集成運(yùn)算放大器

1、返回第六章 集成運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。由于該電路最初是用于數(shù)的運(yùn)算，所以稱為運(yùn)算放大器。雖然運(yùn)算放大器的用途早已不限于運(yùn)算，但仍沿用此名稱。把整個運(yùn)算放大電路集成起來，成為集成運(yùn)算放大器，簡稱集成運(yùn)放。目前，集成運(yùn)放的放大倍數(shù)可高達(dá)107倍(140dB)，集成運(yùn)放工作在放大區(qū)時，輸入與輸出成線性關(guān)系，又稱線性集成電路。模擬集成電路按其特點(diǎn)可分為：運(yùn)算放大電路、集成穩(wěn)壓電路、集成功率放大電路以及其它種類的集成電路。也可將幾個集成電路和一些元件組合成具有一定功能的模塊電路。集成運(yùn)放和分立元件組成的具有相同功能的電路相比具有以下特點(diǎn)：由于集成工藝不能制作大容量的

2、電容，所以電路結(jié)構(gòu)均采用直接耦合方式。為了提高集成度和集成電路的性能，一般集成電路的功耗要小，這樣集成運(yùn)放各級的偏置電流通常較小。集成運(yùn)放中的電阻元件是利用硅半導(dǎo)體材料的體電阻制成的，所以集成電路中的電阻阻值范圍有一定的限制，一般是幾十歐姆到幾萬歐姆，電阻阻值太大或太小都不易制造。在集成電路中，制造有源器件(晶體三極管、場效應(yīng)管)比制造大電阻占用的面積小，且工藝上也不麻煩，因此在集成電路中大量使用有源器件來組成有源負(fù)載，從而獲得大電阻。提高放大電路的放大倍數(shù)；還可以將有源器件組成恒流源，以獲得穩(wěn)定的偏置電流。二極管常用三極管代替。集成電路中各元件的絕對精度差，但相對精度高，故對稱性好，特別適宜

3、制作對稱性要求高的電路。集成電路中，采用復(fù)合管的接法，以改變單管的性能。集成運(yùn)放的原理框圖如右下圖所示，由4個主要部分組成輸入級：有兩個輸入端，一個輸入端與輸出端成同相關(guān)系，一個輸入端同輸出端成反相關(guān)系。溫度漂移要小。中間級：主要完成電壓放大任務(wù)輸出級功率放大偏置電路向各級提供穩(wěn)定的靜態(tài)的工作電流。另外還有一些輔助電路：電平偏移電路 短路保護(hù)電路等§1 零點(diǎn)漂移輸入交變信號為0時的輸出電壓值被稱為放大器的零點(diǎn)。0點(diǎn)不一定為0，但希望它為0。零點(diǎn)漂移的原因：直接耦合使得各級Q點(diǎn)互相影響，如果前級Q點(diǎn)發(fā)生變化，則會影響到后級的Q點(diǎn)。由于各級的放大作用，第一級微弱變化將經(jīng)過多級放大器的放大

4、，使輸出端產(chǎn)生很大的變化。環(huán)境溫度的變化而引起工作點(diǎn)的漂移。由于上述原因，當(dāng)輸入短路時，輸出將隨時間緩慢變化，這種輸入電壓為0，輸出電壓偏離零點(diǎn)的變化稱為零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移的危害：測量誤差、淹沒真正信號、使自動控制發(fā)生錯誤動作。零點(diǎn)漂移的衡量：零點(diǎn)漂移一般將輸出漂移電壓折合到輸入端來衡量。怎樣克服零點(diǎn)漂移，最有效的措施之一就是采用差動放大電路。§2 差動放大電路一、基本形式差動放大電路的基本形式如圖所示。對電路的要求：兩個電路的參數(shù)完全對稱，兩個管子的溫度特性也完全對稱。該電路是靠電路的對稱來消除零漂的。該電路對輸入信號的放大作用又如何呢？輸入信號可有兩種類型：共模信號和差模信號1.

5、 共模信號及共模電壓放大倍數(shù)Auc共模信號：是指在差動放大管V1和V2的基極接入幅度相等、極性相同的信號。Uic1Uic2共模信號通常都是無用信號。共模信號對兩管的作用是同向的，共模放大倍數(shù)說明當(dāng)差動放大電路對稱時，對共模信號的抑制能力特強(qiáng)。2. 差模信號及差模電壓放大倍數(shù)Aud差模信號：指放大器兩個輸入端的信號電壓之差。UidUi1Ui2當(dāng)電路對稱時所以有時把差模信號定義為幅度相等而極性相反的一對信號。據(jù)圖推導(dǎo)差模電壓放大倍數(shù)：設(shè)：是V1管的電壓放大倍數(shù)，是V2管的電壓放大倍數(shù)。因電路全對稱，所以有該式說明，當(dāng)兩個輸入信號有差別時，有信號電壓輸出；當(dāng)兩個輸入信號完全相同時，輸出電壓為0。由些

6、可見，完全對稱的差動放大器只能放大差模信號，不能放大共模信號，這正是差動放大器名稱的來由。差模放大電壓放大倍數(shù)：基本差動放大電路靠電路的對稱性，在電路的兩管集電極c1、c2間輸出，將溫度的影響抵消，這種輸出我們稱為雙端輸出。而實際電路中每一個管子并沒有任何措施消除零漂，所以，基本差動電路存在如下問題。由于電路難于絕對對稱，所以輸出仍然存在零漂。由于每一個管子沒有采取消除零漂的措施，所以當(dāng)溫度變化范圍十分大時，有可能差動放大管進(jìn)入截止或飽和，使放大電路失去放大能力。在實際工作中，常常需要對地輸出，即從c1或c2對地輸出(單端輸出)，而這時的零漂與單管放大電路一樣，仍然十分嚴(yán)重。對此，我們提出長尾

7、式差動放大電路。二、長尾式差動放大電路長尾式放大電路，又稱為發(fā)射極耦合差動放大電路。如圖所示，兩管通過發(fā)射極電阻Re和UEE耦合。1靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性靜態(tài)時，輸入短路，由于流過電阻Re的電流為IE1和IE2之和，且電路對稱，IE1=IE2，故又，所以 由上式可以，V1與V2的發(fā)射極靜態(tài)電流與V1及V2的參數(shù)幾乎無關(guān)，所以認(rèn)為當(dāng)V1與V2的參數(shù)隨溫度變化時，IE1與IE2基本不變?？梢娫撾娐返撵o態(tài)工作點(diǎn)要比基本差動電路穩(wěn)定得多。這是因為Re引入了直流電流負(fù)反饋，其反饋強(qiáng)度等于V1管及V2管的發(fā)射極支路中各接入一個2Re電阻產(chǎn)生的負(fù)反饋強(qiáng)度。2對共模信號的抑制作用差動放大器對共模信號的抑制能力可以

8、用共模電壓放大倍數(shù)Auc的大小來衡量，Auc越小，共模抑制能力越強(qiáng)。長尾式差動放大電路仍具有對稱性，當(dāng)絕對對稱時，若采用雙端輸出方式，Auc=0。由上圖還可以看出：V1管的發(fā)射極共模電流Ie1c和V2管的發(fā)射極共模電流Ie2c以相同方向流過Re，在Re兩端形成較大的共模電壓降，所以Re對共模信號能產(chǎn)生很強(qiáng)的串聯(lián)電流負(fù)反饋。由于負(fù)反饋會使放大倍數(shù)下降，因此，即使電路不完全對稱或采用單端輸出方式，長尾式差動放大電路的共模電壓放大倍數(shù)也很小。可見，長尾式差動放大器對共模信號的抑制能力要比基本差動電路高的多。每個單管的情況：因為在共模信號的作用下，V1與V2的發(fā)射極共模電壓，所以，在V1與V2的發(fā)射極

9、公共支路接入的電阻Re，可以等效地看作在每一個管子的發(fā)射極支路中，各接入一個2Re的電阻。如上圖(b)所示。由于2Re的負(fù)反饋?zhàn)饔?，使每一個單管放大器的共模放大倍數(shù)大大下降，共模輸出大大減小，共模抑制能力大大提高。由于差動放大器輸出端的零點(diǎn)漂移可以等效地看作在輸入端加了一對共模信號，并在輸出端產(chǎn)生共模輸出，所以共模抑制能力提高，同時也表明抑制零點(diǎn)漂移的能力提高。長尾式差動電路，既能有效地抑制共模信號，又能有效地克服零點(diǎn)漂移。3對差模信號的放大作用在差模信號的作用下，長尾電路的工作狀況如圖所示，圖中標(biāo)出的各電流、電壓的指向是規(guī)定正方向。在此規(guī)定正方向下，若電路絕對對稱，則兩管的差模輸入電壓Uid

10、1=Uid2，兩管的發(fā)射極電流Ie1d=Ie2d，所以流過期作廢Re的差模電流為Ied=Ie1d+Ie2d=Ie1dIe1d=0所以Re兩端無差模電壓降。因此，在畫差模交流通路時，應(yīng)當(dāng)把Re視為短路。由于Re兩端無差模電壓降，所以Re對差模信號不產(chǎn)生反饋?？汕蟮萌?、差動放大器的主要指標(biāo)1差模電壓放大倍數(shù)Aud差模電壓放大倍數(shù)Aud是在差模輸入信號的作用下，產(chǎn)生輸出電壓Uod 與差模輸入電壓Uid之比，即2共模電壓放大倍數(shù)Auc共模電壓放大倍數(shù)Auc是在共模輸入信號的作用下，產(chǎn)生輸出電壓Uoc 與差模輸入電壓Uic之比，即在Aud不變的條件下，Auc越小，共模抑制能力越強(qiáng)，零點(diǎn)漂移越小。3共模抑

11、制比CMRRCMRR=Common Mode Rejection Ratio 共模抑制比共模抑制比CMRR是差模電壓放大倍數(shù)是差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模放大倍數(shù)Auc的絕對值之比，即CMRR可以更確切地表明差動電路的共模抑制能力。4差模輸入電阻ridrid是差動放大器對差模信號呈現(xiàn)的等效電阻。在數(shù)值上等于差模輸入電壓Uid與差模輸入電流Iid之比。5差模輸出電阻rodrod是在差模信號作用下差動放大器相對于負(fù)載電阻RL而言的代文寧電源的內(nèi)阻；或者說是要差模信號作用下從RL兩端向放大器看去的等效電阻。在數(shù)值上等于在差模輸入信號的作用下，輸出開路電壓與輸出短路電流之比。6共模輸入電阻ricric

12、是差動放大器對共模信號源呈現(xiàn)的等效電阻，在數(shù)值上ric等于共模輸入電壓Uic與共模輸入電流Iic之比，即【例】如圖所示的長尾式差動電路絕對對稱，求其Aud，Auc，CMRR，rid，rod和ric。若共模輸入信號的接入方式如下圖(a)，則 因為，在共模信號的作用下，Ib1c=Ib2c，所以若共模輸入信號的接入方式如下圖(b)，則 利用外加電源法，可求得rod=2Rcroc=2Rc四、具有調(diào)零電路的差動放大器為了克服半導(dǎo)體三極管V1、V2和電路元件參數(shù)不對稱所造成的輸出直流電壓Uo0的現(xiàn)象，電路中常增加調(diào)零電路。(a)為發(fā)射極調(diào)零電路，(b)為集電極調(diào)零電路。要注意RW的接入

13、對指標(biāo)參數(shù)的影響。對發(fā)射極調(diào)零電路：兩輸入端連在一起時的共模輸入電阻兩輸入端分開時的共模輸入電阻五、恒流源差動放大器長尾式差動放大電路，由于接入Re，提高了共模信號的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈強(qiáng)。若Re增大，則Re上的直流壓降增大，為了保證管子的正常工作，必須提高電源電壓，這是不合算的。為此希望有這樣一種器件，它的交流電阻r大，而直流電阻R小。恒流源就有此特性。 將長尾式中的Re用恒流源代替，即得恒流源差動放大電路，如下圖所示。恒流源電路的等效電阻，與放大電路的輸出電阻相同，其等效電路也如下圖所示，按輸入短路，輸出加電源Uo，求出Io，則恒流源的等效電阻為 六、一般輸入情況如果差動放大電

14、路的輸入信號，既不是共模信號也不是差模信號，即，又應(yīng)如何處理呢？此時可將輸入信號分解成為一對共模信號和一對差模信號，它們共同作用在差動放大電路的輸入端。設(shè)差動放大電路的輸入為Ui1和Ui2，則差模輸入電壓Uid是二者之差，即Uid=Ui1Ui2每一管的差動信號為共模輸入電壓Uic為二者的平均值即 按疊加原理，輸出電壓為七、差動放大電路的四種接法由于差動放大電路有兩個輸入端和兩個輸出端，所以信號的輸入、輸出有以下四種方式。1雙端輸入，雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)為其中 差模輸入電阻和輸出電阻， 共模電壓放大倍數(shù)共模抑制比為 CMRR2雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出由于只從V1的集電極輸出，所以

15、輸出的電壓只有雙端的一半，即差模電壓放大倍數(shù)為此處 如果從V2管輸出，僅是Uo的相位與前者相反，即去掉負(fù)號。輸入電阻為輸出電阻為共模電壓放大倍數(shù)為共模抑制比為3單端輸入，雙端輸出單端輸入，雙端輸出如圖所示，Ui僅加在V1管輸入端，V2管輸入端接地；或者Ui僅加在V2管輸入端，V1管輸入端接地，這種輸入方式稱為單端輸入。當(dāng)忽略電路對共模信號的放大作用，單端輸入就可等效為雙端輸入情況，故雙端輸入，雙端輸出的結(jié)論均適用單端輸入，雙端輸出。這種接法的特點(diǎn)是：可把單端輸入的信號轉(zhuǎn)換成雙端輸出，作為下級的差動輸入，適用于負(fù)載兩端任何一端不接地，而且輸出正負(fù)對稱性好的情況。4單端輸入、單端輸出單端輸入、單端

16、輸出按前面同樣的方法，可得出它與雙端輸入、單端輸出等效。這種接法的特點(diǎn)是：它比單管基本放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂能力，而且可根據(jù)不同的輸出端，得到同相或反相關(guān)系。綜上所述，差動放大電路電壓放大倍數(shù)僅與輸出形式有關(guān)，只要是雙端輸出，它的差模放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同；如為單端輸出，它的電壓放大倍數(shù)是單管基本電壓放大倍數(shù)的一半，輸入電阻都是相同的。例：電路如圖所示，設(shè)UCC=UEE=12V，b1=b2=50，Rc1=Rc2=100kW，RW=200W，R3=33kW，R2=6.8kW，R1=2.2kW，Rs1=Rs2=10kW。(1)求靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)求差模電壓放大倍數(shù)。(3)求RL100k

17、W時，差模電壓放大倍數(shù)。(4)從V1管集電極輸出，求差模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比CMRR(設(shè)rce3=50kW)解：(1)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)，則所以一般估算時，認(rèn)為UB»0(2)差模電壓放大倍數(shù)(3)當(dāng)時：(4)當(dāng)單端輸出時(從V1管集電極輸出)單端輸出時，共模電壓放大倍數(shù)為§3電流源電路一、鏡像電流源電路電路如下圖所示根據(jù)二極管的伏安特性方程流過V1管發(fā)射結(jié)的電流流過V2管發(fā)射結(jié)的電流由于兩管特性相同，所以有，由上圖(b)得：當(dāng)>>2時又因為 當(dāng)時所以我們得出，當(dāng)>>2，時該電路的輸出動態(tài)電阻約為： 該電路的缺點(diǎn)：受電源的影響大。難于做成小電流的電流源。

18、電流源的輸出電阻還不夠大。Io與IR近似相等，精度不高。二、威爾遜電流源威爾遜電流源是為了在低的情況下仍能獲得較好的鏡像特性而設(shè)計的。電路如下圖：圖中V1、V2、V3的特性完全相同。V1與V3工作在放大狀態(tài)；V2相當(dāng)于一個由發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管。RL是后級電路的等效電阻。由上面可知： 又因為又由圖可見當(dāng)(2+2+2)>>2時三、比例電流源上面討論的都是Io等于IR的鏡像電流源，但是在模擬集成電路中也常常需要Io不等于IR的恒流源。其常用電路如右圖所示，它是在基本鏡像電流源的兩個三極管的發(fā)射極上分別串接了兩個電阻。由于V1與V2的特性完全相同，所以有當(dāng)與相差不大(小于10倍)時，可以近

19、似地認(rèn)為當(dāng)>>1時所以有：在的范圍內(nèi)如不在此范圍內(nèi)用下式估算由于引入了電流負(fù)反饋，所以輸出電阻ro要比V2的本身的輸出電阻大的多，可以求得為：  四、微電流源為了得到微安量級的輸出電流，而又不使限流電阻過大，可采用如右圖所示的電路。R為限流電阻，用來控制Io的大小。由圖可知調(diào)節(jié)的值，使，則，因為>>1所以：因為，所以可見，定量分析如下：由電路圖可知由二極管的伏安方程可得，由于V1與V2特性相同，所以IS1=IS2，可得代入上面公式得因為，由電路圖可得當(dāng)參考電流IR和所需的輸出電流Io確定后，可求出Re2及限流電阻R的值。五、多路電流源用一個參考電流去控制多個輸出電流，就構(gòu)成了多路電流源，如下圖所示。圖中，V1與V2，V2與V3分