模电sun2篇3章集成运放

1、2.3.1集成运算放大器概述集成运算放大器是非常重要的一种集成电路，它的应用十分广泛。主要应用在模拟信号的运算、放大、检测、信号变换、信号处理、信号产生等等场合。是通过半导体集成工艺制成的一种高增益、直接耦合式多级放大器。一、集成的典型结构的典型电路通常有三级放大电路组成第三章 集成运算放大器 中间级采用CE(CS)电路 低输出电阻，较强带负载能力输出级采用互补对称式射极跟随器结构高电压增益输入级采用差分放大电路低温漂，高共模抑制比和高输入电阻 同一硅片相同工艺元件参数具有良一致性和同向偏差面积小功耗很低工作电流极小(如几 几十微安)无造大容量电容的主要特点二、集成采用直接耦合方式采用微电流源

2、作为偏置及集电极电阻采用有源负载采用结构对称为特征的电路1具有“二高一低”特性。即高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器。2在理想条件下，集成运算放大器可以电压源（VCVS）。等效成一个电压的主要特点二、集成国标符号简化符号习惯符号反相输入端输入信号与输出信号相位反相同相输入端输入信号与输出信号相位同相的电路符号集成在低频小信号，工作在线性区的条件下运算放大器可用下面电路等效在理想条件下有：RidRo0 Aod低频小信号电路模型2.3.2集成中的恒流偏置电路提供静态工作点镜像电流源基本镜像电流源电路T1和T2参数和特性完全相同， T1管的VCE=VBE=0.7V，工作在临界饱和状态

3、。RREF确定参考电流IL = IC1» IREF因为使IC1和IL呈镜像组成镜像电流源晶体管T1、T2RREF中的参考电流为- VBE= VCCIREFRREF+ 2 ´ IC1= I+ 2I= IC1BC1b= b´ IIC12 + bREF-VBE= VCC当b >> 2I= I» I= IB 2= IC 2IB1IC1LC1REFRREF( b > 50时,误差<5%)该电路具有一定的温度补偿作用：IL ¯RREF压降增加I L­T ­VB ¯IB ¯­IC1电路

4、由三只晶体管组成，在负载电阻R L 上将流过恒定的电流I。电路要求T1、LT2、T3晶体管参数相同，特性也相同。参考电阻RREF决定参考电流IREF，晶体管T1、T2组成镜像电流源结构，T管为减小IL电流与参考电流的误差而设置，射极电阻Re3为提高T1、T2管集电极电流镜像精度，约为几十千欧。电路中：令b- 2VBE相同= VCCIREFRREFIE 31+ b= I+ I= I+IREFC1B3L+ 2IL / b+ 2IB 2= I= I1+ b1+ bLL= 2 + b (1+ b ) I= b (1 + b )IIb (b +1)LL2 + b (1 + b )REF当50时，输出电流

5、IL与参考电流IREF的相对误差 小于0.08%温度补偿作用：实际电路中，接入电阻Re3，其作用：增大T3管工作电流，从而提高T3管的。=+I e 3I B 1I B 2I Re 3因为：多路电流源电路当参考电流IREF 确定后，在各支路串入不同的射极电阻，可得到不同的输出电流。IC1IC 2IC 3+ IE Re= VBE1 + IE1Re1= VBE 2 + IE 2 Re2 = VBE 3+ IE 3 Re3VBE» I E1 Re1 » I E 2 Re2» I E 3 Re3I E ReI REF Re» IC1 Re1 » IC 2

6、 Re2» IC 3 Re3m741型电路图2.3.3 差分放大电路输入级一、差分放大器的结构和工作原理电路结构 1、特性和参数完全对称的T1和T2管发射极连在一起后，通过电阻接负电源； 2、两个基极分别加入两个输入信号； 3、集电极通过RC电阻接另一正电源； 4、输出从两个集电极之间引出。从结构可以看出，该电路的输入有两种方式：(a)两输入端同时对地输入信号双端（边）输入+(b)一端接地，另一端输入信号（边）输入+两种输出方式：(c) 输出信号取自两个集电极双端输出(d)输出信号取自一个集电极对地信+-+-号出（边）输1.静态分析(直流分析)vI1和vI2都为零，即输入端接地+ (

7、IE1 + IE 2 )Re = VEEVBE= -0.7 + VEE= 1 I2I= IE1E 2Re2ReIRe= I» I= IIC1C 2E1E 2= Vo 2 = VCC - IC RCVo1Vo = Vo1 - Vo 2 = 0如果双端输出时，输出为零当两输入端的信号分别为DvI1DvI 2则两端信号可以分解为:DvId= DvI1 - DvI 2DvId两信号之差= DvI1 + DvI 2Dv两信号平均值Ic21端对地仍是DvI12端对地仍是DvI 2DvId称差模信号差模信号差模信号两个大小相等，而极性相反的信号DvIc称共模信号两个大小相等，而极性相同的信号差模信

8、号和共模信号分别单独时进行分析,而差分放大器的总输出应该是差模输出成分和共模输出成分之和。共模信号共模信号Avc小Avd大Dvo = Dvod + Dvoc= Avd DvId+ Avc DvIc差模增益共模增益共模输入差模输入总量直流量直流通路实际电路差模交流通路共模交流通路交流通路差模量总变化量差模信号共模信号实际信号共模量差模输入方式：只考虑差模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个幅度相同而极性相反的信号。共模输入方式：只考虑共模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个极性相同且幅度也相同的信号。Avd大Avc小差分放大电路端和端分别加入图示的信号电压，其电路的差模电压增益Avd-8

9、0，共模电压增益为Avc-0.01，试求vO？解：电路的差模信号为：两端输入信号之差DvI d= DvI 1 - DvI 2 = 5.01V - 4.99V = 0.02V电路的共模信号为：两端输入信号之平均值= DvI 1 + DvI 2= 5.01V + 4.99V = 5.0VDvI c22DvO= Avd × DvId+ Avc × DvIc= -80 ´ 0.02V + (-0.01) ´ 5.0V = -1.65V二、差分放大电路动态指标的计算差模电压放大倍数Avd共模电压放大倍数Avc 差模输入电阻Rid差模输出电阻Rod 共模抑制比KCM

10、R1.差模工作状态分析差分放大器只差模输入信号时。差模交流通路注意：在差模信号作用下，e点交流接地DiB1 = -DiB 2DiE1 = -DiE 2Dv = (Di+ Di) × R = 0eE1E 2e发射极在差模交流通路流接地。 C1 C2 B2B1DiB1= -DiB 2 C1 B1+ + DiB1RCRCDiB2B1 C1C2 B2+Dvi+C1Dvrbe-Id2r Id bDibDibe2B1B 2e- +B2 C2 C1 B1+ + C1 C2 B2B1+B2 C2 DiB1 = -DiB 2= - b Rc差模增益电压增益：= -bDiB1Rc+ bDiB 2 RcA

11、双端输出vdDir- DirrbeB1 beB 2 be= - b Rc= Dvod1输出Avd1Dv2rIdbe= + b Rc= Dvod 2输出Avd 2Dv2rIdbe如果双端输出和输出分别接负载电阻RL时，电压增益表达式如何变了？B1+ C1 + +B2 C2 b (R / RL )双端输出c2= -Avdrbe输出(接负载)= - b (Rc / RL )Avd12rbe差模输入电阻 Rid+= DvId+= 2rRidbeDiId-+= 2Rc差模输出电阻 RodRod双端输出= RcRod输出双入/双入/单入/单入/2. 共模工作状态分析差分放大器只共模输入信号时。注意：在共模

12、信号作用下Dve1 = Dve2 = 2Die Re = Die (2Re )- D双端输出DvDvvoc 20DvI1 = DvI 2 = DvIcDiB1 × rbe + (1+ b )DiB1 × 2ReA= 0 oc oc1vcDvDvDvIcIcIc-bDiB1 × RC= Dvoc1= DvIc=Avc1× r+ (1+ b )DiDvDi× 2RDvIcIcB1beB1eDi= Di=输出B1B 2r+ 2(1+ b )RDvbee= oc1 = -cAr+ (1 + b )2Rvc1DvIcbee 共模抑制比KCMR定义：差模电

13、压放大倍数与共模电压放大倍数=| Avd之比的绝对值。K|CMRAvc= 20 lg | Avd| (dB)常用分贝表示：KCMRAvc理想的差分放大电路双端输出时，因共模电压增益为零，所以：KCMRbRc= Dvoc1= -Avc1r+ (1 + b )2RDv输出时，只有增大Re电阻才能减小共模增益，从而增大共模抑制比。Icbee= - b Rc= Dvod1Avd1Dv2rIdbe+ 2(1+ b )ReAC1d= rbe=KCMRA2rC1cbeRe 越大KCMR 越大,实用电路常用恒流源代替R e这种差分放大器通常采用电流源供电，以提供静态工作电流的同时,解决射极大电阻的问题。电流源

14、电路等效电路电流源供电差分电路电流源电路Rb 2V ¢ =R = R/ R´Vbb1b 2EEER+ RRbb1b 2VE¢ - 0.7=IB3R + (1+ b )Rb3e3= IC 3 » IE 3 = (1+ b3 ) ´ IB3IO3Re3电流源电路I&b当 rceRo3 时，RbRbb I&brbeRe3Re3差分放大电路如图所知 b =80 ，示，已rbe=2kW。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri 和输出电阻Ro。解：先画出差模交流通路：双端输入双端输出= DvOdAvdDvIdbRc= -+ (1

15、 + b )Rerbe80 ´ 5= -= -66.12 + 81´ 0.05= 2rbe + (1+ b )Re Rid= 2 ´ (2 + 81´ 0.05) = 12.1kWRo = 2Rc = 10kW电路， 已知=50，rbb=300，Rw 在中间位置，求:(1)(2)ICQ；Avd、Rid和Rod；(3) KCMR；(4)若vI1=16mV，vI2=10mV， 求vO1。解：(1)求ICQ；Rw= V+ I+ 2IVREEBEEEe2- 0.7= VEE» IICQEQR+ 2Re W 211.3= 0.56 mA0.05 + 20

16、+ (1 + b ) VTr= rbebb 'IEQ26= 300 + 51´= 2.67kW0.56(2) 求Avd、Rid和Rod；双端输入输出b (Rc= DvO/ RL )= -AvdDvéùúûR+ (1 + b ) w Id2 rêëbe250 ´ (15 /10)= - = -28.72 2.67 + 51´ 0.05= DvId= 2ér+ (1 + b ) RwùRêëúûidbeDi2Id= 22.67 + 51

17、80; 0.05 = 10.44kW= Rc = 15kWRod(3)求共模抑制比KCMR；b (Rc / RL )A= -vcr+ (1+ b )( R+ 2R ) wbee250 ´ 6= -= -0.292.67 + 51´ 20.05=| Avd|= 28.7 = 100(40dB)KCMRA0.29vc(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，则DvId= DvI1 - DvI 2= 6mV= DvI 1 + DvI 2Dv= 13mVIc2DvO1 = Avd DvId+ Avc DvIc= -28.7 ´ 6 - 0.29 ´13= -1

18、76mV已知b1=b2=b3=50， Rbb=200 ,rce=200k, VBE=0.7V,试求：= ?Avd 2= ?KCMR= ?= ?RidRod电流源代替Re提供工作点（1）求静态工作点，计算rbe。等效解：R2=´ 9 = 3.14VVB3R + R12= R1 / R2 = 3 / 5.6 = 1.95kWRb33.14 - 0.7=» 0.039mAIR+ (1+ b )RB3b33e3» 1 I= 1 ´ (1+ b ) ´ 0.039 » 1mA= IIE1E 2E 3322+ (1+ b ) VT» 1

19、.5 kW= Rrbe2bb'IEQ（2）求差模电压增益。b ´ (RC / RL )= 1 ´2Avd 2+ (1+ b ) ´ RR+ r W b 2be 2250 ´ (4.7 /10)= 1 ´» 1220.1 + 1.5 + (1 + 50) ´ 0.1（3）求电流源电路输出电阻RO3DVo = DIcerce +(DIce + DIb + bDIb )Re3DIb (R1 / R2 + rbe ) +(DIce + DIb + bDIb )Re3 = 0= æb Re3ör= DVoD

20、Vo=ç1+ R/(r + R / R )R÷b DI + DIo3DI+ R+ R / Rcee3be12rè2 øobcebee31» æb Re3öç1+ r= 4.644 MW÷ rce+ Rèe3 øbe（4）求共模电压增益b ´ (RC / RL )= -AvC 2+ (1 + b ) ´ (0.1 + 2RR+ r)b 2» 0.000344be 2o3（5）求共模抑制比=| Avd 212|=» 34883.7(90.85dB)K

21、CMRA0.000344vc 2（6）求差模输入电阻和输出电阻R= 2R+ r+ (1 + b ) RWidb1be2= 13.4KW= RC= 4.7KRod 4.场效应管差分放大电路FET差分放大电路差模输入电阻很高， 减小了输入偏置电流的不对称性。g1d1d1d2g2g1sd2g2差模信号作用下的微变等效电路双端输出：Dv-g Dv+ g DvR'R'RA= Od mGS1LmGS 2L = RR '/L 2vdDvDv- DvLdIdGS1GS 2Dv2DvR'gDvGS1= -DvGS 2A= -GS1mL = -g' Od RvdmLDv2D

22、vIdGS1= DvIdR=2R® ¥RoddidDiId5.FET和BJT混合型输入级双端输入输出S源极电流源电路T1、T2差分管漏极电流源电路Ri 2源极电流源电路分析sdg&&V&&'- g)r+ I RV''(IR=() o omgsdso3=&&'QV= -I Ro&'&I'Igso3oRL =¥o&&&+ g I R )r+ I R'''(I= omo3dso3&'Io= (1+

23、 gm R3 )rds + R3R06准共射的输出电阻当差模信号输入时Dv= -DvGS1GS 2DiD1 = -DiD 2DiC 5 = DiC 6DiD1 » DiC 5SDi= Di- Di» 2DiodD 2C 6D 2= Dvod= Diod ´(Ri 2 / rds 2 / R06 )AvdDvDvIdId= 2DiR ¢ = 2(-g Dv¢= g)R¢ D 2i 2 mGS 2i 2 Rmi 22Dv2DvRGS1GS1i 2电路是双端输入是三管电流源，使得的效果。输出结构，由于漏极输出具有双端输出当共模信号输入时Di

24、C 5 = DiC 6DiD1 = DiD 2DiD1 » DiC 5DiC 6» DiD 2Dioc = DiD 2 - DiC 6 » 0说明输出同样具有双端输出时的共模抑制效果。 2.3.4 集成的中间级和输出级主要任务是提高电压增益，常用共射或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益= - b (Rc / RL )的主要途经如下：Avrbe Rc代之以恒流源 采用纵向三极管或达复合管，提高值 增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换一、的中间级电压增益的主要承担者射极跟随器措施+恒流源负载T1、R1其内阻R为恒流源电路，(»1 +gm1

25、R)dsro1而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3起提高电Ri 4路工作Av性的作用。(1+ b2 )R2 / Ri3Ri3éù/=× ê-3ú+ (1+ (1)/)Rëûbeibe3其中Ri3是T3级输入电阻,Ro1是T1电流源内阻, R03准共射输出电阻 。T2是CC，提高Ri2，提高输入级差分放大增益复合管+恒流源负载措施镜象电流源T1和T4、R4为镜象电流源，T2、T3复合管= DvOAvDvIRi 3» - b 2 b3 (RO1 / rce3 / Ri3 )R i 2Ri 2RO1是镜象电流源

26、内阻+ (1 + b 2 )rbe3Ri 2= rbe 2二、对集成输出级互补对称输出电路输出级电路的要求 输出电阻小 输出级的输入电阻又必须大 最大不失真输出电压尽可能大T1T2由两只参数和特性完全对称的NPN和PNP管组成互补对称电路。静态(vi=0)时，T、T 管均截止，vO0；在输入正弦信号时：T1当输入信号正半周(vi0)时，T通，T管截T2止，流过负载电阻RL的电流路径为：VCCT1RLGND当输入信号负半周(vi0) 时，T1管截止，T2通，电流路径将为GNDRLT2-VCC在一个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号周期。T1T2管子属于乙类放大：导通角为=,三极管半通甲类

27、放大：导通角为=2,前面讨论的单管放大电路ic甲乙类放大：导通角介于和2之间Q甲类甲乙类Q乙类vce互补对称放大电路的最大输出电压由于互补对称电路在一周内两只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管工作时的负载线如图。ic1T1vce1vce20VCCT2Vomic 2最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为±15V时，最大不失真输出电压幅度±(1214)V。输入电阻较高为T1Ri= rbe + (1 + b)RLT2放大电路的交越失真问题ib1 / mAib1 / mA交越失真tvbe /V0T10ib 2ib 20T

28、2vi在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T 管均截止，产生交越失真。t2甲乙类互补对称输出电路具有静态偏置的互补对称输出电路利用二极管提供静态偏置，使输入信号为零时，两只管子全截止。静态时T1、T2处于通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1vb2vi。VB1=0.6V, VB2= -0.6V利用恒压电路提供静态偏置恒压源偏置电路» (1 + R2 )VR1»VVVCE 3BE 3BE 3CE 3R + RR112选择合适的R1、R2阻值，使VCE31.21.4V使T1T2通一、的电压传输特性和三项基本参数电压增益、输入电阻、输出电阻-om

29、V例如设A=10 ，5、odV +为±10V，om则±vId±10/105±10-4V±0.1mV在理想条件下集成过坐标原点。实际的电压传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在输入级电路中设置了调零端。RP输出调零电位器（1）开环差模电压放大倍数Aod等效电路DvDv= Od OdAodDvDv- DvIdPN为104106(即80120dB)。Aod在手册中Aod常以V/mV作100V/mV即为105。，如（2）差模输入电阻Rid= Dv Id= Dv P- Dv NRidDiDiIdId如CF741的Rid1M

30、，高阻型运放的Rid可达104M以上。（3）输出电阻Ro的输出电阻RO，通集成常为100至1k之间。由3项基本参数可画出的低频模型（1）输入失调电压VIO在vId=0时的输出电压称作集成输出失调电压，记作VOO。为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。= - VOOVIOAod（2）输入失调电压温度漂移dVIO/dT输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。该漂移越小越好。IIO（3）输入失调电流反映集成输入端输入电流的不平衡程度。=- I BN+ I BNI IOI BP输入失调电流= I BPI输入偏置电流IB2（4）输入失调电流温度

31、漂移dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。综合分析输出失调电压和失调电流的电路模型I IB(+)I IB(-)VId= I IB(-) R2 - I IB(+) R1- VIO= IIB(+)= IIB(+)- IIB(-)+ IIB(-)IIO= IR- IR - VVIB(-)2IB(+)1IdIOIIB2= -VIO- (I IB(+) R1- I IB(-) R2 )VId- é(Rùúû) I IO= -V- R+ (R + R)IêëIdIO12IB122- Aé(R - R )Iùúû) I IO= A×V= - A+ (R+ RVVêëOOododIOod12IB122注意：(1)实际应用中应选择R1R2。R、R2称为输入平衡电阻。此时,由输入偏置电流引起的输出失调电压为零了。- Aé(Rùúû) I