第6章集成运算放大器

1、第六章 集成运算放大器 集成电路：把元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。集成电路的特点:1 同一片内元件参数与其标称值之间的绝对误差较大，但元件参数的比值有良好精度，温度均匀性好。2 电阻元件由硅半导体的体电阻组成，阻值为几十几十千欧。高阻值电阻由恒流源代替。3 电容用结电容或 sio2介质电容，容量小，集成电路中大都采用直接耦合电路。4 三极管多用硅管，二极管多用三极管的发射结。5 多用复合结构和组合电路。集成运算放大器是一种直接耦合的高增益的多级放大电路。6-1 集成运算放大器中的恒流源电路恒流源电路：提供恒定输出电流的电路。 特点：输出电流的精度高， 温度稳定性好， 电流不

2、随输出端电压变化而变化。 (等效交流输出电阻大) 作用：为放大电路提供稳定的偏置电流， 作放大器的有源负载。 1 镜像恒流源电路镜像恒流源电路 电路特点：T1 ,T2两管参数完全相同。 VBE1=VBE2 IB1=IB2 IC1=IC2 IR=(VCC-VBE)/R IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC2/ IC2 =IR/(+2)当2时,IC2IR= (VCC-VBE)/R VCC/RT1VCCRRCIRIC12IBIC2T2T3减小IB的分流，提高镜像精度。Re3VCCT1RIRIC1IBIC2T2T32 微电流源微电流源VBE1=VBE2+IE2Re2IC2IE2=(VBE1-VB

3、E2)/Re2=VBE/Re2 VBE很小，用不大的Re2可得到微小的电流。 IR IE1=IES1eVBE1/VT IC2IE2=IES2eVBE2/VT VBE= VBE1-VBE2=VTln(IR/IES1)-ln(IC2/IES2)=VTln(IR/IC2)IC2=(VT/Re2)ln (IR/IC2)T1VCCRRe2IRIC12IBIC2T23 比例恒流源电路比例恒流源电路VBE1+IE1RE1=VBE2+IE2RE2VBE1- VBE2 =IE2RE2 -IE1RE1VBE1= VTln(IE1/IES)VBE2= VTln(IE2/IES)VBE1-VBE2= VTln(IE1

4、/IE2)VTln(IE1/IE2)= IE2RE2 -IE1RE10.1IE1/IE210|VTln(IE1/IE2)|0 , iC1, vC1 设增量为-v vi20, iC1 , vC1 增量为viC2 , vC2 理想对称时，增量仍为vvo=vC1-vC2=0电路的对称性及恒流偏置使共模增益很小。理想情况共模增益为零。差分式放大电路放大差模信号，抑制共模信号。vovi2VCCRCRCvi1I0ro-VEEiC1iC2且iC1+iC2=I0 iC1、iC2的变化极小。（理想恒流源iC1、iC2变化为0）零点漂移零点漂移：放大器无输入时，（输入端短路）输出电压仍然有缓慢的变化。（漂移）在直

5、接耦合放大器中，前级漂移将被逐级放大。产生漂移的主要原因：温度变化导致工作点变化。温漂指标：温度每升高1度，输出端的漂移电压折算到输入端的等效输入电压。在差分式电路中，温度的变化、电源的波动会使两管的集电极电流、集电极电压产生相同方向的变化，相当于在差分管的两输入端加入共模信号。由于差分放大器有很强的抑制共模信号的能力，零点漂移很小，特别适合作多级直接耦合放大器的输入级。2 抑制零点漂移的原理3 主要技术指标的计算差模输入交流通路vovi2VCCRC1RC2vi1I0ro-VEEIC1IC2(1)差模电压增益设: vi1=-vi2vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1RCvi1差模输入单边

6、交流通路vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1vo2iiA 双端输入、双端输出双端输入双端输出的差模电压增益与单边共射放大电路的增益相同。如果在输出端接负载RL,则负载的中点相当于交流接地Ri=vid/ii=2vi1/ii=2rbeRo=2RC2211ibeCoibeCovrRvvrRvbeLCbeLVDrRRrRA)2/()(2121iibeCooovvrRvvvbeCiioVDrRvvvA21B 双端输入、单端输出双端输入单端输出差模增益是单边共射放大电路增益的一半。在输出端接负载RLRi=(vi1-vi2)/ii=2vi1/ii=2rbeRo1= Ro2=RC2211ibeCoibe

7、CovrRvvrRvvo1vi2RCRCvi1iC1iC2vo2iibeLCbeLVDbeLCbeLVDrRRrRArRRrRA2)/(22)/(221beCiioVDbeCiioVDrRvvvArRvvvA2221222111C 单端输入vi1vevbe2ic2vBE1=vi/2vBE2= -vi /2等效输入电路单端输入时，差模增益与双端输入近似相同。iE1+iE20可以 近似认为ro是交流开路的。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevirbe1rbe2EB1B2 vBE1=-vBE2=vi /2=vid/2差模输入电阻与输入输出方式无关：ic1Ri=2rbeAVD= -RC/r

8、be (双端输出)AVD1=-RC/2rbe (单端反相输出)AVD2=RC/2rbe (单端同相输出)vi1= vi/2+ vi/2vi2 = -vi/2+ vi/2vid= vi1- vi2= vivic=vi/2在忽略共模增益时，单端输入差模增益与双端输入近似相同。差模增益只与输出方式有关。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevi1vi2利用叠加求单端输入差模增益输出电阻也只与输出方式有关。双端输出：Ro=2RC单端输出： Ro1=Ro2=RCvo=AVD vid+ AVC vic AVDvid= AVD vi(2) 共模电压增益viiC1 iC2 iro=2 iC1共模输入单

9、边等效交流电路viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevivi1vi2双端输出：viiC1 iC2 vo1 vo2 vo= vo1 - vo2 =0单端输出：viRC1vo1iC12roevi1Ric=(1/2)rbe+(1+)2ro rooCobeCVCrRrrRA22)1(1AVC=0表征差分放大电路放大差模信号，抑制共模信号的能力。 KCMR=|AVD/AVC| 或 KCMR (dB)= 20lg |AVD/AVC|双端输出: KCMR=单端输出: KCMR(单)= (RC/2rbe)/ (RC/2ro )=ro/rbe差模电压增益越大，共模电压增益越小，放大电路的性能越好。(3)

10、 共模抑制比KCMR)1 (idCMRicidVDicVCidVDovKvvAvAvAv6-2-2 FET差分式放大电路T2vo2iD2iD1VDD12VVSS-12VR120KR23.3KRd110KRd210KRg21MR32.7KRg11MIREFI0iE3vidT1T3T4IREF=(VDD-VSS-VBE)/(R1+R2)=1mAI0=IREFR2/R3=1.2mAID1=ID2=I0/2=0.6mA 单端输入同相单端输出T3,T4,R1,R2,R3组成比例恒流源电路,为T1,T2提供直流偏置.。RdsgRgdAVD1=vo2/vid=gmRd/26-2-3 差分式放大电路的传输特性

11、输出电流iC1,iC2随差模输入电压vid的变化曲线.用来确定差分式放大器的线性区TBETBEVvESECVvESECeIiieIii212211 Vid VT线性区VT Vid 4VT限幅区0212121IiieiiCCVvvCCTBEBETidTidVvCVvCeIieIi/02/0111差分放大器除放大小信号外，还可以作整形电路、电压比较器、限幅电路等。 6-3 集成电路运算放大电路(电压放大型)特点：高电压增益、高输入电阻、 低输出电阻、多级直接耦合。6-3-1 简单的集成电路运算电路组成:ANPO差分输入级电压放大级 输出级 偏置电路vo=AVO(vP-vN)T5VCC10ViR4i

12、c7iREFiE5iE6T3T4T6T7T8vi2T2ic1ic2vi1T1R113.4KR213.4KR819.3KR35.1KR41.9KR79.7KR53.5KR62.0KR01R02-VEE(-10V)T9Ri2Ri3vo静态分析: 设vi1=vi2=0时，vo=0 IREF=(VCC+VEE-0.7)/R8=1mA= IC8 = IC7IC1= IC2= IC7/2=0.5mAVC2=VCC- IC2R2=3.3vVE4=VC2-20.7=1.9vIE4= VE4/R4=1mAIC4IC3= IC4/=0.01mAVC3= VC4=VCC-IE4R3=4.9vVE5= VC3-0.7

13、=4.2vVB6=0.7v IE5= (VE5- VB6)/R5=1mA= IC9IE6=VEE/R6=5mA动态分析计算增益的两种方法 RSVSvo1Ri2 RLvoRinvo2Ri1法一：计算前级时，后级的输入电阻作为前级的负载电阻，求带负载的增益。3212312211,VVVVooVooVioVAAAAVVAVVAVVARLRo3voo3vovo1voo1Ro1RSVSRi2vo2Ri1Ri3Ro2voo2法二：对前级只求开路增益，然后将前级视为后级的信号源，前级输出电阻为后级信号源内阻，对后级求源增益。3212312211,VsVsVOVoooVsooooVsiooVOAAAAVVAV

14、VAVVARi3=rbe5+(1+5)R5+rbe6+(1+6)R6 =20.8MAV2=- 3 4 R3/Ri2=-2.6AV3=1AV= AVD1 * AV2* AV3=335vi2RC1vi1IC1RC2Ri2vo1T1T2Ri3T5T6R6voR5Ri2R4Ri3T3T4R3AVD1=vo1/(vi2-vi1)=-1(RC2/Ri2)/2rbe1Ri2=rbe3+(1+3)rbe4+ (1+4)R4 =19.9M AVD1- 1RC2/2rbe1=-129AV2=-3 4(R3/Ri3)/Ri26-4 集成电路运算放大器的主要参数1 输入失调电压VIO输入为零时，实际运放输出电压不为零。在温度25，标准电源电压下，为使集成运放的输出电压为零，在输入端所施加的补偿电压。其大小反映了运放中电路的对称程度和电平的配置情况。2 输入偏置电流IIB当输出直流电压为零时，两个输入端静态基极电流IBN和IBP的算术平均值。与输入级差分管的值有关。3 输入失调电流IIO集成运放输出电压为零时，两输入端静态电流之差。反映了输入级差分对管的不对称程度。4 最大差模输入电压Vidmax反相输入端和同相输入端之间所能承受的最大差模电压。超出此值，造成截止管发射结击穿。5 最大共模输入电压Vicmax保证运放正常工作，输入端所能承受的最大共模电压。超出