模电课件-sun2篇3章集成运放

第三章

集成运算放大器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、集成运放的典型结构运放的典型电路通常有三级放大电路组成输入级采用差分放大电路中间级采用CE(CS)电路低温漂，高共模抑制比和高输入电阻高电压增益输出级采用互补对称式射极跟随器结构低输出电阻，较强带负载能力二、集成运放的主要特点采用结构对称为特征的电路元件参数具有良好的一致性和同向偏差同一硅片相同工艺

面积小功耗很低采用微电流源作为偏置及集电极电阻采用有源负载工作电流极小(如几

~几十微安)无法制造大容量电容采用直接耦合方式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等效成一个电压控制电压源（VCVS）。二、集成运放的主要特点集成运放的电路符号国标符号反相输入端同相输入端简化符号

符号输入信号与输出信号相位反相输入信号与输出信号相位同相在低频小信号，工作

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：

Rid→∞Ro→0Aod→∞低频小信号电路模型2.3.2集成运放中的恒流偏置电路—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。RREF确定参考电流IL

IC1

IREF因为使IC1和IL呈镜像关系—晶体管T1、T2组成镜像电流源RREF中的参考电流为C1BC1REFREF

2

IC1

I

2I

IR

VCC

VBEIREFI

I2

C1当

2RREFIL

IC1

I

REFVBE

VCC(

50时,误差<5%)IB1

IB

2IC1

IC

2该电路具有一定的温度补偿作用：T

VB

IB

IL

I

L

IC1

RREF压降增加改进型电流源电路跟随型镜像电流源电路电路由三只晶体管组成，在负载电阻R

L

上将流过恒定的电流I

L

。电路要求T1、T2、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，T３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。REFC1B3LLLLI

I

I

I

IE

31

2IB

2

I

I

2IL

/

1

1

2

(1

)

I

(

1)电路中：令

相同REFLI

(1

)

I2

(1

)REFREFRI

2VBE

VCC当β≥50时，输出电流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β

。因为：I

e

3

I

B

1

I

B

2

I

Re

3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多路电流源电路VBE

IE

Re

VBE1

IE1Re1

VBE

2

IE

2

Re2

VBE3

IE

3

Re3

I

E

3

Re3I

E

Re

I

E1

Re1

I

E

2

Re2I

REF

Re

IC1

Re1

IC

2

Re2

IC

3

Re3输入级中间级

输出级741型运放电路图一、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。2.3.3

差分放大电路―运放输入级从结构可以看出，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—单端（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—单端（边）输出

1.静态分析(直流分析)vI1

和vI2都为零，即输入端接地E1E

2Ree2RI

I

1

I2

0.7

VEE

I

E1

I

E

2

VCC

IC

RCIC1

IC

2Vo1

Vo

2Vo

Vo1

Vo

2

0如果双端输出时，输出为零ReI由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等，VOQ＝0，有效地抑制温漂和零漂。VBE

(IE1

IE

2

)Re

VEE2.差分放大电路动态分析（工作原理）vId

vI1

vI

22Ic

vI1

vI

2v当两输入端的信号分别为vI1

vI

2则两端信号可以分解为:两信号之差两信号平均值vIdI11端对地仍是v22IcI1v

1I

v

2Iv

1I

v

2I

v

vIdv2端对地仍是vI

22IcI

2vId

vI1

vI

2

vI1

vI

22

2

v2v

vId

称差模信号差模信号差模信号共模信号共模信号两个大小相等，而极性相反的信号vIc

称共模信号两个大小相等，而极性相同的信号差模信号和共模信号分别单独存在时进行分析,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。vo

vod

voc

Avd

vId

Avc

vIc差模增益共模增益差模输入共模输入Avd大Avc小关于差放电路的一般分析步骤:实际电路直流通路交流通路差模信号共模信号差模交流通路共模交流通路实际信号差模量共模量直流量总变化量总量差模输入方式：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。Avc小Avd大差分放大电路具有对差模信号进行放大、对共模信号进行抑制的能力。【例2.3.1】差分放大电路①端和②端分别加入图示的信号电压，其电路的差模电压增益Avd＝-80，共模电压增益为Avc＝-0.01，试求ΔvO＝？解：电路的差模信号为：两端输入信号之差vI

d

vI

1

vI

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

5.01V

4.99V

5.0VIc

vI

1

vI

2v2

2vO

Avd

vId

Avc

vIc

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KCMR1.

差模工作状态分析差分放大器只存在差模输入信号时。差模交流通路注意：在差模信号作用下，e点交流接地发射极在差模交流通路流接地。iB1

iB

2iE1

iE

2E

2e)

R

0ve

(iE1

iRCC1ie+-berB2iB1irbeRC2

IdvId2+v-iB1

iB

2B1B2C1

C2B1

iB1iB2B2C1

C2B1B2C1C2++-

+

--vdB1

be B

2

beA

iB1Rc

iB

2

Rci

r

i

r差模增益电压增益：双端输出beriB1

iB

2

Rc单端输出vd1IdbeA2r

vod1

Rcvvd

2IdbeA2r

vod

2

Rcv单端输出B1B2C1

C2B1B2C1C2++-+--如果双端输出和单端输出分别接负载电beLcvdrR)2

(R

//A

双端输出+---+阻RL时，电压增益表达式如何变了？B1+B2C1C2beA2rvd1

(Rc

//

RL

)单端输出(接负载)差模输入电阻RidbeIdidR

2ri

vId差模输出电阻RodRodRod2Rc

Rc单端输出双端输出+-+-+-输入、输出方式双入/双出双入/单出单入/单出单入/双出2.

共模工作状态分析差分放大器只存在共模输入信号时。注意：在共模信号作用下ve1

ve2

2ie

Re

ie

(2Re

)共模电压增益vI1

vI

2

vIciB1

rbe

(1

)iB1

2Re

vIcrbe

2(1

)RevIciB1

iB

2

0

0IcIcIcoc

vcvvoc1

voc

2vv

vAebeIcAvc1Rcvvoc1

vc1IcB1

beB1eAiB1

RC

voc1

v

i

r

(1

)i

2RebeIcAvc

2r

(1

)2RRcr

(1

)2R

v

voc

2单端输出

双端输出对T1和T2管影响相同的外界干扰信号,如电源电压波动,环境温度变化等都可以认为是共模信号。Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰信号和温漂的能力，Avc

越小，则抑制温漂能力越强。差分放大电路的两个输出端上的共模输出电压大小相等并且极性也相同；双端输出时，共模输出电压为零。CMRvcKA|

Avd

|常用分贝表示：CMRvcAK

20

lg

|

Avd

|

(dB)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：KCMR

→∞单端输出时，只有增大Re电阻才能减小共模增益，从而增大共模抑制比。共模抑制比KCMR定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。eIcAvc1Rcr

(1

)2R

v

voc1vd1IdbeA

vod1be

R

c2rvKCMR

AC1d

rbe

2(1

)Re2rbeAC1c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。电流源供电差分电路等效电路电流源电路Re

越大KCMR

越大,实用电路常用恒流源代替R

e电流源电路B3VE

0.7I

Rb

(1

3

)Re3IO3

IC

3

IE

3

(1

3

)

IB3EEEb1

b

2Rb2V

VR

RRb

Rb1

//

Rb2RbRe3电流源电路RbRe3RbRe3rbebIb

I当rce∞时，Ro3∞【例2.3.2】差分放大电路如图所示

，

已

知

=80

，rbe=2k。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IdvdAv

vOd

66.180

52

81

0.05

rbeRc

(1

)ReRid

2rbe

(1

)Re

2

(2

81

0.05)

12.1kRo

2Rc

10k【例2.3.3】电路，已知β=50，rbb′=300Ω，Rw在中间位置，求:ICQ；Avd、Rid和Rod；KCMR；若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，求ΔvO1。E

eERw2

2I

RVEE

VBE

I11.3

W

2

0.56

mA0.05

20

0.7EQCQ

2ReR

VEEI

I解：(1)求ICQ；

300

51

26

2.67k0.56EQbb'beIr

r

(1

)

VT2

IdvdRv

vOA

2rbe

(1

)

w

(Rc

//

RL

)

22.67

51

0.05

10.44k2

beIdidi

vIdR

2r

(1

)

Rw

Rod

Rc

15k

28.750

(15

//10)22.67

51

0.05

(2)求Avd、Rid和Rod；双端输入单端输出vcR(Rc

//

RL

)rbe

(1

)( w

2Re

)A

50

6

2

0.292.67

51

20.05(3)求共模抑制比KCMR；CMRvcA

0.29K

|

Avd

|

28.7

100(40dB)(4)若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，则vId

vI1

vI

2

6mV2

13mVIc

vI

1

vI

2vvO1

Avd

vId

AvcvIc

28.7

6

0.29

13

176mV【例2.3.4】已知1=2=3=50，Rbb’=200Ω

,rce=200kΩ,VBE=0.7V,试求：

??Avd

2KCMR

?

?RidRod电流源代替Re提供工作点解：（1）求静态工作点，计算rbe。be2bb'EQIr

R

(1

)

VT

1.5

k等效B33.14

0.7I

0.039mARb3

(1

3

)Re3R2VB3

9

3.14VR1

R2Rb3

R1

//

R2

3

//

5.6

1.95k32

2E1E

2E

3I

I

1

I

1

(1

)

0.039

1mA（2）求差模电压增益。W2vd

2

(RC

//

RL

)A

1

2Rb

2

rbe

2

(1

)

R

122

0.1

1.5

(1

50)

0.150

(4.7

//10)

1

（3）求电流源电路输出电阻RO3o3ceobRe3Re3

Vo

Voe3r

R

//(rbe

R1

//

R2)I

I

Ir

R

R

//

R

R

1ce

be

e3

1 2

1r

rce

4.644

M

R

be e3

Vo

Icerce

(Ice

Ib

Ib)Re3Ib

(R1

//

R2

rbe)

(Ice

Ib

Ib

)Re3

0（4）求共模电压增益o3be

2b

20.000344vC

2A

R

r

(1

)

(0.1

2R

)

(RC

//

RL

)（5）求共模抑制比0.00034412AKvc2CMR

34883.7(90.85dB)||

Avd

2（6）求差模输入电阻和输出电阻

13.4K2idb1beR

2[R

r

(1

)

RW

]Rod

RC

4.7KFET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。4.场效应管差分放大电路g1g2差模信号作用下的微变等效电路d1d2g1g2d1d2svdIdGS1GS

2R'R'A

g

vvv

v//L2dL

v

g vR

Od

m

GS1

Lm

GS

2

L

R

'

R

Ididi

vIdRRod=2Rd双端输出：'vdm

LIdGS1A'vOd

2v

g

R

GS1

m

L

g

Rv

2vvGS1

vGS

2双端输出时差模增益相当于单管共源放大器的电压增益5.FET和BJT混合型输入级漏极电流源电路源极电流源电路T1、T2差分管Ri

2S双端输入单端输出RL

o

ooRI'V'源极电流源电路分析oo

3om

gs

dsI'(I'

g

V

)r

I'

R

o

m

o

3

ds

o

3o

(1

gm

R3

)rds

R3(I'

g

I'

R

)r

I'

RI'gsdgsVo

3'

I

R电路是双端输入单端输出结构，由于漏极是三管电流源，使得单端输出具有双端输出的效果。iD1

iC

5iD1

iD

2iC

5

iC

6iod

iD2

iC

6

2i

D

2vdId

IdD

2

i

2m

GS

2i

2m

i

2A

vod

iod

(Ri

2

//

rds2

//

R06

)v

v2i

R

2(g

v)R

g

R

2vGS1

2vGS1Ri

2SR06准共射的输出电阻当差模信号输入时

GS1GS

2v

v当共模信号输入时iD1

iD

2iD1

iC

5iC5

iC

6iC

6

iD

2ioc

iD

2

iC

6

0说明单端输出同样具有双端输出时的共模抑制效果。2.3.4集成运放的中间级和输出级一、运放的中间级―运放电压增益的

主要承担者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，提高电压增益的主要途经如下：beA

(Rc

//

RL

)vrRc代之以恒流源采用纵向三极管或达复合管，提高β值增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换射极跟随器措施+恒流源负载be23

RO1

//

RO3

//

Ri4

(1

2

)R2

//

Ri3Av

Av1

Av2

rr

(1

2

)R2

//

Ri3

(1

3

)R3

be3

T1、R1构成恒流源电路，其内阻为Ro1

(1

gm

R1

)rds而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3起提高电路工作稳定性的作用。Ri3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Ri4

(1

2

)rbe3Ri

2

rbe2i

2IA

vOvR

2

3

(RO1

//

rce3

//

Ri3

)v复合管+恒流源负载措施T1和T4、R4为镜象电流源，

T2、T3复合管RO1是镜象电流源内阻R

i

2Ri

3镜象电流源二、运放输出级―互补对称输出电路对集成运放输出级电路的要求1．运放输出级的基本电路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。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T1T2T1T2静态(vi=0)时，T１、T２截止，vO＝0；在输入正弦信号时：当输入信号正半周(vi＞0)时，T１管导通，T２管截止，流过负载电阻RL的电流路径为：VCC→T1→RL→GND当输入信号负半周(vi＜0)时，T1管截止，T2管导通，电流路径将为GND→RL→T2→-VCCT1T2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。管子属于乙类放大：导通角为θ=π,三极管半周导通甲类放大：导通角为θ=2π,前面的单管放大电路甲乙类放大：导通角介于π和2π之间Q甲类ic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。T1T2ic1vce1vce20c

2i0VCComV最大输出电压为VCC－VCES。当电源电压为±15V时，最大不失真输出电压幅度一般为±(12～14)V。输入电阻较高Ri

rbe

(1

)RLT1T2放大电路的交越失真问题T1T2ib1

/

Avbe

/V0vi在输入信号小于三极管的开启电压时，T１与T２截止，产生交越失真。tib20ib1

/

Aib2t0交越失真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，两子不完全截止。静态时T1、T2处于微导通状态，VOQ＝0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1≈vb2≈vi。2．甲乙类互补对称输出电路VB1=0.6V ,

VB2=

-0.6V利用恒压电路提供静态偏置BE

3

CE

3R1R

RV

V1

2

1BE

3CE

3RV

(1

R2

)V选择合适的R1、R2阻值，使VCE3≈1.2~1.4V使T1T2管微导通恒压源偏置电路od5例如设A

=10

，、为±10V，omV

omV一、运放的电压传输特性和三项基本参数电压增益、输入电阻、输出电阻则±△vId＝±10/105＝±10-4V＝±0.1mV集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小。2.3.5集成运放的主要性能指标在理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标原点。实际运放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，通常在运放输入级电路中设置了调零端。输出调零电位器RP（1）开环差模电压放大倍数AodId

P

NodAv

v

v

vOdv

OdAod一般为104～106(即80～120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如

100V/mV即为105。运放等效电路i

Id

i

IdidR

v

P

v

N

v

Id如CF741的Rid≈1MΩ，高阻型运放的Rid可达104MΩ以上。（2）差模输入电阻Rid（3）输出电阻Ro集成运放的输出电阻RO，通常为100Ω至1kΩ之间。由3项基本参数可画出运放的低频模型（1）输入失调电压VIO集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。二、集成运放的失调参数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。odIOAV

VOO（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。（3）输入失调电流IIO反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。I

IO

I

BP2IBI

I

BN

I

BN

I

BP输入偏置电流输入失调电流（4）输入失调电流温度漂移dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。

VIOVId

I

IB()

R2

I

IB()

R1综合分析输出失调电压和失调电流的电路模型I

IB()I

IB()2

1IOIOI2

IB

1

2

V

(R

R

)I

(R

R

)

(I

IB()

R1

I

IB()

R2

)

VIOVId2

1

2I

IO

R2

)I

IB

(R

R

)od

1Id

od

IO

A

(R

A

VVOO

Aod

VIOIdV

I

R

I

R

VIB()

1IB()

22IBIIIO

IIB()

IIB()

IIB()

IIB()注意：(1)实际应用中应选择R1＝R2