电子技术基础档模电第五章

1、第五章集成运算放大电路教学内容§5.1§5.2§5.3集成放大电路的特点集成集成的主要技术指标的基本组成部分§5.4§5.5§5.6集成的典型电路各类集成运算放大的性能特点集成使用中的几个具体问题§ 5.1 集成放大电路的特点一、集成电路的分类：集成电路简称 IC (Integrated Circuit)数字集成电路按其功能分模拟集成电路集成运算放大器；集率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。模拟集成电路类型集成电路的外形(b)圆壳式(a)双列直插式(c)扁

2、平式§ 5.1 集成放大电路的特点二、集成电路的特点：1. 对称性好，适用于差分放大电路。2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3.在上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。4.在上制作比较大的电容和电感非常，电路通常采用直接耦合电路方式。5. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 b 值差别较大， 通常 PNP 的 b 10 。§ 5.2集成的主要技术指标集成运算放大器的符号反相输入端A+输 出 端同相输入端§ 5.2集成的主要技术指标一、运算放大器的静态技术指标1输入失调电压 UIO

3、定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。：UIO 为 1 10 mV；一般：UIO 为 1 mV 以下。高质量输入失调电压温漂 aUIO= dUIO定义：a一般UIOdT为每度 10 20 mV；高质量低于每度 0.5 mV 以下；§ 5.2集成的主要技术指标一、运算放大器的静态技术指标输入失调电流 IIO定义：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流 之差，即=- IB2IIOIB1为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。一般输入失调电流温漂 aIIO= dIIOa定义：IIOdT一般为每度几纳安；高质量的每度几十。§ 5.2集成的主要技术指标一、运算放大

4、器的静态技术指标输入偏置电流 IIB定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平 均值。= 1 ( I+ II)IBB1B22最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。最大差模输入电压 UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。§ 5.2集成的主要技术指标二、运算放大器的动态技术指标开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为 UOA= 20lg：分贝od U - U+-理想情况 Aod 为无穷大； 140 dB。差模输入电阻 rid实际情况 Aod 为 100 = UId定义： r一般集成为几兆欧。id IId§ 5.2集成的主要技术指标二、

5、运算放大器的动态技术指标10共模抑制比 KCMRAod= 20 lg定义：KCMRAoc在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。多数集成11 - 3 dB带宽 fH表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成几赫至几千赫。fH 只有§ 5.2集成的主要技术指标二、运算放大器的动态技术指标12Aod增益带宽 BWG降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1 。13 转换速率 SR额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输为V / ms 。出电压的最大变化率。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成的 SR 值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态

6、功耗及输出电阻等。§ 5.3 集成的基本组成部分输入级：（前置级）电路：一个高性能的差动放大器特点：输入电阻高，抑制温度漂移能力强，静态电流小。偏置电路输出级中间级输入级§5.3.1偏置电路作用：向各级放大电路提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。一、镜像电流源1.电路组成：对称（三极管的工艺、结构和参数都一致）+VCCIREFIRIC1C22IBIB2IB12.基准电流：VTVT+12UBE2UBE1- UV= I REF=I R CCBE 1R§5.3.1偏置电路- 2 IC 2= I= I- 2I= I3. 电路对称： IbC 2C1REFBREF12b

7、+ 2= I= I(1-I)4. 镜像电流：C 2REF1+ 2REFb >>2 II+VCCC2REFIREF2IBRIC1IC2R值确定后，I就确定，REFI也随之确定。IIC2B2B1VTVT+UBE1+125. 特点：三极管集电极电流是UBE2电流源电路的镜像（电流相等）适用于较大工作电流的场合（mA级)§5.3.1二、比例电流源在镜像电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻， 使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。偏置电路+VCCIREFRIC22IBIC1IIB2B1VTVT+ UBE1+12UBE2Re2UBE1 + IE1 ×

8、; Re1 = UBE2+ IE 2 × Re2Re1UBE1UBE2IE1Re1IE2Re2Re1IC 2Re1»II»忽略基极电流有：C 2REFRIRe2C1e2§5.3.1三、微电流源通过接入Re 电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。偏置电路引入Re后将使UBE2<UBE1,可得+VCCIREFUBE1-UBE2=IE2ReIC2ReIRC22IBDUIC1VT1»IC 2 BEReVT21. 电源电压波动对工作电流IC2的影响不大。2. 提高了恒流源对温度变化的稳定性。Re§5.3.1偏

9、置电路与镜像电流源比较，微电流源的特点：1. 提高了恒流源对电源变化的稳定性。2. 提高了恒流源对温度变化的稳定性。3. 由于引入了电流负反馈，微电流源的输出电阻比T2本身的输出电阻（rce)要高得多。§5.3.2差分放大输入级直接耦合放大电路的零点漂移现象：零点漂移：直接耦合放大电路的输入端短路（ui=0）时，输出电压却不为零，这种现象 称零点漂移（或温度漂移）。：主要是三极管的温度漂移。基本形式长尾式 恒流源式电路形式克服零点漂移的主要方法是采用差分放大电路。§5.3.2差分放大输入级一、基本形式差分放大电路1. 电路组成：由对称的两个基本放大电路组成，对称的含义是两个

10、三极管的特性一致，电路参数对 应相等。+VCCb =b =b12Rc2Rc1UBE1=UBE2= UBErbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBORRb2+ uob1R1VT2VT1+u1 uId2Id+1R=R= RuId2C1C2CR2Rb1=Rb2= RbR1=R2§5.3.2差分放大输入级根据规定的正方向，在一个输入2.差分放大电路的端号反之，如果所得到的输出所差分放大电路一般得则 信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。同相输入端反相输入端信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为入。

11、差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2 对地输出称为出。§5.3.2差分放大输入级3.差模信号和共模信号差模信号共模信号是指在两个输入端加上幅度的温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信 号抑制。输相等，极性相反的信号。信号。§5.3.2差分放大输入级4.差分放大电路的工作原理对共模信号有抑制作用：电源电压波动、外界干扰、温度变化引起的电路内部电流及电位的变化， 均可认为是共模信号。+VCC输入信号为零时:i=iu=uRRb2C1C2O1O2+

12、 uoVT1b1uo=uo1uo2=0温度变化引起：R1VT2+u1 uId2Id+1uId2R2共模电压放大倍数D uoA= 0o2+ uo2)=0ucD uIcRc1Rc2§5.3.2差分放大输入级对差模信号有放大作用：差模信号（有用的信号）输入时，+VCCRc2Rc1由于输入端信号大RRb2+ uob1小相等，方向相反，R1VT因此，若iC1 ,则VT12+1+uIduId2i。+1 uC2IdR22uO=(uO1+uO1) (uO2 uO2)=2uO1§5.3.2差分放大输入级+VCC求差模电压放大倍数：= uoRc2Au =uuRc1oo1o2udRuRb2+ u

13、ob1iu = 1 u+ 1 u 2R1= uVTiIdIdIdVT122+1 uIdu2两边电路参数对称Id+1uId2R2A=A则有：u1u2u= A× 1 u= 1 A× uo1u1Idu1Id22u =uu=Au=Auoo1o2u1Idu2Id11= Au 2 × (- 2 uId ) = - 2 Au 2uIduo 2= uo= Au1ui= AAudu1uuii§5.3.2差分放大输入级5. 共模抑制比CMRR (Common Mode Rejection Ratio）Aud= 20 lg Aud或=KKCMRACMRAucucAudAu1=

14、 ¥K基本差分放大电路： CMRA0uc共模抑制比越大说明电路对零漂的抑制能力越强。6.该电路存在的缺点:不易保持电路的对称性，单管仍存在零点漂移，两个三极管输出端的温漂不可能完全抵消。为了减 小每管的零漂，采用长尾式电路。§5.3.2差分放大输入级二、长尾式差分放大电路1.电路组成：添加Re，似尾巴，称长尾式差分放大+VCCRRcc电路。添加负电源VEE，去掉Rb。+ uoR1uIdVT1VT2+1+uId2+1 uReIdR22-VEE差模输入双端输出§5.3.2Re和VEE的作用：静态时：差分放大输入级+VCCRRcc+ uoR1IRe=IE1+IE2=2I

15、EURe=IReRe=2IEReVTVT+1+uId12uId2+1uId2ReR=IE(2Re )2-VEERe越大，负反馈越显著，抑制作用越强，但差¯¯T号o UE会使UBE,工作电流变小，电路不能正常工2作，因此应加VEE. VEE和Re提供基极偏置电流,不再需要Rb.§5.3.22.静态分析由于电路完全对称，因此两管的静态工作点相同。差分放大输入级0 - IBQ1 × R1-UBEQ1- 2IEQ1Re= -VEEVEE -UBEQ1=IR + 2(1+ b )RBQ11» bIBQ1eICQ1UEQ=UBQUBEQUCQ1=VCCIC

16、QRCUBQ=IBQR1UCEQ=UCQUEQ=VCCICQRC+IBQR1+UBEQ§5.3.23. 动态分析分析一边的单管电路即可，注意公共元件的处理。差分放大输入级+VCCRRuocc+ DuRcRcR1o+VTRVTDuI2+1R2+DuI1LuId22u12Id+R1 uRRL中点为交流地电位， 2TR12ReIVdVT2每边负载RL/2,Re对差模信号短路。-VEE§5.3.2差分放大输入级差模电压放大倍数:R / RLRcRcDu = Uod1co+2= -bADuI2ud1R + rRL 2RL 2DuUI1id1be1R / RLRRVTVT2= Uod

17、2c12= -bAud 2R + rUid 2be 2= Uod1 -Uod 2= 2Uod1= A= AA单管放大倍数udud1ud 2-UU2Uid1id 2id12） 差模输入电阻：Rid=2(R+rbe)3） 差模输出电阻：Ro=2Rc单管的2倍单管的2倍§5.3.2差分放大输入级VCCRcuI2uI1RWRRVT1VT2ReVEE+uoRcRL§5.3.2差分放大输入级三、恒流源式差分放大电路Re越大，抑制零点漂移的效果越好。但Re过大，会导致：若VEE一定，则IEIB,非线性失真大若IE一定，VEE要大大增大。并且在集成电路中制作大电阻较。因此，用恒流源代替Re

18、，既能起到大电阻的作用，又不需很高的负电源电压。§5.3.2差分放大输入级三、恒流源式差分放大电路用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即流源式差分放大电路恒1. 电路组成+VCCRcRcVT3：恒流管+uouuI2Rb2I1作用：能使 i、C1RRVT1VT2iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。VT3Rb1ReVEE§5.3.2静态分析差分放大输入级2.当忽略 VT3 的基极电流时，Rb1 上的电压为Rb 1=+ VU(V)Rb 1CCEE+ RRb 1b 2UR- U+VCCBEQ3ICQ3 » IEQ3= b1ReRRcc+uo1uI1

19、uRICQ1 = ICQ2 » 2 ICQ3I2b2RRICQ1VT1VT2IBQ1 = IBQ2»bVT31UCQ1 = UCQ2= VCC- ICQ1 RCRb1ReVEEUBQ1 = UBQ2= -IBQ1 R§5.3.2动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它差分放大输入级3.的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为b ( R/ RL) uOC2A = -d u- uR + rI1I 2be差模输入电阻为= 2( R + rbe )Rid差模输出电阻为Ro = 2Rc§5

20、.3.2差分放大输入级四、差分放大电路的输入、输出接法双端输入、双端输出；双端输入、出；四种不同的接法入、双端输出；入、出。1. 双端输入、双端输出+VCCb (R/ RLRcRc)+ uoC2A = -udI2R + rVTVT12be+uIRRR= 2(R + r)idbeIRRo = 2RcVEE§5.3.22. 双端输入、差分放大输入级出uO 约为双端输出的一半，即= - 1 b ( RC / RL )AdR + r2be+VCCRcRc+uuoI2o+uRR= 2(R + rbe )VT1VT2RidIIRR = RocVEE若由 VT2 集电极输出， uO 为“正”。&#

21、167;5.3.2入、双端输出入当共模负反馈足够差分放大输入级3.+VCCRcRc+uoVT2VT112+uIR强时RuE =uI= u - u» 1 uI uBE1IEI2VEE= 0 - u» - 1 u uBE2EI2三极管仍然基本工作在差分状态，所以b ( R / RL )CR + r2A = -R= 2( R +r= 2R)Ridbedocbe§5.3.2入、差分放大输入级4.出+VCC= - 1 b ( RCRcRc/ RL )A+uR + rbed2o+uIR若改从 VT2 集电极RVTVT21输出，则I= 1 b ( RC / RL )AVR +

22、rEEd2be» 2( R + rbe )RidRo = Rc这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。§5.3.2差分放大输入级结论(1)双端输出时，Ad与单管Au 基本相同；出时，Ad 约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro = 2Rc；出时， Ro = Rc 。双端输出时，理想情况下，KCMR ¥(2)；出时，共模抑制比不如双端输出高。(3)出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。(4)入时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。入时， Rid » 2(R + rbe)。(5)§5

23、.3.3中间级中间级的主要任务：提供足够大的电压放大倍数。集成的中间级经常利用三极管作为有源负载，并且常常采用复合管的结构形式。一、有源负载：利用有源负载代替负载电阻Rc，可获得较高的电压放大倍数。§5.3.3中间级一、有源负载基准电流+VCCVT3VT2I = VCC - UBE3+uORIR+uIVT1§5.3.3中间级有源负载的差分放大电路+VCC放大电路采用差分输入、出；VTVT34ioic4ic2ic3ic1I工作电流由恒流源决定；+输出电流Dio = Dic4 - Dic2 = 2Dic4I VEE该电路有相当于双端输出时的 Dio，在集成中的应用十分广泛。VT1VT2uI&#