集成运算放大器

1、第六章集成运算放大器运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路由于该电路最初是用于书的运算,所以称为运算放大器随着半导体技术的开展，我们将整个放大器的管子、电阻元件、和引 线制作在面积仅为 0.5平方毫米的硅片上，组成集成运算放大器，简称集成运放。集成运放 工作在放大区时，输入与输出呈线性关系，所以又成集成运算放大器为线形继承电路。6.1零点漂移运算放大器均采用直接耦合方式，在第二章已经对直接耦合方式的特点及问题做了介 绍。这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。输入交变信号为零时的输出电压值被成为放大器的零点。零点不一定为零，但希望它 是零。由于直接耦合使得各级 Q点互相影响，如果

2、前级 Q点发生变化，那么会影响到后面各级 的Q点。由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经过多级放大器放大，使输出端产生很 大的变化。最常见的是由于环境温度的变化引起的工作点漂移(称为温漂)，它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。当输入短路时，输出将随时间缓慢变化， 这种输入电压为零，输出电压偏离零点的变化称为零点漂移，简称零漂。这种输出显然不反映输入信号的输出，这种假象将会造成测量误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时，将会淹没真正的信号。零漂不能一输出电压的大小来衡量。因为放大电路的放大倍数越高，输出漂移必然愈大，与此同时，输出信号也愈大，所以零漂一般将输出漂移电压折合到输入端来衡

3、量。产生零漂的原因，主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响。为了解决零漂，人们 采取了多种措施，但最有效的措施之一是采用差动放大电路。6.2差动放大电路根本形式V-f.i:图6-1根本差动式放大器如图6-1所示。 图中T1,T2是特性相同的晶体管，电路对称，参数也对称。女口： Vbe1=VbE2,Rc1=Rc2=Rc, Rbi=Rb2= Rb,沪伍=伎电路有两个输入端和两个输出端。 差动电路对电路的根本要求是：两个电路的参数完全对成，两个管子的温度特性也完全对称。工作原理(1)当 Vii=Vi2=0 时，即静态时，由于电路完全对称：lei = Ic2= Io/2, Rcilci = Rc2Ic

4、2, V。=Vc1-Vc2 = 0即输入为0时，输出也为0。(2 )参加差模信号时，即 Vs1=-Vs2=Vsd/2，从电路看VB1增大使得iB1增大,使ic1增大， 使得Vc1减小VB2减小使得iB2减小,又使得ic2减小， 使得Vc2增大.由此可推出：Vo=Vc1 - Vc2=2Vc1，每个变化量V不等于0,所以有信号输出。假设在输入端加共模信号 ,即 Vs1=Vs2， 由于电路的对称性和恒流源偏置 ,理想情况下 Vo=0， 无输出。这就是所谓 "差动 "的意思；即两个输入端之间有差异，输出端才有变动。6.2.3 、抑制零点漂移的原理在差分电路中，无论是温度的变化， 还

5、是电流源的波动都会引起两个三极管的ic及VC的变化。 这个效果相当于在两个输入端参加了共模信号， 在理想情况下， Vo 不变， 从而抑 制了零漂。 但凡对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号 。常见的有：(1) Vi1不等于-Vi2，信号中含有共模信号；(2) 干扰信号 (通常是同时作用于输入端 )；( 3 )零漂。实际情况下， 要做到两管完全对称和理想恒流源是比拟困难的， 但输出漂移电压也将大 为减小。综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的根本特征。通常情况下， 我们感兴趣的是差模输入信号， 对于这局部有用信号， 希望得到尽可能大的放大倍数； 而共模输 入信号可能反映由于温度变化产生

6、的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰 信号。对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。6.2.4 主要技术指标的计算(1)静态工作点的估算Ici =Ic2=Ic=Io/2Vci=Vc2=V cc- IcRcIbi =Ib2=Ic/ 3 =l/2 3(2)差摸电压增益和输入、输出电阻差放电路有两个输入端和两个输出端。同样，输出也分双端输出和单端输出方式。组合起来，有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出，单端输入双端输出，单端输 入单端输出。图 15.10(a) 双入双出电路差模输入：Vii=-Vi2=Vid/2，那么 ici 上升时,ic2 下降。假设电

7、路完全对称时，那么ci=Ac2，因为Io不变， 因此Ve=0，电路可以用图 6.9表示。23令% 巾-临 纠1由上面的计算可见，负载在电路完全对称，双入双出的情况下，Avd= Avi,可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。差模输入电阻Ri：从两个输入端看进去的等效电阻Ri=2rbe差模输出电阻Ro：从两个输出端看进去的等效电阻Ro=2RcRo, Ri是单管的两倍。(b) 双入单出电路对于差模信号：由于另一三极管的 C极没有利用，因此V0只有双出的一半。差模输入电阻：由于输入回路没变，所以Ri=2rbe,差模输出电阻：Ro=Rci。(c) 单端输入电路对于单端输入，相当与图6.10的b2

8、接地。当v>0时，洽增大，使ie1也增大，Ve增大。由于T2的b极通过接地，那么VBE2=0-Ve= -V e，所以有VBE2减小,ic2也减小。整个过程，在单 端输入Vi的作用下，两个BJT的电流为ici增大,ic2减少。所以单端输入时，差分放大的Ti、T2仍然工作在差分状态。单端输入与双端输入是一致的。小结： 只要是双端出，不管是单入还是双入，其Avd、Ri、Ro都是一样的。 只要是单端出，不管是单入还是双入，其Avd、Ri、Ro也是一样的。(3) 共模电压增益06.11双端输出的Ave。因为Vi1=Vi2，此时变化量相等，即VC1 =VC2，因此A = '0 = 耳風 卩&

9、quot;2 J A 血石6 °实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样，Ave也很小，放大电路的抑制共模能力还是很强的。单端输出的Ave对于共模信号，因为两边电流同时增大或同时减小因此在e极处得到的是两倍的ieoVe=2ieRe,这相当于每个BJT的发射极分别接2Re电阻，如图6.11所示。(这里的Re就是恒流源交流等效电阻)因此有(4)共模抑制比KcmrKcmr是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。定义为:Avd越大,Avc越小那么共模抑制能力越强，放大器的性能越优良，所以Kcmr越大越好。理想情况下：双端输出的 Kcmr =8单端输出的共模抑制比为：双端输出电路的总输出电

10、压:卩厂血池+血知血咖单端输出电路的总输出电压：呻+箫例1 :集成运放BG305的输入级如图6.12所示，各BJT的向=苦30 ,他=似=彷=旳=50 , 各 BJT 的 Vbe=0.7V , Rb=100K , Rc=50K , Rw=10K滑动端调至中点，Re=1K , Rl 即第二 级的Ri为23.2K 。求：1该放大级的静态工点；差动放大倍数 Avd ;差动输入电阻 Ri，差动输电阻 Ro。1C-iiMIXRC150AQvccrliRbJlOO23 2也+=*01-k 002ARel1T解i求放大级的静态工点Re2 100 + 1的=厶 + G 厶* " I© +

11、Q Q 'Q O.lSwulN %如(愆+ 0 5RQ =15-0.15(50+5)«6.75K厶i = z创违煜“凶0.1 = 1004解2差动放大倍数 AvdG = 1费-015mA厶 i = G =269Q张=3 =2000 += 200 + (1 + 30)航如13x103x10仏=X = 200 + (1 + 50)9.=1 + O + A>ks = 2fi9 + 31x9.1W551tQ"易属=30x50 =*1500R；=凤 + 0一宓甲恥5弘-50 + 5|0.5X23.2* 9.6俎1500x96551一26解(3)差动输入、出电阻 Ri、R

12、o鸟二瓦=2rw + a + ft)rw= 2x(269 + 31x9.1)71临Ro = 2& + Rw - 2x50 + 10 - 110AQ6.3电流源电路镜像电流源电路陸nr电路如图6.1所示。Ti,T2参数完全相冋,即3l= 32,IcEO1 =I CEO2 '从电路中可知 Vbe1 =V BE2 ,Iei =Ie2 , Ici=lc2t At "ci*2/j = I(n + 2孑1+2"当3 >>2时,式中Ir=Iref称为基准电流，由上式可以看出，当R确定后，Ir就确定，Ic2也随之而 定，我们把IC2看作是Ir的镜像，所以称图 6

13、.1为镜像恒流源。改良电路一:图6.2图6.2是带有缓冲级的根本镜象电流源，它是针对根本镜象电流源缺点进行的改良，两者不同之处在于增加了三极管 T3，其目的是减少三极管 Ti、T2的Ib对Ir的分流作用， 提 高镜象精度，减少 B值不够大带来的影响。丁 A1 Q + Ab °+ Ab * AS+ -佻十1+爲0 1+25烷+1改良电路二:图6.3图6.3是带有发射极电阻的镜象电流源，其中Re1 = Re2，两管的输入仍有对称性，所假设此电路Re1不等于Re2，那么IC2与Re1、Re2 的比值成比例，因此，此电流源又称为比 例电流源。微电流源图6.4电路如图6.4所示，当Ir 一定时

14、，IC2可确定为:可见，利用两管基-射电压差Vbe可以控制Io。由于Vbe的数值小，用阻值不大的Re2即可得微小的工作电流-微电流源。%又:26翩叭In红Ci J G假设组=10那么心& =26In 10 "0朋卩例：电路如图6.5所示,图5.5：BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。633、电流源的主要应用-有源负载前面曾提到，增大 Rc可以提高共射放大电路的电压增益。但是， Rc不能很大，因为在 集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替 Rc,其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小

15、。因而不致于减小输出幅度呢？自然地，我们可以考虑晶体管恒流源。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广泛地把它作负载使用-有源负载, 如图6.6所示。为了一为了提高放大为提高此电路6.4集成运算放大器介绍集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。 直零点漂移，所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。 倍数，中间级一般采用有源负载的共射极放大电路。输出级为功率大的电路,的带负载能力，多采用互补对称输出级电路。641、集成运放的根本组成框图和符号如图 6.14所示642、一个简单的集成运放(如图6.15所示)vcc +10 V图 6.

16、15(1)直流分析:当旳厂加丸昉 = 0艮=卩3 ICll SC?4 = CV IQi j?44 %i 2JS(R耳十血)卩口5 =卩CC 厶夙-$叭卩饵疔=CC(2)放大电路总增益的计算RA 即&"心+(1 + 0)也+("0)&】 “厂1王佃& 三岭2三小風)三护R口 “ 严鸟=_26 临 切鸟2&2為吩 Rjg RJ% +(Hj5) R, g + (1+ 叭= 5.1/20800 *5.1AfiAv = Avd ' AV2 -=129x(-2.6)xl = -3356.5集成运放的性能指标1、输入失调电压Vio2、输入偏置电流IIB(心+ 4)闵鬲10曲1倒3、输入失调电