模电第六章集成运算放大器电路原理.ppt

第六章 集成运算放大器电路原理,集成运算放大器是采用微电子技术，将晶体管、电阻、电容及连线制作在硅片上的电路。,本章介绍集成运放的单元电路和典型集成运放芯片，重点是差动放大器、恒流源和互补跟随输出级电路。掌握不同输入输出类型的差动放大器的动特性分析：差（共）模电压增益、输入输出电阻以及共模抑制比的求法；理解恒流源的原理，熟悉几种典型恒流源的电路原理图。,6.1 集成运算放大器的电路特点,集成运放：多级放大电路。,电路设计上的主要特点：,(1) 高增益直接耦合。 (2) 用有源器件代替无源元件。 (3) 利用对称结构改善电路性能。,理想运放：电压增益高、 输入电阻大、 输出电阻小、 工作点漂移小、失调电压和失调电流为零等特点。,集成运放电路框图,6.2 电 流 源 电 路,电流源对提高集成运放性能的作用：,1、给各级电路提供稳定的直流偏置电流；,2、作为有源负载，提高单级放大器的增益。,一、单管电流源电路,晶体管的恒流特性,恒流源电路,等效电流源表示法,恒流条件： 恒流管始终为放大状态。,由电路的交流等效电路可以证明，Ro近似为,若 UA=100V，ICQ=50A，则 rCE = 2M。,二、镜像电流源,镜像电流源：晶体管V1代替电阻R2和R3。,若11，则IC2Ir，Ir一定， IC2恒定；改变Ir ，则IC2改变。,三路镜像电流源如图示,一般1(1+5)4 容易满足，IC2、IC3、IC4更接近 Ir，并且受的温度影响也小。,增加V5射随器减小误差。,多集电极晶体管镜像电流源,利用一个三集电极横向PNP管组成双路电流源(横向PNP管是采用标准工艺，在制作NPN管过程中同时制作出来的一种PNP管)。,三、比例电流源 输出电流与参考电流成比例,室温下，可认为UBE1UBE2。则有：,当两管的射极电流相差10倍以内时：,若11，则IE1Ir ，IE2IC2，有,当1时，IE1Ir，IE2IC2，有：,四、微电流电流源(提供微安级的小电流),已知Ir=1mA，IC2=10A，则R2为,若UCC=15V，则Rr15k。总电阻不超过27k。若用镜像电流源，则Rr=1.5M。,五、负反馈型电流源威尔逊电流源,威尔逊电流源,1=2=3=，有：,威尔逊电流源的动态内阻Ro为,串接电流源：两个镜像电流源串接组成。,六、有源负载放大器,V1管集电极电阻 RC rce3 。射随器接入负载RL隔离可获得极高的电压增益。,在静态时，由于温度变化、电源波动等因素引起工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下漂动的现象。,6.3 差动放大电路,一、零点漂移现象,等效输入漂移电压,抑制温漂的关键：减小输入级的温漂。,二、差动放大器的工作原理及性能分析,电路特点： 由两个互为发射极耦合的共射电路组成，也称射极耦合差动放大器。 电路结构参数完全对称。,单端输出：输出从任一集电极取出 双端输出：输出从两个集电极间取出。,正、负两路电源供电：保证输入端的直流电位为零。,则流过RE的电流 I 为,Q点的分析（Ui1=Ui2=0） ：,结论：静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。,1、差模放大特性,差模信号：大小相等、相位相反 Ui1=Uid1，Ui2=Uid2， Uid1= -Uid2,工作特点： 一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。,流过RE的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。对差模输入信号，公共射极端为差模地端，即RE相当对地短路。,差模输入：两管输出端电位一端升高，一端降低，且变化量相等，即双端输出时，RL的中点电位保持不变，为差模地端。,a. 差模电压放大倍数,在双端输出时，输出电压为,输入差模电压为,若单端输出时的负载接在一个输出端和地之间，计算Aud时，总负载为RL=RCRL。,单端输出,b. 差模输入电阻,2、共模抑制特性,共模信号： Ui1=Ui2=Uic,共模信号引起两管集电极电位变化完全相同，故流过负载RL 的电流为零，相当于RL开路。,a、共模电压放大倍数,电路完全对称，Uoc1=Uoc2，Auc=0。,双端输出,单端输出：,差放电路完全对称且在同一工作环境下，则温度、电源等引起的两管等效输入漂移电压可以等效成共模输入信号。由于RE的负反馈作用，使得等效输入漂移电压大为减小，双端输出时，则被完全抵消。,b、 共模输入电阻,3、共模抑制比KCMR,共模抑制比KCMR：差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即,KCMR意义：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，反映实际差动电路的对称性。,单端输出不对称,双端输出理想对称：KCMR,4、对任意输入信号Ui1和Ui2的放大特性,共模信号,差模信号,则差模输入电压,叠加原理 Uo = Uod + Uoc,双端输出时：,单端输出时：,当共模抑制比足够大时，即 Aud Auc (单) 时，有：,结论：差动放大器只放大两输入端的差信号。,当共模抑制比足够高时，差动电路通过公共电阻 RE 的负反馈，自动将射极电位调整为：,从而把两输入端的差信号变为差模信号，两输入端的和信号变为共模信号。,当信号源接入两输入端，若信号源两端不接地即浮地，为双端输入，此时信号源两端分别对地电压之和的一半为共模电压分量，若信号源一端接地，为单端输入，此时信号电压的一半为共模电压分量。,三、具有恒流源的差动放大电路,单端输出，共模抑制比为：,基本差动放大器存在两个缺点： 1、是共模抑制比做不高,若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)300。,2、不允许输入端有较大的共模电压变化,用恒流源代替差动电路中的RE如图：,电流源的动态内阻非常大，Auc 0，KCMR。,电流源的引入扩大了差动电路的共模输入电压范围：,UC 1 Ui c UB 3,否则差放管或者恒流管进入饱和。,Q点估算：恒流源为基点来计算Q点,设恒流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流，即IUCC/RC，则差放管的工作点偏向截止区。,四、差动放大器的传输特性,输出电流(或电压)与差模输入电压的关系。,iC1和iC2与成双曲线正切函数关系。,uo=-ic1Rc+ ic2Rc=(ic1-ic2) Rc,1、两管集电极电流之和恒等于I,传输特性曲线的分析,2、传输特性具有非线性特性,在Q点附近，当|uid|UT，iC1，iC2和uo与uid成线性关系。 | uid |4 UT，传输特性明显弯曲，并趋于水平，即| uid |继续增大时，iC1，iC2和uo将保持不变。,扩展传输特性的线性区范围：射极串接负反馈电阻R(或在基极串接电阻RB) 。,R(RB)，线性区范围。线性区范围的扩大，曲线的斜率减小，表明差动放大器的增益将随之降低。,3、差动放大器的增益与 I 成正比,iC=iC1-iC2=2iC1,跨导gm：小信号下，Q点处uid对iC的线性控制作用。,结论：差动电路的gm与 Aud均与电流I成比例。,五、差动电路及其应用,1、差动放大器的一般结构,a 、只放大差模信号(ui1-ui2) ，抑制共模信号(ui1+ui2) ，接地耦合端电位：ug=(ui1+ui2)/2。,b、 输出信号：uo1=-uo2。,c、 Aud（双出）= Aud（单边）|半负载； Aud（单出）= Aud（单边）/2； 差模输入电阻 Ri= 2 Ri |单 ，差模输出电阻 Ro= Ro|单 双端输出电阻加倍。,2、差动放大器的应用推广,分离倒相器,自动增益控制放大器,高速电流开关,波形变换电路,电压比较器,模拟乘法器,例解1、某差动放大器如图，RC=RL=REE=5.1 k，RB=2 k，UCC=UEE=6V，晶体管参数均为UBE=0.7V，=50，rbb=100 ，rce很大，视为开路。,(1) 画直流通路，求静态工作点。,(2) 画出差模交流通路，求差模电压增益、差模输入电阻、差模输出电阻。,(3) 画出共模交流通路，求共模电压增益、共模输入电阻、共模输出电阻和共模抑制比。,解：（1） 直流通路如图，求静态工作点：,UC1=UC2，故负载相当开路,（2） 差模交流通路如图,（3） 共模交流通路如图,问题： （1）在差动放大电路的射极电阻Re上是否要加旁路电容CE？ 答：RE电阻对输入信号的差模分量而言，其上信号电流的变化量为0，所以不必加旁路电容CE。对输入信号的共模分量，RE形成较强的负反馈来抑制零漂，所以不能加旁路电容CE。 （2）在差动放大电路分析中，为什么要考虑信号源内阻Rs？ 答：差动放大电路是直接耦合放大电路，输入端无耦合电容，Rs的不同会影响管子的静态工作点，Rs不同影响也不同。一般经常在信号源和输入管基极间接较大的电阻Rs。,例解2、 求图示电路的静态工作点和差模电压增益和差模输入电阻和差模输出电阻。,解,1、静态工作点的计算,2、差模动特性计算（=100）,6.4 集成运算放大器的输出级电路,输出级要求：向负载提供足够大的信号电压和信号电流，并具有尽可能小的输出电阻。,从而形成 RL 上的完整输出波形， 忽略管子饱和压降，最大电压幅度为UCC， 最大电流幅度为UCC /RL。,交越失真：由导通电压引起的， 输出电压在两管轮流 工作的衔接处产生的 失真。,克服交越失真的方法：,二极管偏置方式,模拟电压源偏置方式,UBE倍增电路,6.5 集成运放电路举例,一、集成运算放大器F007,双极型集成运放F007是一种通用型运算放大器。由于它性能好，价格便宜，使用广泛。F007由三级放大电路和电流源等组成。,电流源组：V8V13，R4和R5构成。,输入级：V1V7 构成有源负载的共集-共基差动放大器。,中间级：V16、V17 构成共射放大器。,输出级：V14、 V18、 V19 构成互补射随器。,F007电路原理图,镜像电流源,微电流源,镜像电流源,6.6 MOS集成运算放大器,MOS运放分为NMOS和CMOS两种。CMOS：低功耗、可消除背栅效应及电路设计灵活、简便等而广泛应用。,MOS工艺简单，集成度高，用于制造数字集成电路。MOS运放作为基本模拟单元，应用广泛。,CMOS结构示意图,一、MOS集成运放中的基本单元电路,MOS运放电路的组成与双极型运放相同。,1、MOS管电流源,基本MOS管镜像电流源,V1、V2管工作于恒流区,当V1、V2管的长宽比相同时，Io=Ir，形成严格镜像电流源。若不等则构成比例电流源。,基本MOS管镜像电流源中用V3管实现参考电流源，如图：,uDS1= uGS1， uDS3= uGS3,UDD= uDS3+ uDS12UGSth时，V1、V3 管工作于恒流区,设计思路：I r uGS1 n,2、CMOS共源放大器,工作原理分析,电压增益为：,Q点处：,3、MOS管差动放大器,MOS管差动放大器是由两个对称的有源负载MOS放大器经电流源耦合构成。如图：,差动放大器,耦合电流源，提供偏置电流,差模电压增益即单边CMOS放大器增益。电路采用电流源作负载，电压增益为：,4、MOS管输出级电路,a、 源极输出器(具有恒流负载),电压增益：,输出电阻比双极型电路大很多。,b、低阻输出级电路,两路输出信号在负载上同相叠加。 输出电阻为 1/( gm6+gm7 )。,镜像电流源信号反相,反馈管，并联电压负反馈,倒相,6.7 集成运算放大器的主要性能指标,一、输入失调电压UIO和输入失调电流IIO,二、失调的温漂,在静态时输出端为零电位，运放两输入端之间必须外加的直流补偿电压，称为输入失调电压，用UIO表示；必须外加的直流补偿电流，称为输入失调电流，用IIO表示。,在规定