《模拟电子技术1》课件第6章

第六章集成运算放大器6.1零点漂移6.2差动放大电路6.3电流源电路6.4集成运算放大器介绍6.5集成运放的性能指标图6-1集成运放框图运算放大器均是采用直接耦合方式。在第二章对直接耦合方式的特点及问题作了介绍,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称为放大器的零点。零点不一定为零,但希望它为零。6.1零点漂移由于直接耦合使得各级Q点互相影响,如果前级Q点发生变化,则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多级放大器的放大,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而引起工作点漂移(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,如图6-2所示。图6-2零点漂移6.2差动放大电路6.2.1基本形式差动放大电路的基本形式如图6-3所示。对此电路的要求是:两个电路的参数完全对称,两个管子的温度特性也完全对称。由于电路对称,当输入信号Ui=0时,两管的电流相等,两管集电极的电位也相等,所以输出电压Uo=Uc1-Uc2=0。如果温度上升使两管的电流均增加,则集电极的电位Uc1

、Uc2、均下降。由于两管处于同一环境温度,因此两管电流的变化量和电压变化量都相等,即ΔIc1=ΔIc2,ΔUc1=ΔUc2,其输出电压仍然为零。这说明,尽管每一管子的静态工作点均随温度而变化,但c1、c2两端之间的输出电压却不随温度而变化,且始终为零,故有效地消除了零漂。从以上过程可知,该电路是靠电路的对称性来消除零漂的。该电路对输入信号的放大作用又如何呢?输入信号可以有两种类型:共模信号和差模信号。图6–3差动放大电路的基本形式1.共模信号及共模电压放大倍数Auc

所谓共模信号,是指在差动放大管V1和V2的基极接入幅度相等、极性相同的信号,如图6-4(a)所示,即下标ic表示为共模输入信号。通常,共模信号都是无用信号。图6–4月差动电路的两种输入信号共模信号对两管的作用是同向的,如Uic1=Uic2且均为正,将引起两管电流同量增加,而两管集电极电压将同量减少,故从两管集电极输出的共模电压Uoc为零。由以上可以看出共模信号的作用与温度影响相似,所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力,当然，共模电压放大倍数也反映了电路抑制零漂的能力。由于该电路从两管集电极共模输出电压为零,所以(6-1)这说明当差动电路对称时,对共模信号的抑制能力特别强。2.差模信号及差模电压放大倍数Aud

在以下分析过程中,单管放大器的输入电压和输出电压的参考方向,均以参考地为负端。差模信号是指差动放大器两个输入端的信号电压之差,记作Uid。下标id表示差模输入信号。(6-2)当差动放大器完全对称时,两个单管放大器的输入电阻必然相等,所以在差模输入信号作用下,每个单管放大器分得的差模输入电压幅度相等而极性相反,即(6-3)，是V1管的电压放大倍数；，是V2管的电压放大倍数。设：因为电路完全对称,所以(6-4)前面已提到,基本差动放大电路靠电路的对称性,在电路的两管集电极c1、c2间输出,将温度的影响抵消,这种输出我们称为双端输出。而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂,所以,基本差动电路存在如下问题:

(1)由于电路难以绝对对称,所以输出仍然存在零漂。

(2)由于每一管子没有采取消除零漂的措施,所以当温度变化范围十分大时,有可能差动放大管进入截止或饱和,使放大电路失去放大能力。

(3)在实际工作中,常常需要对地输出,即从c1或c2对地输出(这种输出我们称为单端输出),而这时的零漂与单管放大电路的一样,仍然十分严重。为此，人们又提出了长尾式差动放大电路。6.2.2长尾式差动放大电路图6–5长尾式差动放大电路1.静态工作点的稳定性静态时,输入短路,由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和,且电路对称,IE1=IE2,故,2.对共模信号的抑制作用差动放大器对共模信号的抑制能力可以用共模电压放大倍数Auc的大小来衡量,Auc越小，共模抑制能力越强。因为在相同的Uic作用下,Auc越小,Uoc越小,对共模信号的抑制效果越好。长尾式差动电路仍具有对称特性,当绝对对称时,若采用双端输出方式,其共模输出电压为零,即Auc=0。另外,由图6-6(a)可以看出,V1管的发射极共模电流Ie1c和V2管的发射极共模电流Ie2c以相同的方向流过Re,在Re两端形成较大的共模电压降,所以Re对共模信号能产生很强的串联电流负反馈。由于负反馈会使放大倍数下降,因此,即使电路不完全对称或采用单端输出方式,长尾式差动电路的共模电压放大倍数也很小。可见,长尾式差动放大器对共模信号的抑制能力要比基本差动电路高得多。因为在共模信号的作用下,V1与V2的发射极共模电压Ue共=(Ie1c+Ie2c)Re=2Ie1cRe=2Ie2cRe,所以,在V1与V2的发射极公共支路接入的电阻Re,可以等效地看作在每一个管子的发射极支路中,各自接入一个2Re的电阻,如图6-6(b)所示。由于2Re的负反馈作用,使每一个单管放大器的共模放大倍数大大下降,共模输出大大减小,共模抑制能力大大提高。而差动放大器输出端的零点漂移可以等效地看作在输入端加了一对共模信号,并在输出端产生共模输出,所以共模抑制能力提高,同时也表明抑制零点漂移的能力提高。综上所述,长尾式差动电路既能有效地抑制共模信号,又能有效地克服零点漂移。图6–6长尾式差放共模交流通路3.对差模信号的放大作用图6-7长尾电路差模信号工作状况

图中标出的各电流、电压的指向是规定正方向。在此规定正方向下,若电路绝对对称,则两管的差模输入电压Uid1=-Uid2,两管的发射极差模电流Ie1d=-Ie2d,所以流过Re的差模电流Ied为所以Re两端无差模电压降。因此,在画差模交流通路时,应当把Re视为短路,如图6-7(b)所示。由于Re两端无差模电压降,所以Re对差模信号不产生反馈。由差模交流通路可求得差模电压放大倍数Aud为(6-5)6.2.3差动放大器的主要指标

1.差模电压放大倍数Aud

差模电压放大倍数Aud是在差模输入信号的作用下,产生输出电压Uod与差模输入电压Uid之比,即(6-6)强调说明,式中Uod是在Uid作用下产生的输出电压,它不一定是差模形式,例如单端输出的Uod就不是差模电压。

2.共模电压放大倍数Auc

共模电压放大倍数Auc是在共模输入信号的作用下,产生输出电压Uoc与共模输入电压Uic之比,即(6-7)在Aud不变的条件下,Auc越小,共模抑制能力越强,零点漂移越小。

3.共模抑制比CMRR共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的绝对值之比,即或者(6-8)(6-9)

4.差模输入电阻rid

rid是差动放大器对差模信号源呈现的等效电阻。在数值上,rid等于差模输入电压Uid与差模输入电流Iid之比。即(6-10)

5.差模输出电阻rod

rod是在差模信号作用下差动放大器相对于负载电阻RL而言的等效电源的内阻；或者说是在差模信号作用下从RL两端向放大器看去的等效电阻。数值上rod等于在差模输入信号作用下,输出开路电压Uo∞d与输出短路电流Io0d之比。即(6-11)

6.共模输入电阻ric

ric是差动放大器对共模信号源呈现的等效电阻。在数值上,ric等于共模输入电压Uic与共模输入电流Iic之比,即(6-12)【例1】设图6-5所示长尾式差动电路绝对对称,求其Aud,Auc,CMRR,rid,rod和ric。解由图6-7(b)所示差模交流通路得（6-13）因为电路绝对对称,所以在共模输入信号作用下,,因此由差模交流通路可注意到Ib1d=-Ib2d,则(6-14)(6-15)(6-16)若共模输入信号的接入方式如图6-8(a),则因为,在共模信号作用下,Ib1c=Ib2c,所以(6-17)若共模输入信号的接入方式如图6-8(b),则利用外加电源法,可以求得该电路的差模输出电阻rod和共模输出电阻roc,它们分别为(6-18)(6-19)(6-20)图6–8两种共模信号接入方式6.2.4具有调零电路的差动放大器图6–9具有调零电路的差动电路差模放大倍数Aud差模输入电阻rid共模输入电阻ric(对应图6-8(a))或者为(对应图6-8(b))(6-21)(6-22)(6-23)(6-24)6.2.5恒流源差动放大电路长尾式差动放大电路,由于接入Re,提高了共模信号的抑制能力,且Re愈大,抑制能力愈强。若Re增大,则Re上的直流压降增大,为了保证管子正常工作,必须提高UEE值,这是不合算的。为此，希望有这样一种器件:交流电阻r大,而直流电阻R小。恒流源即有此特性。恒流源的电流、电压特性如图6-10所示。从图上可分别表示出交流电阻r和直流电阻R,即图6–10恒流源的电流、电压特性图6–11恒流源差动放大电路恒流源电路的等效电阻,与放大电路的输出电阻相同,其等效电路如图6-11(b)所示,按输入短路,输出加电源Uo,求出Io,则恒流源等效电阻为(6-25)(6-26)由式(6-26)得将Ib3代入式(6-25),得恒流源的交流等效电阻为(6-27)其中，rce是管子c、e之间的电阻。

设β=80,rce=100kΩ,rbe=1kΩ,R1=R2=6kΩ,R3=5kΩ,则ro3≈4.5MΩ。用如此大的电阻作为Re,可大大提高其对共模信号的抑制能力。而此时,恒流源所要求的电源电压却不高,即对应的静态电流为(6-28)6.2.6一般输入信号情况如果差动放大电路的输入信号既不是共模信号也不是差模信号,即|Ui1|≠|Ui2|,又应如何处理呢?此时可将输入信号分解成一对共模信号和一对差模信号,它们共同作用在差动放大电路的输入端。设差动放大电路的输入为Ui1和Ui2,则差模输入电压Uid是二者之差,即(6-29)每一管的差动信号输入为(6-30)共模输入电压Uic为二者的平均值(6-31)即按叠加原理,输出电压为(6-32)【例2】

在图6-5电路中,已知差模增益为48dB,共模抑制比为67dB,Ui1=5V,Ui2=5.01V，试求输出电压Uo。解因为20lg|Aud|=48dB,故Aud≈-251,而CMR=67dB,故CMRR≈2239,所以6.2.7差动放大电路四种接法1.双端输入、双端输出差模电压放大倍数为其中差动输入电阻

rid和输出电阻

rod为共模电压放大倍数为共模抑制比为图6–12差动放大电路的四种接法

2.双端输入、单端输出双端输入、单端输出的差动放大电路如图6-12(b)所示。由于只从V1的集电极输出,所以输出电压只有双端输出的一半,即差模电压放大倍数为(6-33)此处如果从V2管输出,仅是Uo的相位与前者相反,电压放大倍数仍按(6-33)式计算,但负号去掉。输入电阻为输出电阻为共模电压放大倍数为(6-34)共模抑制比为(6-35)

3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出电路如图6-12(c)所示,Ui仅加在V1管输入端,V2管输入端接地;或者Ui仅加在V2管输入端,V1管输入端接地,这种输入方式称单端输入,是实际电路中常用的一种。按式(6-30)、(6-31)、(6-32),可得所以当忽略电路对共模信号的放大作用后,单端输入就可等效为双端输入的情况,故双端输入、双端输出的结论均适用于单端输入、双端输出。这种接法的特点是：可把单端输入的信号转换成双端输出,作为下一级的差动输入,适用于负载两端任何一端不接地,而且输出正负对称性好的情况(如示波管的偏转板)。4.单端输入、单端输出

这种接法的特点是：它比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力,而且可根据不同的输出端,得到同相或反相关系。综上所述,差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关,只要是双端输出,它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同;如为单端输出,它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半,输入电阻都是相同的。

【例3】电路如图6-13所示,设UCC=UEE=12V,β1=β2=50,Rc1=Rc2=100kΩ,RP=200Ω,R3=33kΩ,R2=6.8kΩ,R1=2.2kΩ,Rs1=Rs2=10kΩ。

(1)求静态工作点。

(2)求差模电压放大倍数。

(3)求RL=100kΩ时,差模电压放大倍数。

(4)从V1管集电极输出,求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设rce3=50kΩ)。图6-13例3电路图解

(1)静态工作点:设UBE3=0.6V,则所以所以一般估算时,认为UB≈0。(2)差模电压放大倍数:其中(3)当RL=100kΩ时，(4)当单端输出时(从V1管c1极输出):其中单单单单端输出时,共模电压放大倍数为式中而所以故单其共模抑制比为单单单单6.3电流源电路6.3.1镜像电流源电路电路如图6-14(a)所示,图中V1、V2组成对管,两者的特性完全相同,V2管工作在放大状态。RL是后级电路的等效电阻,R称为限流电阻。图6–14镜像电流源及等效电路

因为V1管的集电极和基极之间短路,所以V1管仅仅相当于一个由其发射结构成的二极管,将其记作VDE1,因此,图6-14(a)可以等效为图6-14(b)。由第一章公式(1-1)可知,PN结的伏安特性方程为。所以流过V1管与V2管发射结的电流分别为当β>>2时,因为两管特性相同,所以IS1=IS2,另外,两管靠得很近,所以,两者的环境温度相同,即T1=T2,由图6-14(a)可知,两管的发射结电压相同,即UBE1=UBE2,所以IDE1=IE2。由图6-14(b)得(6-36)(6-37)又因为所以当UCC>>UBE2时,当β>>2,UCC>>UBE2时,则(6-38)(6-39)

IR称为电流源的参考电流。在β>>2的条件下,不管V2管集电极支路中的负载RL如何变化,Io总是等于IR。Io就如同IR在镜子中的影像一样,故称该电路为镜像电流源。当β>>2,并且UCC>>UBE2时,Io≈UCC/R,与晶体管的参数无关,因而Io具有很好的温度稳定性；UCC与R一旦确定,Io就随之确定并保持不变,具有较好的恒流特性。该电路的输出动态电阻ro约等于rce2。该电路的缺点如下：

(1)受电源的影响大。当UCC变化时,IC2几乎也同样地变化,因此它不适用于电源电压大幅度变动的情况。

(2)当要求得到小的电流源时,如微安级的电流,就要求较大的电阻R,如当IC2=10μA,UCC=15V时,R约为1.5MΩ,这用集成工艺是难于实现的。

(3)由于恒流特性不够理想,管子c、e极间电压变化时,IC也会作相应的变化,即电流源的输出电阻还不够大。

(4)在图6-14所示电路中,输出电流IC2与基准电流仅仅是近似相等,特别是当β值不够大时,两者之间误差更大。为提高镜像电流源的精度,以及进一步提高电路的输出电阻,可采用威尔逊电流源。6.3.2威尔逊电流源

威尔逊电流源是为了在低β情况下仍能获得较好的镜像特性而设计的。电路如图6-15(a)所示。图中，V1、V2、V3三者的特性完全相同,V1与V3工作在放大状态；因为V2的b、c之间短路,所以V2管相当于一个由其发射结构成的二极管。RL是后级电路的等效电阻。图6-15(b)是图6-15(a)的等效电路。图6–15威尔逊电流源及等效电路用分析图6-14的方法,可以求得图6-15(b)中，IDE2=IE1。由图6-15(b)可以求得：(6-40)又因为把公式(6-40)代入上式得：(6-41)当(β2+2β+2)>>2时,由图6-15得(6-42)把公式(6-42)代入公式(6-41)得：(6-43)(6-44)

当β=20时,威尔逊电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：而图6-14的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：(6-45)6.3.3比例电流源图6–16比例电流源由于V1与V2的发射结都处于导通状态,其伏安特性曲线十分陡峭(因为发射区都是重掺杂的),发射结正偏压的微小变化,就会导致发射极电流的显著变化,所以,当IE1与IE2相差不大(小于10倍)时,对应的发射结正偏压UBE1与UBE2相差十分微小。因此,在的范围内,可以近似认为UBE1=UBE2，代入公式(6-47)得(6-47)图6-16中V1与V2的特性完全相同,V1管只起一个二极管的作用,V2工作在放大状态。由图可知(6-48)当β>>1时(6-49)将上两式代入(6-48)式,得即近似认为由图6-16可知(6-50)所以在的范围内当时,上式不再成立,可用下式估算(6-51)(6-52)(6-53)6.3.4微电流源

为了得到微安量级的输出电流,而又不使限流电阻过大,可采用图6-17所示的微电流源电路。图6-17中V1与V2的特性完全相同,V1由其发射结起一个二极管的作用,V2工作在放大状态,其β>>1,RL是后级电路的等效电阻,R是限流电阻,Re2用来控制Io的大小。图6–17微电流源由电路图可知

调节Re2的值,使UBE2<<UBE1，则IE2<<IE1

。因为β>>1,

所以因为IB2<<IE2<<IE1，所以

把Io≈IE2,IR≈IE1代入IE2<<IE1得Io<<IR。正确地选取Re2的值,可以使Io达到微安量级,而此时IR仍然很大,所以限流电阻R=(UCC-UBE1)/IR不会太大。可见,该电路能够在R不太大的条件下,获得微小的输出电流。定量分析如下：式中UT是温度电压当量；IS1与IS2分别是V1与V2发射结的反向饱和电流,由于V1与V2特性相同,所以(6-54)由电路图可知由公式(1-1)可得代入公式(6-54)得因为IE2≈Io,IE1≈IR,代入上式得由电路图可得(6-55)(6-56)

【例4】在图6-17电路中,UCC=15V,IR=1mA,Io=IC2=10μA,常温下,UT=26mV,请确定Re2及R的值。解：由公式(6-55)得由公式(6-56)得6.3.5多路电流源

用一个参考电流去控制多个输出电流,就构成了多路电流源,如图6-18所示。图6–18多路电流源6.3.6作为有源负载的电流源电路恒流源在集成电路中除了设置偏置电流外,还可作为放大器的有源负载,以提高电压放大倍数。图6–19有源负载共射放大器【例5】图6-20是集成运放F007中的一部分电路,它们组成电流源电路(各元器件的编号均与F007电路图中的编号相同),试计算各个管子的电流,其中V12和V13是横向PNP管,β12=β13=2。V10和V11是NPN型管。解流过电阻R5的电流就是参考电流IR,即V10、V11构成微电流源,根据式(6-55)得即,IC10的单位为微安,利用作图法或试探法求得IC10≈28μA。

V12和V13组成镜像电流源,由于β较小,则利用式(6–40)得图6-20F007中的电流源电路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。为了抑制零点漂移,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。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路(将在第九章中讲述),为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路。图6–21F007的电路原理图6.4.1偏置电路

F007偏置电路由图6-21中的V8~V13和R4、R5等元件组成,如图6-22所示,其基准电流IR为由IR便可求出其它各级电路的偏置电流。V10和V11组成微电流源,所以IC10比IC11小得多,二者关系由式(6-55)确定。IC10提供V9的集电极电流和V3、V4的基极电流I34,即图6-22F007的偏置电路6.4.2输入级图6–23的输入级F007V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:(因为IC10是恒定电流)6.4.3中间级

F007的中间级是由V16、V17组成的复合管,其负载由V12、V13组成的镜像电流源作为有源负载的共射放大电路。由于采用了复合管电路,故提高了本级输入电阻。中间级的放大倍数可达1000多倍。中间级电路如图6-24所示。图6–24F007的中间级6.4.4输出级和过载保护输出级的主要作用是给出足够的电流以满足负载的需要,同时还要具有较低的输出电阻和较高的输入电阻,以起到将放大级和负载隔离的作用。注意,放大倍数应适中,太高没必要,太低将影响总的放大倍数。除此之外,还应该有过载保护,以防输出端短路或过载电流过大而烧坏管子。输出级电路如图6-25所示。图6－25F007的输出级6.5集成运放的性能指标1.开环差模电压放大倍数AodAod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即

对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍),理想集成运放认为Aod为无穷大。2.最大输出电压Uop-p

最大输出电压是指在额定的电压下,集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。如果F007电源电压为±15V时的最大输出电压为±10V,按Aod=105计算,输出为±10V时,输入差模电压Uid的峰-峰值为±0.1mV。输入信号超过±0.1mV时,输出恒为±10V,不再随Uid变化,此时集成运放进入非线性工作状态。用集成运放的传输特性曲线表示上述关系,如图6-26所示。图6–26集成运放的传输特性3.差模输入电阻rid

rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2MΩ。认为理想集成运放的rid为无穷大。4.输出电阻ro

ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Iomax表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。

5.共模抑制比CMRR

共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路。C