模拟集成电路及运算放大器应用技术

1、第五章模拟集成电路及运算放大器的应用教学内容：理想运算电流源工作原理；差分放大电路的分析和计算；集成运算放大器及主要技术指标,放大器及其组成的各种运算电路，实际运算放大器运算电路的误差分析。教学要求：1熟悉集成运放的组成及各部分作用，正确理解集成运放主要指标的物理意义；2、了解电流源的工作原理；3、了解LM324的工作原理及应用重点、难点：集成运放的电路组成及各部分作用，集成运放主要性能指标的物理意义及选用。教学方法：讲授法、讨论法教学时数：12学时教学过程：5.1模拟集成电路中的直流偏置技术电流源电路1.镜像电流源T1、T2的参数全同即別=込ICEO1=ICEO2Vbe2=Vbei,Ie2=

2、Ie1,IC2C1当BJT的B较大时，基极电流Ib可以忽略VCC-VBE一(VEE)VCCVEE1O=1C21REFRR动态电阻r。/CiC2、4=()VCE2r1C1Jco般r。在几百千欧以上1C1=1R=VR(1RR)=VB=TB2电路简单，应用广泛;要求IC1电流较大情况下,R的功耗较大，集成电路应避免;要求IC1电流较小时，要求R数值较大，集成电路难以实现。2微电流源-VBERe2r。：7(1足2rbe2Re2)3比例电流源+f&il+f&ilJrefR-PeeVBE0-II_VBE1Vbe2OC2E2由于VBE很小，所以I。?也很小VBE0-II_VBE1Vbe2OC2E2由于VBE

3、很小，所以I。?也很小E0ReOVBE1IE1Re1Vbeo-Vbe1:VtInIe0IE1IE0IE1右L：:2时，则Ico：3IE0-IR,IC-IE1.VCCVBE0RRe01E1Re1：1E0Re0VTlnT1、R1和T4支路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3,T4和T6构成了微电流源VCCVEEVBE1VEB4IREFR1电流源MOSFET镜像电流源+DDVddVssVgs1O=ID2=1REF=R当器件具有不同的宽长比时w2/l2.1REFW1/L1(=0)ro=rds2用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时,输出电流为22t4t4

4、IREF-ID0Kn0(VgS0-Vt0)2ID2-(W/L)2Kn2(VGS2-Vt2)Kn2(VgS2_Vt2)D2W2/L2W1/L11REFD3W3/L3W/L11REF1D4W4/L4WJL.1REFJFET电流源(b)5.2差分式放大电路一.直接耦合放大电路的零点漂移现象零点漂移现象:在直接耦合放大电路中，输入电压vl=0,输出电压v30的现象。零点漂移产生的原因:温度变化，直流电源波动，器件老化等。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。抑制零点漂移的方法：引入直流负反馈，温度补偿，典型电路：差分放大电路二.差分放大电路差分放大电路是由对称的两个基本放大电路构成的

5、，两个基本电路参数完全相同，管子的特性也完全相同，电路有两个输入端和两个输出端。电路中两只管子的集电极静态电位在温度变化时将时时相等，因此以两集电极电压差作为输出，可以克服温度的漂移。共模输入和差模输入工作情况：（1）共模输入两输入端所加信号vI1和vl2大小相同极性（相位）也相同。由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化相等，即iB1iB2iC1=心T1管和T2管集电极电位变化也相等：.：Vc.-：-.Vc2从而输出电压Vo=Vci-Vc2=（VcQ1人Vci）-（VcQ2人VC2）=0结论：差分式放大电路对共模信号有很强的抑制作用，在电路参数完全相同的情况下，共模输出为零。（2）差

6、模输入两输入端所加信号vI1和vl2大小相同极性（相位）相反。结论：差分式放大电路对差模信号有放大作用。但由于有射极电阻Re,其放大能力较差。差分式放大电路的改进电路：在差模输入情况下，两管发射极电流与其它电流一样，变化量的大小相等，方向相反。将两个基本放大电路的发射极电阻合并为一个射极电阻Re,则在差模信号的作用下，Re中的电流变化量为零，即Re对差模信号无反馈作用。即Re对差模信号相当于短路，从而提高了对差模信号的放大能力。一般情况下，差分式放大电路采用双电源供电，右图为典型的差分式放大电路差分式放大电路的一般结构用三端器件组成的差分式放大电路有关概念VidVid=Vi172差模信号Vic

7、A/dV。1=(VilVi2)2i1共模信号Vid差模电压增益AvcVoVic共模电压增益其中Vo差模信号产生的输出Vo共模信号产生的输出总输出电压Vo=VoVo二A/dVidAVcVicKcmrAVdA/c共模抑制比反映抑制零漂能力的指标根据Vid=Vi1一Vi2Vi2=VbVid共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。射极耦合差分式放大电路1.电路组成及工作原理静态1Ici=IC2二ICIO2VcE1=VcE2=Vcc-=Vcc-IcRc2_V=Vcc-ICRc2-(-0.7V)I-

8、1-上IB1一IB2动态差模信号：大小相等，极性相反的输入信号。vI1=-vI2=vId/2。iE仁一iE2,所以e点的电位不变2.抑制零点漂移原理温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。温度ici、iciriE1iE1iC2riE2（vBi、vB2不变）vBE1禾口VBE2“iBi和怙汕差分式放大电路对共主要指标计算差分放大电路的四种接法：根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单

9、端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。双端输入双端输出3.主要指标计算(1)差模情况八_V。V1-v22viAvd=+cbeVidVi1一Vi22Vii以双倍的元器件换取抑制零漂的能力接入负载时1B（RcRl）Avd2be双入、单出A/diVoiVolVid2vii1AAvd二22Rc2beKRc/Rl）接入负载时Avd2be单端输入等效于双端输入扌旨标计算与双端输入相同TDC1L2(2)共模情况双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以Voc-Voc4-Voc20Ac共模增益Ac共模增益仏0vic单端输出A/C1A/C1voclvicVoc2vic-恥rbe（1-）2ro

10、Rc2ror。一；Avci-抑制零漂能力增强丄i+T,Ti(3)共模抑制比AvdAvdAvcKcmr-20lgAvdAvcdB双端输出，理想情况Kcmr二二Kcmr单端输出Kcmr单端输出ViciC)KcmrVidKcmr越大，抑制零漂能力越强Vol=AvdiVid(1单端输出时的总输出电压(4)频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。差分放大电路四种接法的比较各种接法输入电阻相同：差模放大倍数、共模放大倍数、输出电阻与输入方式无关，与输出方式有关:双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模输入。带有源负载的射极耦合差分式放大电路CMOS差分式放大电路d5V)PMOS1-F蔦也PM

11、OS也+DE14壬T4pnNMOS11Tf1O1.一%pDI也11012Q超高输入电阻运放rid1013aIIB100MQ最大共模输入电压Vicmax般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达13V。大信号动态特性转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号(例如阶跃信号)时，输出电压对时间的最大变化速率，即卩dvo(t)dtmax全功率带宽BWP指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即BWp=fmaxSR-2NomSR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR30V

12、/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/七。电源特性电源电压抑制比KSVR衡量电源电压波动对输出电压的影响静态功耗PV集成运放应用中的实际问题集成运放的选用根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。失调电压VIO、失调电流110和偏置电流IIB带来的误差输入为零时的等效电路广Vp=-(IIB-)R22VVn-(Iib+导)(RJ/Rf)-VioR

13、f2JVpm解得误差电压Vo=(1Rf/Ri)VioliB(RiRf-R2)lio(RiRfR2)当R2=RiRf时，可以消除偏置电流1IB引起的误差，此时V。=(1+Rf/RIWio*hoR2)Rf换成电容c,贝yVio和丨|。引起的误差仍存在。当电路为积分运算时，即11Vo（t）io（t）Tio（t）R2RiJST。曲时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。调零补偿（a）调零电路（b）反相端加入补偿电路5.6运算放大器集成电路运算放大器i.集成电路运算放大器的内部组成单元集成运算放大器的内部结构框图运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号2.运算放大器的电路模型（b）国内外常用符号

14、通常：开环电压增益Avo的105（很高）输入电阻ri106幽艮大）输出电阻ro100Q（很小）v0=Avo(vPvN)(VvvOvV+)注意输入输出的相位关系当Avo(vPvN)羽+时vO=V+当Avo(vPvN)W/-时vO=V-电压传输特性vO=f(vPvN)线性范围内vO=Avo(vPvN)Avo斜率vO的饱和极限值等于运放的电源电压V+和V运放的开环电压增益很高若（vPvN）0贝VvO=+Vom=V+若（vPvN）v0右VvOR3时，(1)试证明VS=(R3R1/R2)IM;(2)Ri=R2=150kl】,R3=1k输入所以12=IS=VS/R1所以12=IS=VS/R1信号电压VS=

15、100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)又根据虚短有VP=VN=0R2和R3相当于并联，所以-2R2=R3(I2-IM)./R2+RsVsIM=()所以RsRi当R2R3时，VS=(R3R1/R2)IM(2)代入数据计算即可564同相输入和反相输入放大电路的其他应用求差电路从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。根据虚短、虚断和p点的KCL得:Vi2VpViiVnVRi一il0-R4Vn二VpSjo1*m爲R2Vp-0RTV。=(RiRiEAMR2R3R4R4RiRs,V。弓(Vi2R2尺-Vii)若继续有R4=Ri，则Vo二Vi2-旳R4_R3R-!R2时,V。Vi2Ri-Vii)从放大器角度看增益为:Vi2一Vii(该电路也称为差分电路或减法电路)求差电路一种高输入电阻的差分电路氏=v二一色（1退）V!_V2R3Ri求和电路根据虚短、虚断和n点的K