集成运算放大器电路.ppt

6 1集成运算放大器电路特点 6 2电流源电路 6 3差动放大电路 6 5集成运放电路举例 6 4集成运算放大器的输出级电路 6 6MOS集成运算放大器 6 7集成运算放大器的主要性能指标 第6章集成运算放大器电路 6 1集成运算放大器电路特点 集成运算放大器 简称集成运放 是一种直接耦合的多级放大电路 性能理想的运放应该具有电压增益高 输入电阻大 输出电阻小 工作点漂移小等特点 集成运放在电路的选择及构成形式上要受到集成工艺条件的严格制约 因此 集成运放在电路设计上具有许多特点 主要有 1 级间采用直接耦合方式 2 尽可能用有源器件代替无源元件 3 利用对称结构改善电路性能 集成运放电路形式多样 各具特色 但从电路的组成结构看 一般是由输入级 中间放大级 输出级和电流源四部分组成 组成框图如下 6 2电流源电路 电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用 1 为各级电路提供稳定的直流偏置电流 2 可作为有源负载 提高单级放大器的增益 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手 介绍集成运放中常用的电流源电路 基极电流为IB的一条输出特性曲线如图所示 一 单管电流源电路 可见 当IB一定时 只要晶体管工作在放大区 IC就基本恒定 因此 从集电极看进去相当于一个电流源 其内阻为rce 为了使IC更加稳定 采用分压式偏置电路 即引入电流负反馈 便得到图所示的单管电流源电路 等效电流的动态内阻Ro近似为 式中 RB R1 R2 需要强调 集电极端要实现恒流 必须保证恒流管始终工作在放大状态 否则将失去恒流作用 这一点对所有晶体管电流源都适用 二 镜像电流源用一个与输出管完全相同的晶体管V1 将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3 便得到下图所示的镜像电流源电路 两者关系好比物与镜中的物像一样 将上述原理推广 可得多路镜像电流源 如图所示 可见 各路电流更接近Ir 并且受 的温度影响也小 加了V5管后 在集成电路中 多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的 图示电路就是一个例子 三 比例电流源如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系 可采用图示的比例电流源电路 由图可知 当两管的射极电流相差不大时 若 1 则IE1 Ir IE2 IC2 IE1R1 IE2R2 可得 四 微电流电流源在集成电路中 有时需要微安级的小电流 如果采用镜像电流源 Rr势必过大 这时可令比例电流源电路中的R1 0 便得到图示的微电流电流源电路 R1 0 当 1 1时 IE1 Ir IE2 IC2 由此可得 上式表明 当Ir和所需要的小电流一定时 可计算出所需的电阻R2 如已知Ir 1mA 要求IC2 10 A时 则R2为 如果UCC 15V 要使Ir 1mA 则Rr 15k 由此可见 要得到10 A的电流 在UCC 15V时 采用微电流电流源电路 所需的总电阻不超过27k 如果采用镜像电流源 则电阻Rr要大到1 5M 五 负反馈型电流源以上介绍的几种电流源 虽然电路简单 但有两个共同的缺点 一是动态内阻不够大 二是受 变化的影响较大 解决方法 引入电流负反馈 如图示威尔逊电流源 输出电流的自动调整过程如下 若 1 2 3 可求得 利用交流等效电路 可求出动态内阻 下图给出了另一种反馈型电流源电路 它由两个镜像电流源串接在一起组成 故称串接电流源 六 有源负载放大器 Ro rce 为了提高单级放大器的电压增益 集成运放中多以电流源作其有源负载 原理如下 典型的有源负载共射放大电路如图所示 图中 V2 V3管构成镜像电流源作V1管的有源负载 即可获得极高的电压增益 IC1 IC3 IC2 IO 反相共射放大电路 同相共射放大电路 6 3差动放大电路 6 3 1零点漂移现象 6 3 2差动放大器的工作原理及性能分析 6 3 3耦合元件采用电流源的差动放大电路 本节内容 6 3差动放大电路 6 3 1零点漂移现象 等效输入漂移电压 显然 UiP越小 放大器抑制零点漂移的性能越好 如何克服零点漂移 由于电路结构上的特点 差动电路能有效地克服零点漂移 在多级电路中 重点在于减小输入级的零点漂移 减小输入级漂移的关键在于减小等效输入漂移电压 抵消零点漂移的基本思想 差动放大器的电路构成原理 6 3 2差动放大器的工作原理及性能分析基本差动放大器如图所示 它由两个完全相同的共射放大电路通过射极连接组成 并经公共电阻RE将它们耦合在一起 所以也称为射极耦合差动放大器 单端输出 UO1或UO2到地输出 差动电路有两个基极输入端和两个集电极输出端 双端输出 UO UO1 UO2输出 差动电路的静态工作点分析为了使放大器输入端的直流电位为零 通常都采用正 负两路电源供电 由于V1 V2管参数相同 电路结构对称 所以两管工作点必然相同 对差模信号 电阻RE相当对地短路 即射极为虚地 一 差模放大特性 输入差模信号 一对大小相等 相位相反的信号 称为差模信号 即Ui1 Uid1 Ui2 Uid2 而Uid1 Uid2 差模地电位 差模等效通路 IE1 IE2 负载电阻RL的中点相当差模地电位 差模输入电压Uid Ui1 Ui2 Uid1 Uid2 当输入为差模正弦信号时 输入与输出端波形的相位关系 如图所示 下面利用等效通路计算差动放大器的各项差模指标 6 3 2差动放大器的工作原理及及性能分析 一 差模放大特性 差模等效通路 输入差模信号 Ui1 Uid1 Ui2 Uid2 而Uid1 Uid2 1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比 输入差模电压为 可见 双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数 在双端输出时 输出电压为 Uid1 Uid2 可见 这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半 且两输出端信号的相位相反 单端输出时 则 或 需要指出 若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间 则计算Aud时 总负载应改为RL RC RL 2 差模输入电阻差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比 由图可得 3 差模输出电阻双端输出时为 单端输出时为Rod 单 RC 二 共模抑制特性共模信号 一对大小相等 相位相同的输入信号 称为共模信号 即Ui1 Ui2 Uic 可见 对共模输入信号 相当每管射极各接有2RE的电阻 共模等效通路 IE1 IE2 1 共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数定义为 当电路完全对称时 Uoc1 Uoc2Auc 0 单端输出时共模电压放大倍数 可见 由于射极电阻2RE的负反馈作用 差放对共模信号不是放大而是抑制 共模负反馈电阻RE越大 则抑制作用越强 在差动电路中 因温度变化 电源波动等引起的两差放管等效输入漂移电压 相当一对共模电压 由于RE的负反馈作用 使得每管的输出漂移大为减小 如果双端输出 则被完全抵消 这正是差动电路能有效克服零点漂移的根本原因 2 共模输入电阻由图不难看出 共模输入电阻为 3 共模输出电阻 单端输出时为 三 共模抑制比KCMR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 我们引入参数共模抑制比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 KCMR也常用dB数表示 并定义为 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 在单端输出时的不对称情况下 KCMR必然减小 由其增益式可求得 四 对任意输入信号的放大特性如果在差动放大器的两个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2 它们可以分别表示为 差模输入电压为 双端输出时 因为Auc 0 所以 单端输出时 只要共模抑制比足够高 则 由此可见 在任意输入信号下 差动放大器将和信号的一半作为共模分量加以抑制 而将差信号作为差模分量加以放大 当KCMR足够高时 无论双端还是单端输出 差动放大器只放大两输入端的差信号 电路意义 差动放大器的输入方式 1 双端输入方式 2 单端输入方式 无论哪种输入方式 差动放大器只放大两输入端的差信号 差动放大器放大性能小结 6 3 3耦合元件采用电流源的差动放大电路 如何进一步提高共模抑制比KCMR 用电流源代替RE 可以大大提高共模抑制比 一种用单管电流源代替RE的差动放大电路如图所示 简化电路 采用恒流源后的差动放大器 其差模指标没有发生变化 此时的共模电压放大倍数 无论双端输出还是单端输出都近似为零 因而共模抑制比趋于无穷大 此外 由于电流源的输出端电位允许在很大范围内变化 因此扩大了差动放大器的共模输入电压范围 对于图示电路 且 否则 差放管V1 V2或恒流管V3将进入饱和 使电路不能正常工作 6 3 4差动放大器的传输特性 由图可知 而 在图示电路中 设恒流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流 即I UCC RC 从而使差放管的工作点偏向截止区 可见 iC1和iC2与输入差模电压成双曲线正切函数关系 故有 电流传输特性 电压传输特性 电流传输特性曲线 电压传输特性曲线 一 在任意时刻 两管集电极电流之和恒等于I当uid 0时 差动电路处于静态 这时iC1 iC2 ICQ I 2 当差模电压输入时 一管电流增大 另一管电流减小 且增大量等于减小量 两管电流之和恒等于I 分析传输特性曲线 可以得出如下结论 二 传输特性具有非线性特性 在Q点附近 当 uid UT 26mV 传输特性近似为一段直线 这表明iC1 iC2和uo与uid成线性关系 可见 差动电路作为线性放大器时 其差模输入动态范围很小 应限制在UT 26mV 之内 扩展传输特性线性区范围的方法 V 1 V 2 U EE I 电阻Re RB 越大 扩展的线性区范围越大 Uid 扩展后的电流传输特性曲线 Uid 此时 当 uid 4UT 即超过100mV 时 传输特性趋于水平 这表明差动电路在大信号输入时 具有良好的限幅特性或电流开关特性 此时 一管截止 恒流源电流全部流入另一管 但不饱和 iC2 0iC1 I iC1 0iC2 I 限幅特性应用举例 可见 将输入正弦波变换为近似方波 三 差动放大器的增益与I成正比由电流传输特性曲线可知 小信号 26mV 工作时 在工作点处 iC受uid的线性控制 其控制作用的大小可以用跨导gm来衡量 gm定义为工作点处 双端输出电流的变化量 iC与输入差模电压变化量 uid之比 即 因为 iC i i 2 2 i 所以上式变为 gm1反映在传输特性上 是在uid 0处的斜率 在uid 0处 对下式求导 即 可得 可见 gm和Aud均于恒流源电流I成正比 一 差动放大器的失调理想对称的差动放大器 当输入信号为零时 双端输出电压应为零 但是在实际电路中 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 关于差动放大器的失调及温漂 在零输入时输出电压不为零的现象 称为差动放大器的失调 为了使双端输出电压为零 在输入端所加补偿电压 称为输入失调电压 用UIO表示 所加的补偿电流称为输入失调电流 用IIO表示 差动放大器的调零电路 此时 差动放大器虽然可以通过调零措施 在某一时刻补偿失调 作到零输入时零输出 但是失调会随温度的改变而发生变化 对这种随机的变化 任何调零措施还作不到理想跟踪调整 因此 差动放大器仍有零点的温度漂移 简称温漂 现象 二 失调的温度漂移 失调电压的温漂与失调电压本身的大小成正比 失调电流的温漂主要取决于 的温度系数和失调电流本身的大小 可见 为了减小失调的温漂 首先要减小失调本身 作业 p2286 4 6 5 6 6 6 10 举例 差动放大器如图所示 1 若UCC UEE 12V R1 6k R2 2k R3 6k RC 6k RL 6k 100 rbe1 rbe2 3k 1 求差放管静态工作点ICQ和UCEQ 2 若ui1 2 01sin tVui2 2sin tV 求uo Rid Rod 3 若负载接Uo2输出重作上题 4 求共模输入电压范围 100 rbe1 rbe2 3k 2k 3k 12V 6k 解1 2 6k 6k 12V 6k 100 rbe1 rbe2 3k 2k 3k 12V 12V 6k 3 6k 6k 6k 两个性能相同的放大器可以是 CC CB组态放大器 或CE CB CC CB等组合放大器 或相应的FET放大器 如 一 差动放大器的一般结构 6 3 5差动电路及其应用推广 1 只放大两输入端的差信号 ui1 ui2 作为差动放大器 都具有如下放大特性 2 抑制两输入端的和信号 ui1 ui2 使耦合端g点电位为 即电压放大倍数为单边放大器Au 即负载为RL时单边放大器电压放大倍数Au的一半 g 3 差模输入电阻为单边放大器输入电阻Ri的两倍 即 4 差模输出电阻为 二 差动电路应用推广的 差动电路除了作为低漂移放大器外 根据其特性 还可以实现很多其他功能 1 分离倒相器 2 自动增益控制放大器 3 高速电流开关 选择I t 小于差放管的了临界饱和电流 且满足 即 当ui UiL V1截止 V2导通 iC1 0 iC2 I t 当ui UiH V1导通 V2截止 iC1 I t iC2 0 由于导通管不饱和 因而导通与截止间转换极快 4 波形变换电路 RW 0 输出近似为方波 RW较小 输出近似为正弦波 RW较大 输出仍然为三角波 集成运放电路组成框图 6 4集成运算放大器的输出级电路 对集成运放输出级的基本要求 能高效率地向负载提供足够大的信号电压和电流 且有尽可能小的输出电阻 为此 大多采用互补对称型射极输出器 V1 NPN管V2 PNP管静态时 两管均截止 输入和输出端直流电位为零 电路组成 二 基本工作原理 UOmax UCC UCEsat IOmax UCC UCEsat RL 交越失真产生的原因及波形 三 克服交越 克服交越失真的实际的电路 6 5集成运放电路举例 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 所以是目前使用最为普遍的集成运放之一 F007的电路原理图如下图所示 图中各引出端所标数字为组件的管脚编号 F007由三级放大电路和电流源等组成 下面分别作一介绍 集成运算放大器F007原理图 集成运算放大器的电路符号 调零端 原理图中的简化符号 国外 本书 符号 国标符号 作业 p2286 7 6 9 6 10 6 11 6 6MOS集成运算放大器 MOS集成运放主要有NMOS和CMOS两种类型 NMOS由单一的N沟道MOS管组成 具有制作工艺简单 集成度高的特点 而CMOS是在NMOS工艺中加入P阱扩散工序 形成P型隔离区 然后以该区为衬底制作N沟道管 这样 电路由互补的NMOS和PMOS管组成 制作工艺称为CMOS工艺 由于CMOS电路具有高增益 低功耗 可消除背栅效应以及电路设计灵活简便等优点 因而CMOS工艺成为当前集成工艺的主流 下图示出了CMOS工艺中互补器件的结构示意图 接电路的最低电位 接电路的最高电位 NMOS管 PMOS管 一 MOS管镜像电流源基本MOS镜像电流源如图所示 V1 V 为两个性能匹配的ENMOS管 Ir为参考电流 若两管工作在恒流区 则有 忽略沟道长度调制效应 则 若两管宽长比相等 为镜像电流源 若宽长比不等 则为比例电流源 6 6 1CMOS集成运放中的基本单元电路 实际MOS管镜像电流源 UDD uDS3 uDS1 uDS3 uGS3 uDS1 uGS1 当选择UDD 2UGSthV1V2u均工作在恒流区 则有 用V3管实现参考电流Ir 图中 若V1和V3管的宽长比为n 则 在已知n值时 可解得 再根据Ir式 可解得Ir值 二 CMOS互补放大器 放大管为NMOS 有源负载管为栅压恒定的PMOS管 下面通过图解来确定工作点 由于ID1 ID2 当EG2选定后 uGS2 EG2 UDD uDS2 uDS1 UDD 此时的输出特性 现将该输出特性曲线的原点设在V1管输出特性曲线的UDD处 则该特性曲线 即为V1管的直流负载线 如图示 直流负载线 uI UGSQ1 ui 当uI UGSth1 V1管截止 UDS2 0 ID1 ID2 0 UDS1 UDD UGS1A uI UGS1B 如AB段 V1和V2管均在恒流区 UGSth1 uI UGS1A 如oA段 V1管在恒流区而V2管在变阻区 uI UGS1B 如BC段 V1管在进入变阻区而V2管仍在恒流区 显然 V1和V2管都应工作在恒流区即AB段 且Q点最好设在AB的中点处 CMOS互补放大器的交流等效电路及电压增益 可见 CMOS放大器的电压增益随IDQ减小而增大 因此特别适和于小电流下工作 作为低功耗放大器 其Au 1000 三 CMOS管差动放大器在MOS集成运放中 作为输入级的差动放大器 一般是由两个对称的有源负载MOS放大器经电流源耦合构成 CMOS差动放大器如下图所示 由于电路采用镜像电流为负载 因而从Ud2输出的单端电压增益与双端输出相同 即 可见 当后级接输入电阻极大的MOS管负载时 该级差放具有很高的电压增益 四 CMOS集成运算放大器5G145735G14573是一种通用型CMOS集成运放 它包含有四个相同的运放单元 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 输入级是CMOS差动放大器 只是用PMOS管V3 V4组成差放管 而NMOS管V3 V4接成镜像电流源作有源负载 该运放由两级放大器组成 输出级是CMOS共源放大器 V7NMOS管为放大管 V4PMOS管为有源负载 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输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性 二 失调的温漂在规定的工作温度范围内 UIO随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂 以dUIO dT表示 在规定的工作温度范围内 IIO随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂 以dIIO dT表示 三 输入偏置电流IIB静态时 输入级两差放管基极电流IB1 IB2的平均值 即 四 开环差模电压放大倍数Aud五 共模抑制比KCMR六 差模输入电阻Rid七 共模输入电阻Ric八 输出电阻Ro九 输入电压范围 十 带宽转换速率 压摆率 SR该指标是反映运放对高速变化的输入信号的响应能力 运放在额定输出电压下 定义为输出电压的最大变化率 即十二 静态功耗Pc十三 电源电压抑制比PSRR 作业 p2286 8 6 12 6 13 三 克服交越由于晶体管实际存在导通电压 硅管约为0 7V 因而在正负半周内 只有当信号的绝对值大于0 7V时 管子才导通 而在0 7 0 7V之间 两管的输出电流近似为零 因此 输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真 如图所示 这种失真通常称为交越失真 该图是利用两管的合成转移特性曲线 即iC与uBE的关系曲线 形象地来说明交越失真产生的原因 二 MOS管镜像电流源基本MOS管镜像电流源如图所示 图中V1 V 为两个性能匹配的ENMOS管 Ir为参考电流 若两管工作在恒流区 则有 忽略沟道长度调制效应 则 若两管宽长比相等 为镜像电流源 若宽长比不等 则为比例电流源 参照图4 24 V8 V13 R4和R5构成电流源组 其中 V11