构，保证器件参数的一致性，提高电路的性能指标。集成运放的分类通用型集成运放：各种性能参数取值适中，适用于一般应用场合。专用型集成运放：突出一项或几项指标要求，如高输入电阻型、低功耗型等。通用型集成运放的内部由4个部分组成，即输入级、中间级、输出级和电流源电路（偏置电路和有源负载），如图4-1所示。输入级中间级输出级电流源图4-1通用型集成运放内部电路的一般组成图4-2(a)是一个由BJT构成的电流源电路。即使A端电位在较大范围内变化，电流IC也基本不变。这种电路可以等效为一个高内阻的电流源元件，如图4-2(c)所示。图4-2分立元件电流源电路-VEEARB1RB2REIC(a)ISIrS(c)采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。下面讨论几种常见的电流源。4.2.1镜像电流源RIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2A镜像电流源如图4-3所示。晶体管VT1、VT2的性能参数具有很好的对称性，即IB1=IB2=IB，β1=β2=β，IC1=IC2=IC。由图4-3可知，IC1=IR-2IB=IR-2IC1/β，而基准电流IR=（VCC-VBE）/R，所以有C2C1R2III图4-3镜像电流源电路(4-1)当β2时，VCCCCBECCC2C1RVVVIIIRR从上式可以看出，当R确定后，IR就确定了，IC2也随之确定，把IC2看作IR的镜像，所以称图4-3为镜像电流源。I1在图4-3所示电路中，当β不够大时，IC2就与IR存在一定的差别，为了弥补这一不足，在电路中接入VT3，如图所示。CCBER2VVIR带缓冲级的镜像电流源电路（补充）E3C2C1RB3RBRR121IIIIIIIIIRIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2VCCVT3IB3bebe可见，利用缓冲级VT3的电流放大作用，减小了IB对IR的分流作用，从而提高了IC2与IR互成镜像的精度。我们也可以用一个基准电流产生多个电流源。如图4-4所示的电路就是一个3路镜像电流源。C2C3C4C1RIIIII图4-43路镜像电流源E5C1RB5RRBR411IIIIIIIIRIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2A1IB3IC3VT3IB4IC4VT4VT5IE5IB5A2A3oooVCC由于参数的一致性，IB1=IB2=IB3=IB4=IB，即IE5=4IB，故∴4.2.2比例电流源BE1E1E1BE2E2E2VIRVIR图4-5比例电流源电路(4-5)VCCRIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2ARE1RE2IE1IE2++--VBE1VBE2∵VT1、VT2的基极对地电位相等。根据发射结电流方程,有E1BE1TS1lnIVVIBET/ESVVIIeE2BE2TS2lnIVVI(4-6)(4-7)E1E2BEBE1BE2TTS1S2S2E1TE2S1lnlnlnIIVVVVVIIIIVII(4-8)∴∴4.2.2比例电流源图4-5比例电流源电路VCCRIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2ARE1RE2IE1IE2++--VBE1VBE2E1E2BEBE1BE2TTS1S2S2E1TE2S1lnlnlnIIVVVVVIIIIVII(4-8)∴由于参数对称性IS1=IS2，故若两管射极电流比例在10倍以内，则在室温下，E1BETTE2lnln10262.360mVIVVVI两管VBE相差60mV，不到VBE（约0.7V）的10%。因此，可近似地认为VBE1=VBE2，由(4-5)式E1E1E2E2IRIR(4-9)4.2.2比例电流源图4-5比例电流源电路VCCRIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2ARE1RE2IE1IE2++--VBE1VBE2E1E1E2E2IRIR(4-9)E1E2E2E1IRIR(4-10)因为IE1≈IR，IE2≈IC2，所以E1C2RE2RIIRCCBE1RE1VVIRR(4-11)(4-12)其中思考题：多路电流源电路如图所示。已知各BJT的参数、VBE的数值相同，求各电流源IC1、IC2及IC3与基准电流IR的关系。ReC1E1e1IRIIREeE1e1E2e2E3e3ReIRIRIRIRIRIC=IR-ΣIB/(1+β)，当β较大时，有IC≈IR∴RIRICIBIB1IC1VTVT1A1IB2IC2VT2IB3IC3VT3VT0IE0IB0A2A3oooVCCReRe1Re2Re3由于各管的β、VBE相同，则ReC2E2e2IRIIRReC3E3e3IRIIR当IR确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不同比例的输出电流。4.2.3微电流源图4-6微电流源电路BE1BE2E2E2VVIR利用两管基—射极电压差△VBE可以控制输出电流IC2。由于△VBE的数值很小，故用阻值不大的Re2即可获得微小的工作电流，称为微电流源。BE1BE2BEE2C2E2E2VVVIIRR镜像电流源和比例电流源适用于较大工作电流（毫安量级）的场合，若需要减少IC2的值（例如微安级），必然要求基准电阻R的值很大，而在集成电路中制作大电阻很不方便。因此，需要研究改进型的电流源。若将图4-5所示中的RE1短路，就成为一个微电流源电路，如图4-6。RIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2ARE2IE1IE2++--VBE1VBE2VCC∴(*)将(4-8)式代入(*)式，得到4.2.3微电流源图4-6微电流源电路33TRE266C2C22610110lnln12k10101010VIRIITRC2E2C2lnVIIRI上式为一个超越方程，不可能解出IC2。但是，若给定IR=(VCC-VBE1)/R和IC2的值，可以选择RE2(4-14)RIRIC1IB1IB2IC2VT1VT2ARE2IE1IE2++--VBE1VBE2VCC因为β1，则IR≈IE1，IC2≈IE2，所以BE1BE2TE1E2E2E2E2lnVVVIIRRI已知VCC=9V，VBE1=0.7V，要使IR=1mA,IC2=10μA，求R和RE2的值。CCBE13R90.78.3k110VVRI4.2.4集成有源负载放大电路在选择共射放大电路的集电极电阻RC时，常常遇到这样的矛盾：为了获得较大的电压增益，必须选用较大阻值的RC。但增大RC，必然使RC上的直流压降增大。为了保证BJT的的动态范围，需要提高电源电压。很高的电源电压又会增大电路功耗和必须提高BJT的耐压参数等。VCEQ=VCC-ICRCVCCVCC/RCCLLVbebe//RRRArrQ因此，通过选用阻值很大的RC来提高电压增益的方案是行不通的。集成电流源的伏安特性曲线如图4-8(a)所示。由图看出，电流源的动态电阻很大，而静态电阻较小。因此，在放大电路的交流通路中，利用其动态电阻大的特点可以提高电压增益；在放大电路的直流通路中，利用其静态电阻小的特点，使直流压降较小，不需要提高电源电压。采用电流源作为集电极负载（或射极负载）的放大电路称为BJT有源负载放大器。有源负载共射放大电路如图4-8(b)所示。RVT1VT2VT3+VCCvivo图4-8(b)有源负载共射放大电路VT2与VT3构成镜像电流源VT3为VT1的有源负载放大管VT1为基极输入——集电极输出结构，构成共射放大电路，输出电压与输入电压反向。集成电流源的伏安特性曲线如图4-8(a)所示。由图看出，电流源的动态电阻很大，而静态电阻较小。因此，在放大电路的交流通路中，利用其动态电阻大的特点可以提高电压增益；在放大电路的直流通路中，利用其静态电阻小的特点，使直流压降较小，不需要提高电源电压。采用电流源作为集电极负载（或射极负载）的放大电路称为BJT有源负载放大器。有源负载共射放大电路如图4-8(b)所示。RVT1VT2VT3+VCCvivo图4-8(b)有源负载共射放大电路VT2与VT3构成镜像电流源VT3为VT1的有源负载放大管VT1为基极输入——集电极输出结构，构成共射放大电路，输出电压与输入电压反向。4.3.1直接耦合放大电路的零点漂移问题当直接耦合放大电路输入电压信号为零时，放大器的输出端静态直流电位Vo漂移不定，即在预期的输出直流电位的基础上，产生无规则、缓慢的变化。这种现象称为放大电路的零点漂移现象。VT1VT2RB1RC1RC2+VCCRSREvi=0vo图4-9直接耦合放大器的零点漂移电源电压波动、器件参数改变、温度的变化都可以产生零点漂移，其中温度的变化是产生零点漂移的主要原因。因此，将零点漂移又称为温度漂移，简称温漂。温漂带来的危害主要有两方面：其一，导致工作点偏离，使放大器输出产生非线性失真；其二，使放大电路丧失放大微小信号的能力。因为输出温漂信号混杂在被放大的有用信号之中，当有用的输出信号与输出端的温漂大小相当时，有用的输出信号将会被输出温漂所“淹没”。为了抑制温漂，提出了差动放大电路。4.3.2差动放大电路的工作原理与性能分析差动放大电路如图4-10所示。该电路的特点是电路两侧元件参数对称，两个发射极相连并由公共发射电阻RE将他们耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大电路。电路采用双电源供电，VCC的负端和VEE的正端连在一起，作为公共电位。vo1vo2voRCRCvi1vi2viVCCVEERE图4-10基本差动放大电路图4-10所示的电路有两个输入端和两个输出端。这个特点使该电路的使用分为多种情况。从输入方式看：输入信号可以分别由两个输入端对地加输入信号vi1和vi2，称为双端比较输入。若其中一个信号为零（接地）时，则称为单端输入；也可以将输入电压信号vi加在两个输入端之间（浮地），则称为双端差模输入（或浮地输入）。从输出方式看：可以从一个输出端对地接负载电阻，称为单端输出；也可以在两个输出端之间接负载电阻，称为双端输出（或浮地输出）。vo1vo2voRCRCvi1vi2viVCCVEERE图4-10基本差动放大电路4.3.2.1静态分析当vi1=vi2=0时，即两个输入端对地短路时，差动电路处于静态。此时公共射极电位VE=-VBE≈-0.7V，流过RE的电流vo1vo2RCRCvi1vi2VCCVEERE图4-10基本差动放大电路EEEEEEE0.7VVVIRR(4-16)CQ1CQ2EQ1EQ20.5IIIII(4-17)CEQ1CEQ2CCCQ1C0.7VVVIR(4-18)CQ1CQ2CCCQ1CVVVIR由于两侧对称，所以集电极电位(4-19)静态时由于电路的对称性，两个输出端的直流电位相等，即使温度发生变化，由于温度变化对两侧电路的影响是相同的，故两个输出端的直流电位相等关系仍能保持。可见，差放电路的对称性越好，对双端输出时温漂的抑制能力越强。IIEQ1IEQ2ICQ1ICQ2思考题：电路如图所示。Re1=Re2=100Ω，BJT的β=100，VBE=0.6V。求(1)Q点(IB1、IC1、VCE1)；(2)当vi1=0.01V、v2=-0.01V时，求输出电压vo=vo1-vo2的值；(3)当C1、C2间接入负载电阻RL=5.6kΩ时，求vo的值；(4)求电路的差模输入电阻Rid、共模输入电阻Ric和输出电阻Ro。(1)求静态工作点vo1vo2voRC1RC2vi1+--+Re1ic+VCC5.6k5.6k-+vi2Re2100roIo=