模拟电子线路PPT教案课件-第5章 集成运算放大电路.ppt

1,模拟电子线路,南京邮电大学,2,第五章 集成运算放大电路,3,第5章 集成运算放大电路,5.1 集成运算放大电路的特点,5.2 电流源电路,一、镜像电流源(current mirror),二、比例电流源,三、微电流电流源(widlar current),四、威尔逊电流源,5.3以电流源为有源负载的放大电路,4,5.4 差动放大电路(differential amplifier),5.4.1 零点漂移现象,5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析,一、差模(difference-mode)放大特性,二、共模(common-mode)抑制特性,三、共模抑制比kcmr(common-mode rejection ratio),四、对任意输入信号的放大特性,5,5.4.4 差动放大电路的大信号分析,一、差动放大电路的传输特性(transfer characteristic),二、差动放大电路正常工作的前提条件,三、差动放大电路作模拟乘法器,5.4.5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,二、失调的温度漂移(temperature drift),6,5.7.1 双极型集成运算放大电路f007,5.5 复合管及其放大电路,5.6 集成运算放大电路的输出级电路,5.7 集成运算放大电路举例,5.7.2 cmos集成运算放大电路mc14573,7,5.8 集成运算放大电路的基础应用电路,5.8.1 集成运放的模型,5.8.2 集成运放的主要性能指标,一、静态参数,二、动态参数,5.8.3 理想集成运算放大电路,一、理想化条件,二、理想运放特性,8,第5章 集成运算放大器电路,（1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。 （2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。 （3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。,9,集成电路：60年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。,集成电路具有性能好，可靠性高，体积小， 耗电少，成本低等优点。,集成运放：是一 种模拟集成电路，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。,10,常用运算放大器外形图,11,5.1 集成运算放大电路的特点,1.级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能制作大电容和电感)；,2.尽可能采用有源器件代替无源器件(避免使用大电容、大电阻)；,3.利用对称结构改善电路性能 (参数一致性好,但单个元器件参数误差较大)。,12,图5.1.1 集成运算放大电路方框图,差动放大器,负载为有源负载的共射放大器,射随器或互补射随器,电流源,13,5.2 电流源电路,(a)晶体管的恒流特性,(b)电流源电路,(c)等效电流源表示法,14,图5.2.1 镜像电流源,一、镜像电流源(current mirror),工作电流,参考电流,15,可见，只要 ucc 和 r 确定，ir 就确定了，ic2 也随之确定。 常将 ic2 看作 ir 的镜像， 所以称图5.2.1（a）为镜像电流源。,16,图5.2.2 多路镜像电流源,图中为三路电流源,17,v5管是为了提高各路电流的精度而设置的。 若将v5管的基极和发射极短路，则,加了v5管后，,此时,5.2.3,18,因,容易满足，所以各路电流更接近ir， 并且受 温度的影响也小。,19,图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源,(a)三集电极横向pnp管电路,(b)等价电路,集成电路中多路镜像电流源的实现,20,二、比例电流源,图5.2.4比例电流源,根据晶体管发射结电压 与发射极电流的 近似关系可得,v1与v2的特性相同，则,21,室温下，当两管的射极电流相差10倍时：,若2，则ie1ir, ie2ic2,仅为此时两管ube电压(600mv)的10%。因此，,ube1ube2。,与典型的静态工作点稳定电路一样，r1和r2是电流负反馈电阻，因此，与镜像电流源比较，比例电流源的输出电流ic2具有更高的温度稳定性。,22,三、微电流电流源(widlar current),图5.2.5微电流电流源,当12时， ie1ir,ie2ic2,已知ir=1ma,要求ic2=10a时,23,四、威尔逊电流源,图5.2.6 威尔逊电流源,24,若三管特性相同，则1=2=3=,利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻ro,较大的动态内阻；,输出电流受的影响也大大减小,优点,25,5.3 以电流源为有源负载的放大电路,图5.3.1有源负载共射放大电路,(a)电路,(b)以电流源表示的等效电路,v1 为放大管，v2与v3构成的镜像电流源是v1的有源负载 。,26,(c)交流小信号等效电路 图 5.3.1 有源负载共射放大电路,在共射(共源)放大电路中，为了提高电压放大倍数的数值，行之有效的方法是增大集电极电阻rc(或漏极电阻rd)， 但为了维持晶体管(场效应管)的静态电流不变，在增大rc(或rd)的同时必须提高电源电压。,rce3,交流输出电阻ro=rce3，有源负载为v1管提供了很大的集电极电阻。,27,当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。,在集成运放中，常用电流源电路取代rc(或rd)，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效rc(或rd)。由于晶体管和场效应管是有源元件，而上述电路中又以它们作为负载，故称为有源负载。,28,当2时，icq1=ic3=ir，可见，电路并不需要很高的电源电压，只要ucc和rr配合就可设置合适的集电极电流icq1。当然，v1管子的基极偏置电路必须保证ibq1=icq1/，而不应与镜像电流源提供的ic3产生冲突。还应当注意的是，当输出端接上负载电阻rl时，ic2将被分流一部分，使得icq1发生改变。图（a）所示的交流小信号等效电路如图（c）所示。当电路接有负载rl时，电路的电压放大倍数为,若实际负载rl通过射随器隔离后接入，则该放大电路可获得极高的电压放大倍数。,29,5.4 差动放大电路(differential amplifier),5.4.1 零点漂移现象,1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下飘动。,2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在， 输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去， 因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和， 这样整个电路将无法正常工作。,30,3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。,等效输入漂移电压,输出漂移电压,等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。,31,5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析,一、电路形成原理,对于图5.4.2所示的共射放大电路，当 ui=0 时，由于温度等环境的改变，使输出端 uo 发生缓慢变化。虽然引入了射极电阻re，起到了稳定工作点的作用，但不能彻底改善零点漂移现象。因为负反馈的调整完成后，由于温度改变，管子的特性曲线改变，输出电压 uo 与先前值不可能完全相同，因此零点漂移现象仍然存在。,32,图 5.4.2 差动放大电路的形成,设想增加一个受温度控制的直流电源u作补偿电路，让输出电压 uo 负相端取自u的正相端，如图（b）所示。如果直流电源u能够随着ucq漂移电压的改变做相同的变化，那么输出电压 uo 就只有输入电压 ui 的作用了。,33,图 5.4.2 差动放大电路的形成,可惜的是，这种方法实施起来比较困难，因为很难找到能够满足条件的直流电源u，让它能够一直跟踪ucq的变化。但顺着这个思路，我们可以想到补偿电路最好的选择就是复制一个完全相同的放大电路，如图(c)所示，这就是差动电路的雏形。,34,图5.4.2（c）中，两边电路参数完全相同，管子特性完全相同，那么两支管子的集电极静态电位在温度、电源变化时，也将时时相等，电路以两支管子集电极电位差作输出，就克服了零漂现象。,为了增强对有用信号的放大能力，将re1和re2合二为一，成为一个电阻re（原因将在后续内容介绍）；同时，为了让电源能够与信号源“共地”，差动放大电路改成双向电源，如图（d）所示。由于图（d）电路拖了一个长尾巴，因此称为“长尾式差动电路”。可见，差动放大电路是由典型的工作点稳定电路一步一步演变而来的。,35,为了让电源能够与信号源“共地”，差动放大电路改成双向电源，如图（d）所示。,36,二、差动放大电路的静态分析,图5.4.3 长尾式差动放大电路,当ui1=ui2=0时,则流过re的电流i为,故有,v1和v2管的特性参数相同,37,差动放大电路,静态时，差动放大电路两输出端之间的直流电压为零。,uo= uc1q-uc2q=0,双端输出,38,为了便于差动放大电路输出直接连到下一级放大，有时输出端仅由一端取出，这种输出方式称为单端输出。如图5.4.3（b）所示。,输出端可以取自uc1，也可以取自uc2。静态时，虽然由于输入回路参数对称，使静态电流ibq1=ibq2，从而icq1=icq2，,由于输出回路的不对称性，使得两管uceq各不相同,此时uceq2ucc+0.7icq1rc与双端输出时相同。,单端输出,当ui1=ui2=0时,39,对于uceq1，求解较复杂。首先由节点uc1，根据流入节点电流等于流出节点电流列方程：,即：,可以求出uc1q，则， uceq1 uc1q+0.7 以上为差动电路的静态分析，下面讨论加入输入信号ui1和ui2时，差动放大电路的动态特性。,40,三、差动放大电路的动态分析,为了简化动态分析过程，我们先让ui1和ui2(交流信号用有效值表示)输入两种特殊的信号：,所谓共模信号是指ui1和ui2所加的信号大小相等极性相同。由于电路参数对称，v1管和v2管所产生的基极变化电流相等ib1=ib2，同时ic1=ic2； 因此集电极电位的变化也相等，即uc1=uc2。由于输出电压取自两个集电极电位差，所以输出电压uo=0。这说明差动放大电路对共模信号有很强的抑制作用，如果两边电路参数理想对称，则共模输出电压为零。,共模信号,41,当ui1和ui2所加信号为大小相等极性相反的信号时，称为差模信号，这时一管的集电极电流增大，另一管的集电极电流减小，且增大量和减小量时时相等，即uc1=uc2，这时得到的输出电压uo=uc1（uc2）=2uc1，从而实现电压放大。可见，差动电路对差模信号具有放大能力。,差模信号,42,由于电路参数的理想对称，温度、电源等变化对两管完全相同，故零点漂移信号折算到输入端可以等效成共模信号，差动放大电路对共模信号有很强的抑制作用。,由于差动电路对差模信号有较强的放大作用，因此，需要放大的有用信号可以通过差模信号的形式输入。下面我们讨论共模抑制和差模放大的各项性能指标。,43,1、共模(common-mode)抑制特性,首先分析在共模信号下电路的等效通路。如果在差动放大电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相同的共模信号，即ui1=ui2=uic，此时两管的射极将产生相同的变化电流ie，使得流过re的变化电流为2ie，从而引起两管射极电位有2reie的变化。,因此，从电压等效的观点看，相当每管的射极各接有2re的电阻。在输出端，由于共模输入信号引起两管集电极的电位变化完全相同，所以流过负载rl上的电流为零，相当于rl开路。通过上述分析，图5.4.3电路的共模等效通路如图5.4.4所示。,44,r,l,v,1,v,2,re上有静态电压 和交流信号电压,45,图5.4.4 长尾式差动电路的共模等效通路,46,(1).共模电压放大倍数,双端输出时,当电路完全对称时，uoc1=uoc2，所以共模电压放大倍数为零，即auc=0。,47,单端输出时,(1).共模电压放大倍数,48,(2). 共模输入电阻,注：,49,(3).共模输出电阻,单端输出时,双端输出时,50,(4). 单端输出时的共模指标,单端输出时共模电压增益不为零，故常对单端输出电路进行共模特性分析。下面我们以输出取自v1管集电极的单端输出电路为例分析共模指标，结论同样适用于输出取自v2管集电极的情况。,图5.4.5为共模等效通路,图 5.4.5 单端输出差动放大电路的共模等效通路,51,此时的共模电压放大倍数为,在实际电路中，均满足re(rc/rl) ，故,可见，在单端输出时，由于射极电阻2re对共模信号的负反馈作用，抑制每只管子集电极电流的变化，从而抑制集电极电位的变化，使得单端输出时放大电路对共模信号也起到了抑制作用。共模负反馈电阻re越大，则抑制作用越强。,52,输出端的改变对输入电阻没有影响，因此单端输出时的输入电阻仍然为,单端输出时的输出电阻为 roc(单)=rc,53,2、差模(difference-mode)特性分析,如果在图5.4.3差动电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相反的差模信号，即ui1=uid1，ui2=uid2，且uid1=uid2，其中下标d是英文字母differential的字头。由于ie1=ie2，流过re的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变，所以对差模信号而言，公共射极端可视为差模地端，即re相当于对地短路(正是因为re对差模信号短路，才使得差模信号放大倍数增大，这就解释了差动电路形成过程中将re1和re2合并成为一个电阻re的原因。如果不合并，由于re1和re2的存在，会使电路的电压放大能力变差)。另外，由于输入差模信号，两管输出端电位变化时，一端升高，另一端则降低，且升高量等于降低量。,因此双端输出时，负载电阻rl的中点电位将保持不变，也可视为差模地端。,54,u,cc,r,c,r,l,r,c,r,e,u,ee,v,1,v,2,u,o,u,id1,u,id2,re上只有静态电压，无交流信号电压,0v,0v,u,id1,u,id2,55,56,双端输出（浮动输出）时,(1). 差模电压放大倍数,57,单端输出时,(1). 差模电压放大倍数,负载rl情况下,或,58,可见， 这时的差模电压放大倍数为半边共射放大电路的电压放大倍数的一半， 且两输出端信号的相位相反。,单端输出时,59,(2). 差模输入电阻(input differential resistance),注：,60,(3). 差模输出电阻(output differential resistance),单端输出时为,双端输出时为,61,3、共模抑制比kcmr(common-mode rejection ratio),为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，我们引入共模抑制比kcmr。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即,它的对数表示式为,62,kcmr实质上是反映实际差动电路的对称性。在双端输出理想对称的情况下，因auc=0，所以kcmr趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此kcmr为一有限值。为了定量计算，通常计算单端输出时的kcmr。根据式5.4.11和5.4.14，设负载rl开路，可得,63,4、对任意输入信号下的动态特性,+,=,0v,64,(1).任意输入信号的分解及输入电压,65,66,(2).任意输入信号作用下，输出电压的计算,双端输出时的电路图,根据叠加原理，输出电压应为共模输出电压uod和差模输出电压uoc之和，即uo=uod+uoc。当双端输出时，由于auc=0，故有,67,单端输出时的电路图,单端输出时，当共模抑制比足够高，即满足audauc(单)时，则有,68,如两端都不接地，这种接法称为双端输入；,如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。,(3).关于只有一路信号源接入差动放大器,69,图5.4.3所示电路，两输入端均未接地，称为双端输入。,在实际使用时，为了防止干扰，常将两个输入端一端接地，信号源加在另一端和地之间，如图5.4.8所示，这种接法称为单端输入。,此时差模信号为ui， 共模信号为ui/2。 无论是双端输入还是单端输入，差动放大电路只放大两输入端之差，而抑制共模信号。,综上所述，根据输入、输出端的接法不同，共有四种差放形式： （1）单端入，单端出； （2）双端入，双端出； （3）单端入，双端出； （4）双端入，单端出。,70,差放特性可以总结如下几点结论： 差动放大电路的性能只与输出端的接法有关，与输入端的接法无关； 双端输出的差模电压放大倍数等于半边差模等效电路的电压放大倍数，即与单管共射放大电路相同。单端输出差模电压放大倍数仅是半边差模等效电路电压放大倍数的一半； 双端输出的输出电阻为2rc，单端的输出电阻仅是双端输出的一半； 无论是双端输入还是单端输入，差模输入电阻均等于半边差模等效电路输入电阻的两倍。共模输入电阻远大于差模输入电阻。,71,5.4.3 具有电流源的差动放大电路,在差动放大电路中，特别是在单端输出电路中，我们希望发射极电阻re的阻值越大越好，这样可以有效地抑制工作点漂移，提高共模抑制比。但是，由于电路的结构，re的增大是有限的。原因主要有两个： 一是如果保持电源电压uee不变，增大re势必减小流过re的电流i，使每管的静态集电极电流ieq减小，这样,72,图5.4.3所示的基本差动放大器，存在两个缺点：,若uee=15v，则室温下，kcmr(单)的上限约为300，而与re的取值无关。,1.共模抑制比做不高,73,二是如果增大re，而保持电流i不变，则会造成电源uee过大。 设晶体管发射极静态电流为0.5ma，则电流i为1ma。当re为10k时，电源uee的值约为10.7v。在同样的静态工作电流下，若re 为100k，则uee=100.7v，这显然是不现实的。,74,2.不允许输入端有较大的共模电压变化。,公共射极电位变化,差放管的静态工作电流变化,rbe改变,75,图5.4.9具有电流源的差动放大电路,(a)用单管电流源代替re的差动电路,(b)电路的简化表示,恒流源,改进方法：用单管电流源代替re。,76,静态工作点的估算：,77,1.共模抑制比可做的非常高；,2.允许输入端有较大的共模电压变化。,auc0、 auc（单）0,kcmr、 kcmr（单）高,电流源的输出电阻非常大,rbe几乎不变,78,5.4.4 差动放大电路的大信号分析,图5.4.11具有电流源的差动放大电路,一、差动放大电路的传输特性 (transfer characteristic),在大信号范围下，输出电流(电压)与输入uid的关系。,79,80,81,(a)电流传输特性曲线,图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线,1.两管集电极电流之和恒等于i,2.传输特性具有非线性特性,3.在静态工作点附近，当|uid|ut，即室温下， uid在26mv以内时，传输特性近似为一段直线。,4.当| uid |4 ut,即uid超过100mv时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。,82,图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线,83,二、差动放大电路正常工作的前提条件,1.差放电路输入电压的幅值 是有限的,差模输入电压,差模输入电压受晶体管发射结反向击穿电压的限制,若v2管基极电位固定，v1加较高正电压，v1发射极电位跟随，致使v2发射结反偏。 如果反偏电压超过击穿电压，将使pn结击穿，所以差模输入电压范围不能超过发射结的反向击穿电压。,84,共模输入电压,共模输入电压所受的限制,当共模输入电压为正，且超过差分对管的集电极电压时，则差分对管进入饱和区； 当共模输入电压为负，且负电压低于电流源晶体管的基极电位，电流管进入饱和区。即共模输入电压应满足,2.电流源电流i小于差放管的集电极临界饱和电流ics(临界),85,两差放管的静态工作点应该设置在交流负载线（由于差放电路是直接耦合，交、直流负载线重合）中点偏低的位置，即icqieq ics(临界)/2，其中ics(临界)为差放管集电极临界饱和电流。 或者说电流源电流i（=2ieq）应该小于差放管的ics(临界)。 因为，随着差模信号的增大，一个管子的q点顺着负载线向截止区方向移动， 另一管以同样的速度向饱和区方向移动，工作点偏向截止区，就会使一个管子首先进入截止区，其集电极电流为零，另一管的集电极电流则固定为i。 如果工作点偏高，就会有一个管子先进入饱和区，在饱和区，关系式,不成立，此时两集电极电流之和就不等于i，上述结论也就不成立了。,86,三、差动放大电路作模拟乘法器,若,则,若,则,电路图见书p.131，图5.4.15,87,5.4.5差动放大器的失调及温漂,一、差动放大器的失调,当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。,与失调有关的具体因素：,88,图1 实际差动电路的失调电压和失调电流,总输入失调电压,- 总输出失调电压,- 差模源电压增益,89,uoos,图1 实际差动电路的失调电压和失调电流,iio ：rs很大并接近开路时的输入失调参数；,uio ：rs为0时的输入失调参数；,iio 、uio ：差分放大器的固有参数。,利用戴维南等效定理可得 a、b两点间开路电压,b,a,90,图2 实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图,91,92,r,c,r,c,r,c,v,1,v,2,u,o,u,ee,i,u,cc,i,b2,u,io,i,b1,图4 求差动电路的失调电压,补偿电压,93,r,c,r,c,r,c,u,i,v,1,v,2,u,o,u,ee,i,u,cc,i,b2,i,io,2,i,io,2,i,b1,图5 求差动电路的失调电流,补偿电流,rs,rs,i,b,i,b,94,r,c,r,c,r,c,u,i,v,1,v,2,u,o,u,ee,i,u,cc,i,b2,i,io,2,i,io,2,i,b1,图5 求差动电路的失调电流,补偿电流,rs,rs,i,b,i,b,95,图5.4.17差动放大器的调零电路,(a)射极调零,(b)集电极调零,96,二、失调的温度漂移(temperature drift),97,5.5 复合管及其放大电路,集成运算放大电路的中间级通常用来提高运放的开环增益，多采用有源负载的共射放大电路。为了进一步改善放大电路的性能，集成运放会用复合管来取代基本放大电路中的晶体管。,（a） (b) 图 5.5.1 达林顿复合管 （a）复合管电路 (b)等效器件,98,可以看出，ib=ib1，ic=ic1+ ic2= 1ib1+ 2(1+1)ib1，则达林顿复合管总的电流增益为,例如 1= 2=60，则=3600， 显然，电流增益得到很大提高。,99,用达林顿复合管组成放大电路如图5.5.2（a）所示，实际是组成了共集共射双管放大电路，图（b）是它的交流等效电路，由图可知电流放大倍数为 ai=12,输入电阻,若忽略rbb，则式中,将上式代入式5.5.3，得,100,电压放大倍数,输出电阻 ro=rc,101,还有一类由不同类型的双极型晶体管组成的复合管如图5.5.3所示，等效晶体管的管型与v1管相同， 因此图(a)等效成pnp管， 图(b)等效成npn管。这类复合管的电流增益,输入电阻与v1的相同，即,102,(a)两只不同类型管构成pnp管,(b)两只不同类型管构成npn管,ie1,v1,v2,ib,ic1(ib2),ib1,ie,ic2,ic,pnp,npn,103,5.6 集成运算放大电路的输出级电路,集成运放对输出级电路的要求是：,输出电阻尽可能低，在额定负载的要求下，能向负载提供足够大的不失真的信号电压，或者说，能向负载提供额定的输出功率；,有较高的效率；有较高的输入电阻以减小对前级的影响。,此外，还应有过载保护电路。,104,一、射极输出器输出级,采用双向电源的射极输出器,它的输入电阻很高，输出电阻很低，带动负载能力很强。,当ui为正时，输出电压uo跟随也为正,当ui增加到使v管饱和时，正向输出电压达到最大值接近ucc；,105,当ui为负时，输出负电压,当负值增加到使v管截止时，负向输出电压接近,一般,rlre，所以，负向跟随范围比正向跟随范围小。,这种电路的工作效率小于10%。因此，这种简单的跟随器电路仅适用于负载较轻、负载电流较小的场合。,106,二、互补射极输出级,图 5.6.2 互补射极输出级原理图,互补输出电路能输出较大功率，常工作在乙类状态（只有在信号的半个周期内有集电极电流通过的工作状态称乙类状态），它由npn管和pnp管组成，称为互补。在功率放大电路中，也称为互补对称乙类推挽功率放大电路，详细分析将在第八章中讨论，这里仅对其工作原理做简介。,107,电路工作原理,当输入信号ui为零时，两管处于截止状态，uo0。,当ui不为零（设输入信号为单一的正弦信号），若忽略管子的导通电压，信号正半周内，v1管导通，v2管截止，v1管输出电流流过rl，产生正半周输出电压；,而在信号负半周，v2导通，v1截止，v2管输出电流在rl上产生负半周输出电压，最终在rl上合成一个完整的输出信号波形，最大输出电压幅度近似为,由于这种电路是两管交替工作，静态工作电流很小，因此器件的功耗较低，电路效率高，集成运放广泛应用这种电路作输出级。由于每个晶体管工作时是射极输出，因此仍保持输入电阻高、输出电阻低的优点。,108,图 5.6.3 克服交越失真的互补电路 （a）二极管偏置方式 （b）模拟电压源偏置方式,图5.6.3(a)电路是利用vd1 、vd2为v1 和v2提供正向偏压；（b）电路是利用v4、 r1和r2组成模拟电压源，产生正向偏压。,109,由图（b）可知，,若忽略ib4，则i1= i2，且ube4= i2r2，故,可见，uab是某一倍数的ube4，所以该电路也称为ube的倍增电路。调整r、r2的比值，可以得到所需的偏压值。由于r1从集电极反接到基极，具有负反馈作用，因而使a、b间的动态电阻很小，近似为一个恒压源。,110,5.7 集成运算放大电路举例,5.7.1 双极型集成运算放大电路f007,图 5.7.1 f007电路原理图,111,双极型集成运放f007是一种通用型运算放大电路，它的电路特点是：采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护等。其电路原理图如图所示，图5.7.1中各引出端所标数字为组件的管脚编号。f007是一个直接耦合的三级放大电路。,一、偏置电路,偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。f007的偏置电路由v8v13组成。基准电流由v12、r5、v11决定。流过r5的基准电流iref可用下式表示,112,v10、v11和r4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供v9所需的集电极电流，即ic10ic9 2ib3。,v8与v9 组成镜像恒流源电路，提供v1、v2的集电极电流，为输入级提供偏置，即ic1ic2ic9，v12与v13组成镜像恒流源电路，提供中间级v16、v17的静态工作电流，并充当其有源负载。,113,二、输入级,f007的输入级电路是由v1v7组成的带有源负载的差动放大电路。,v1v4组成共集一共基复合差动放大电路。,v1、v2接成共集电极形式，可以提高电路的输入阻抗，同时由于uc1uc2 = ucc -ube8，因而共模信号正向界限接近ucc，即提高了共模信号的输入范围。,v3、v4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时还能完成电位移动功能，使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接npn型管。,114,有源负载是由v5，v6、v7及r1、r2、r3组成的改进型比例电流源电路。用它作差动放大电路的负载，不仅可以提高电压放大倍数，还能在保持电压放大倍数近似不变的条件下，将双端输出转化为单端输出，形成所谓的单端化电路。,115,三、中间级,中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，f007的中间级是由复合管v16、v17组成的共发射极放大电路，v12、v13组成的镜象恒流源作为它的有源负载，因而可以获得很高的电压放大倍数。 在f007应用电路中引入负反馈时，为了防止产生自激现象，在v16管基极和集电极之间接了一个30pf的内补偿电容。,116,四、输出级,输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用（准）互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。f007输出级采用的就是由v14和复合管v18、v19组成的准互补对称电路。r6、r7和v15组成电压并联负反馈型偏置电路，使v15的c、e两端具有恒压特性，为互补管提供合适而稳定的偏压，以消除交越失真。,117,vd1、vd2和r8、r9组成过载保护电路，正常工作时，r8、r9上的压降较小，vd1、vd2均处于截止状态，即保护电路处于断开状态，一旦因某种原因而过载，v14及复合管的电流超过了额定值，则r8、r9上的压降明显增大，vd1、vd2将导通，从而对v14和v18的基极电流进行分流，限制了输出电流的增加，保护了输出管。,118,5.7.2 cmos集成运算放大电路mc14573,图 5.7.2 dip封装mc14573的引脚分配,119,mc14573是一种由nmos、pmos型互补器件组成的通用型cmos集成运放，它包含有四个相同的运放单元，分为两对，分别用a、b和c、d表示，其dip封装形式的引脚分配如图5.7.2所示。由于四个运放按相同工艺流程做在一块芯片上，因而具有良好的匹配及温度一致特性，为多运放应用的场合提供了方便。mc14573中一个运放单元的原理电路图如图5.7.3所示。它由两级放大电路组成。,120,一、偏置电路,由v5、v6和v8组成比例恒流源，其比例系数由器件结构决定，外接电阻r用来设置参考电流ir。若a、b单元组通过外接电阻r接-uss，c、d单元组通过另一外接电阻r接-uss，则每组单元电路的电流ir为,若a、b单元组和c、d单元组通过一个外接电阻r接-uss，则每组单元电路的电流ir为,偏置电路为运放提供静态工作点，且各级的静态工作电流可通过调节外接电阻r而随意设定，从而可在功耗和转换速率间综合考虑。,121,二、输入级,输入级是由v1v4组成的带有源负载的cmos差动放大电路，其中增强型pmos对管v1、v2构成共源极差动放大电路，增强型nmos管v3、v4接成镜像电流源，作为有源负载，并完成双