模擬電子技術(shù)(江曉安)(第三版)第6章

1、第六章 集成運(yùn)算放大器 第六章第六章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器6.1 零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移 6.2 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 6.3 電流源電路電流源電路6.4 集成運(yùn)算放大器介紹集成運(yùn)算放大器介紹 6.5 集成運(yùn)放的性能指標(biāo)集成運(yùn)放的性能指標(biāo) 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6-1 集成運(yùn)放框圖第六章 集成運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器均是采用直接耦合方式。在第二章對(duì)直接耦合方式的特點(diǎn)及問題作了介紹,這里主要討論直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移問題。 輸入交變信號(hào)為零時(shí)的輸出電壓值被稱為放大器的零點(diǎn)。零點(diǎn)不一定為零,但希望它為零。 6.1 零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移 第六章 集成運(yùn)算放大器 由于直接耦合使得各級(jí)Q點(diǎn)互相影

2、響,如果前級(jí)Q點(diǎn)發(fā)生變化,則會(huì)影響到后面各級(jí)的Q點(diǎn)。由于各級(jí)的放大作用,第一級(jí)微弱變化將經(jīng)多級(jí)放大器的放大,使輸出端產(chǎn)生很大的變化。最常見的是由于環(huán)境溫度的變化而引起工作點(diǎn)漂移(稱為溫漂它是影響直接耦合放大電路性能的主要因素之一。當(dāng)輸入短路時(shí),輸出將隨時(shí)間緩慢變化,如圖6-2所示。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6-2零點(diǎn)漂移第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 6.2.1 基本形式基本形式 差動(dòng)放大電路的基本形式如圖6-3所示。對(duì)此電路的要求是:兩個(gè)電路的參數(shù)完全對(duì)稱,兩個(gè)管子的溫度特性也完全對(duì)稱。由于電路對(duì)稱,當(dāng)輸入信號(hào)Ui=0時(shí),兩管的電流相等,兩管集電極的電位也相等,所

3、以輸出電壓Uo=Uc1-Uc2=0。如果溫度上升使兩管的電流均增加,則集電極的電位Uc1 、Uc2、均下降。由于兩管處于同一環(huán)境溫度,因此兩管電流的變化量和電壓變化量都相等,即Ic1=Ic2,Uc1=Uc2,其輸出電壓仍然為零。這說明,盡管每一管子的靜態(tài)工作點(diǎn)均隨溫度而變化,但c1、c2兩端之間的輸出電壓卻不隨溫度而變化,且始終為零,故有效地消除了零漂。從以上過程可知,該電路是靠電路的對(duì)稱性來消除零漂的。該電路對(duì)輸入信號(hào)的放大作用又如何呢?輸入信號(hào)可以有兩種類型:共模信號(hào)和差模信號(hào)。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6 3 差動(dòng)放大電路的基本形式 第六章 集成運(yùn)算放大器 1. 共模信號(hào)及共模電壓放大

4、倍數(shù)共模信號(hào)及共模電壓放大倍數(shù)Auc 21icicUU所謂共模信號(hào),是指在差動(dòng)放大管V1和V2的基極接入幅度相等、極性相同的信號(hào),如圖6-4(a)所示,即 下標(biāo)ic表示為共模輸入信號(hào)。通常,共模信號(hào)都是無用信號(hào)。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 4月 差動(dòng)電路的兩種輸入信號(hào) 第六章 集成運(yùn)算放大器 0icocucUUA共模信號(hào)對(duì)兩管的作用是同向的,如Uic1=Uic2且均為正,將引起兩管電流同量增加,而兩管集電極電壓將同量減少,故從兩管集電極輸出的共模電壓Uoc為零。由以上可以看出共模信號(hào)的作用與溫度影響相似,所以常常用對(duì)共模信號(hào)的抑制能力來反映電路對(duì)零漂的抑制能力,當(dāng)然，共模電壓放大倍數(shù)也反

5、映了電路抑制零漂的能力。由于該電路從兩管集電極共模輸出電壓為零,所以(6-1) 這說明當(dāng)差動(dòng)電路對(duì)稱時(shí),對(duì)共模信號(hào)的抑制能力特別強(qiáng)。 第六章 集成運(yùn)算放大器 2. 差模信號(hào)及差模電壓放大倍數(shù)差模信號(hào)及差模電壓放大倍數(shù)Aud 21iiidUUU2id1idid12UUU在以下分析過程中,單管放大器的輸入電壓和輸出電壓的參考方向,均以參考地為負(fù)端。差模信號(hào)是指差動(dòng)放大器兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓之差,記作Uid。下標(biāo)id表示差模輸入信號(hào)。 (6-2) 當(dāng)差動(dòng)放大器完全對(duì)稱時(shí),兩個(gè)單管放大器的輸入電阻必然相等,所以在差模輸入信號(hào)作用下,每個(gè)單管放大器分得的差模輸入電壓幅度相等而極性相反,即 (6-3) 第

6、六章 集成運(yùn)算放大器 222111iouiouUUAUUA，是V1管的電壓放大倍數(shù)； ，是V2管的電壓放大倍數(shù)。設(shè)： 第六章 集成運(yùn)算放大器 因?yàn)殡娐吠耆珜?duì)稱, 所以單uuuAAA21)(2121221121iiuiuiuiuiuoooUUAUAUAUAUAUUU單單單besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA2121)(單單(6-4)第六章 集成運(yùn)算放大器 前面已提到,基本差動(dòng)放大電路靠電路的對(duì)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(shí)際電路中每一個(gè)管子并沒有任何措施消除零漂,所以,基本差動(dòng)電路存在如下問題:(1)由于電路難以絕對(duì)對(duì)

7、稱,所以輸出仍然存在零漂。(2)由于每一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(shí),有可能差動(dòng)放大管進(jìn)入截止或飽和,使放大電路失去放大能力。 (3)在實(shí)際工作中,常常需要對(duì)地輸出,即從c1或c2對(duì)地輸出(這種輸出我們稱為單端輸出),而這時(shí)的零漂與單管放大電路的一樣,仍然十分嚴(yán)重。為此，人們又提出了長尾式差動(dòng)放大電路。 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.2 長尾式差動(dòng)放大電路長尾式差動(dòng)放大電路 圖6 5 長尾式差動(dòng)放大電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 1. 靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性 靜態(tài)時(shí), 輸入短路, 由于流過電阻Re的電流為IE1和IE2之和, 且電路對(duì)稱,IE1=IE2,

8、故112sBeEBEEERIRIUUeEEeBEEEseBEEEEERURUURRUUII221221111EBII,sssRRR21第六章 集成運(yùn)算放大器 2.對(duì)共模信號(hào)的抑制作用對(duì)共模信號(hào)的抑制作用差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力可以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)。因?yàn)樵谙嗤腢ic作用下, Auc越小,Uoc越小,對(duì)共模信號(hào)的抑制效果越好。 第六章 集成運(yùn)算放大器 長尾式差動(dòng)電路仍具有對(duì)稱特性,當(dāng)絕對(duì)對(duì)稱時(shí),若采用雙端輸出方式,其共模輸出電壓為零,即Auc=0。另外,由圖6-6(a)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

9、以相同的方向流過Re,在Re兩端形成較大的共模電壓降,所以Re對(duì)共模信號(hào)能產(chǎn)生很強(qiáng)的串聯(lián)電流負(fù)反饋。由于負(fù)反饋會(huì)使放大倍數(shù)下降,因此,即使電路不完全對(duì)稱或采用單端輸出方式,長尾式差動(dòng)電路的共模電壓放大倍數(shù)也很小?？梢?長尾式差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力要比基本差動(dòng)電路高得多。 第六章 集成運(yùn)算放大器 因?yàn)樵诠材Ｐ盘?hào)的作用下,V1與V2的發(fā)射極共模電壓Ue共=(Ie1c+Ie2c)Re=2Ie1cRe=2Ie2cRe,所以,在V1與V2的發(fā)射極公共支路接入的電阻Re,可以等效地看作在每一個(gè)管子的發(fā)射極支路中,各自接入一個(gè)2Re的電阻,如圖6-6(b)所示。由于2Re的負(fù)反饋?zhàn)饔?使每一個(gè)單管放

10、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。而差動(dòng)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(duì)共模信號(hào),并在輸出端產(chǎn)生共模輸出,所以共模抑制能力提高,同時(shí)也表明抑制零點(diǎn)漂移的能力提高。綜上所述,長尾式差動(dòng)電路既能有效地抑制共模信號(hào),又能有效地克服零點(diǎn)漂移。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖圖 6 6 長尾式差放共模交流通路長尾式差放共模交流通路 第六章 集成運(yùn)算放大器 3. 對(duì)差模信號(hào)的放大作用對(duì)差模信號(hào)的放大作用 圖 6-7 長尾電路差模信號(hào)工作狀況第六章 集成運(yùn)算放大器 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(duì)對(duì)稱, 則兩管的差模輸

11、入電壓Uid1=-Uid2, 兩管的發(fā)射極差模電流Ie1d=-Ie2d, 所以流過Re的差模電流Ied為01121dedededeedIIIIIbesLudrRRA所以Re兩端無差模電壓降。因此,在畫差模交流通路時(shí),應(yīng)當(dāng)把Re視為短路,如圖6-7(b)所示。由于Re兩端無差模電壓降,所以Re對(duì)差模信號(hào)不產(chǎn)生反饋。由差模交流通路可求得差模電壓放大倍數(shù)Aud為 (6-5) 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.3 差動(dòng)放大器的主要指標(biāo)差動(dòng)放大器的主要指標(biāo)1. 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)Aud idodudUUA差模電壓放大倍數(shù)Aud是在差模輸入信號(hào)的作用下,產(chǎn)生輸出電壓Uod與差模輸入電壓Uid之

12、比,即 (6-6) 強(qiáng)調(diào)說明,式中Uod是在Uid作用下產(chǎn)生的輸出電壓,它不一定是差模形式,例如單端輸出的Uod就不是差模電壓。 第六章 集成運(yùn)算放大器 2. 共模電壓放大倍數(shù)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(hào)的作用下,產(chǎn)生輸出電壓Uoc與共模輸入電壓Uic之比,即 ucocicUAU(6-7) 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。 第六章 集成運(yùn)算放大器 3. 共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比CMRR是差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模放大倍數(shù)Auc的絕對(duì)值之比,即 )(201dBAAgCMRAACMRRucuducud或者(6-8

13、) (6-9) 第六章 集成運(yùn)算放大器 4. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid rid是差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)源呈現(xiàn)的等效電阻。在數(shù)值上,rid等于差模輸入電壓Uid與差模輸入電流Iid之比。即 idididUrI(6-10) 第六章 集成運(yùn)算放大器 5. 差模輸出電阻差模輸出電阻rodrod是在差模信號(hào)作用下差動(dòng)放大器相對(duì)于負(fù)載電阻RL而言的等效電源的內(nèi)阻；或者說是在差模信號(hào)作用下從RL兩端向放大器看去的等效電阻。數(shù)值上rod等于在差模輸入信號(hào)作用下,輸出開路電壓Uod與輸出短路電流Io0d之比。即 od0o do dUrI(6-11) 第六章 集成運(yùn)算放大器 6. 共模輸入電阻共模輸入電阻ri

14、c ric是差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)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 icicicIUr (6-12) 第六章 集成運(yùn)算放大器 【例1】 設(shè)圖 6 - 5 所示長尾式差動(dòng)電路絕對(duì)對(duì)稱, 求其Aud, Auc, CMRR , rid, rod和ric。 解解 由圖 6 - 7(b)所示差模交流通路得besLcbesLbesbLbiouidodudrRRRrRRrRIRIUUAUUA)21/()(1111單（6-13）第六章 集成運(yùn)算放大器 因?yàn)殡娐方^對(duì)對(duì)稱, 所以在共模輸入信號(hào)作用下, , 因此21ccUUucudicicccicocucAACMR

15、RUUUUUUA0021由差模交流通路可注意到Ib1d=-Ib2d, 則)(2)()()()(111121121besdbbesdbbesdbdbbesdbbesdbdbiiidididrRIrRIrRIIrRIrRIIUUIUr(6-14)(6-15)(6-16)第六章 集成運(yùn)算放大器 若共模輸入信號(hào)的接入方式如圖 6 - 8(a), 則cbcbecbcbbescbcbcbicicicicIIRIIrRIIIUIUr2121121)(1 ()(因?yàn)? 在共模信號(hào)作用下, Ib1c=Ib2c, 所以 ebesicRrRr)1 ()(21(6-17) 第六章 集成運(yùn)算放大器 若共模輸入信號(hào)的接入

16、方式如圖 6 - 8(b), 則ebesiceicbescbicicicicicRrRIRIrRIIUIUr)1 (2)1 (2)(1利用外加電源法, 可以求得該電路的差模輸出電阻rod和共模輸出電阻roc, 它們分別為coccodRrRr22(6-18)(6-19)(6-20)第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 8 兩種共模信號(hào)接入方式 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.4 具有調(diào)零電路的差動(dòng)放大器具有調(diào)零電路的差動(dòng)放大器 圖6 9 具有調(diào)零電路的差動(dòng)電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 (1)2LudPsbeRARRr 2)1 (2WbesidRrRreWsbeicRRRrr)1 (2)1 (21差模放

17、大倍數(shù)Aud 差模輸入電阻rideWsbeicRRRrr2)1 (2)1 (共模輸入電阻ric(對(duì)應(yīng)圖6 - 8(a) 或者為(對(duì)應(yīng)圖6 - 8(b)(6-21)(6-22) (6-23) (6-24) 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.5 恒流源差動(dòng)放大電路恒流源差動(dòng)放大電路長尾式差動(dòng)放大電路,由于接入Re,提高了共模信號(hào)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,為了保證管子正常工作,必須提高UEE值,這是不合算的。為此，希望有這樣一種器件:交流電阻r大,而直流電阻R小。恒流源即有此特性。恒流源的電流、電壓特性如圖6-10所示。 從圖上可分別表示出交流電阻r和

18、直流電阻R,即IURIUr,第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6 10 恒流源的電流、電壓特性第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6 11 恒流源差動(dòng)放大電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 恒流源電路的等效電阻,與放大電路的輸出電阻相同,其等效電路如圖6-11(b)所示,按輸入短路,輸出加電源Uo,求出Io,則恒流源等效電阻為 obebbobebboceboooooIRRRrRIRIIRRrIRIIrIIUIUr21333213/0)()/()()(333333(6-25)(6-26)由式(6-26)得 第六章 集成運(yùn)算放大器 cebebecebeooorRRRrRRRrRrRRRrRIUr21332132133/1

19、)/()/1 (3將Ib3代入式(6-25),得恒流源的交流等效電阻為(6-27) 其中，rce是管子c、e之間的電阻。 第六章 集成運(yùn)算放大器 設(shè)=80, rce=100k, rbe=1k, R1=R2=6k, R3=5k, 則 ro34.5M。用如此大的電阻作為Re, 可大大提高其對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。而此時(shí), 恒流源所要求的電源電壓卻不高, 即113323sBECEBEEERIRIUUU對(duì)應(yīng)的靜態(tài)電流為 32121EEEIII(6-28)第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.6 一般輸入信號(hào)情況一般輸入信號(hào)情況 21iiidUUU)(21212121iiidididUUUUU如果差動(dòng)放大電路的

20、輸入信號(hào)既不是共模信號(hào)也不是差模信號(hào),即|Ui1|Ui2|,又應(yīng)如何處理呢?此時(shí)可將輸入信號(hào)分解成一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào),它們共同作用在差動(dòng)放大電路的輸入端。設(shè)差動(dòng)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 (6-29) 每一管的差動(dòng)信號(hào)輸入為 (6-30) 第六章 集成運(yùn)算放大器 221iiicUUU1211idiciidiciUUUUUUicucidudoUAUAU共模輸入電壓Uic為二者的平均值 (6-31) 即 按疊加原理,輸出電壓為 (6-32) 第六章 集成運(yùn)算放大器 【例【例2】 在圖 6 - 5 電路中, 已知差模增益為 48dB, 共模抑制比為67

21、dB, Ui1=5V, Ui2=5.01V，試求輸出電壓Uo。 解解 因?yàn)?0lg|Aud|=48dB, 故Aud-251, 而CMR=67dB, 故CMRR2239, 所以 VUAUAUCMRRAAicucidudouduc06. 3201. 5511. 0)01. 55(25111. 02239251第六章 集成運(yùn)算放大器 6.2.7 差動(dòng)放大電路四種接法差動(dòng)放大電路四種接法 1. 雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出 2/LcLbesLioudRRRrRRUUA差模電壓放大倍數(shù)為其中 差動(dòng)輸入電阻 rid和輸出電阻 rod為 codbesidRrrRr2),(2第六章 集成運(yùn)算放大器 共

22、模電壓放大倍數(shù)為 0icocucUUA共模抑制比為 CMRR第六章 集成運(yùn)算放大器 圖圖6 12 差動(dòng)放大電路的四種接法差動(dòng)放大電路的四種接法 第六章 集成運(yùn)算放大器 2. 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出 雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)放大電路如圖6-12(b)所示。由于只從V1的集電極輸出,所以輸出電壓只有雙端輸出的一半,即差模電壓放大倍數(shù)為LcLbesLudRRRrRRA/21單(6-33)此處 如果從V2管輸出,僅是Uo的相位與前者相反,電壓放大倍數(shù)仍按(6-33)式計(jì)算,但負(fù)號(hào)去掉。 第六章 集成運(yùn)算放大器 besebesebesucudrRRrRRrRAACMRR)(22)1 (es

23、beLucRRrRA2)1 (單)(2besidrRrcodRr輸入電阻為 輸出電阻為 共模電壓放大倍數(shù)為 (6-34) 共模抑制比為 (6-35) 第六章 集成運(yùn)算放大器 3. 單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出 單端輸入、雙端輸出電路如圖6-12(c)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,這種輸入方式稱單端輸入,是實(shí)際電路中常用的一種。 按式(6-30)、(6-31)、(6-32),可得1212idiiici122iiiUUUUUUUU第六章 集成運(yùn)算放大器 12iicidiidiicidiid111222111222UUUUUUU

24、UUU所以 當(dāng)忽略電路對(duì)共模信號(hào)的放大作用后,單端輸入就可等效為雙端輸入的情況,故雙端輸入、雙端輸出的結(jié)論均適用于單端輸入、雙端輸出。這種接法的特點(diǎn)是：可把單端輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端輸出,作為下一級(jí)的差動(dòng)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(duì)稱性好的情況(如示波管的偏轉(zhuǎn)板)。 第六章 集成運(yùn)算放大器 4. 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出 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(dòng)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, 它的差模電壓放大倍數(shù)與單管基本放大電路相同; 如為單端輸出

25、, 它的差模電壓放大倍數(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。 第六章 集成運(yùn)算放大器 【例3】電路如圖6-13所示,設(shè)UCC=UEE=12V,1=2=50,Rc1=Rc2=100k,RP=200,R3=33k,R2=6.8k,R1=2.2k,Rs1=Rs2=10k。(1)求靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)求差模電壓放大倍數(shù)。(3)求RL=100k時(shí),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=50k)。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖6-13例3電路圖第六章 集成運(yùn)算放大器 解解(1)靜態(tài)工作點(diǎn): 1112()2.2245.872.26.8RC

26、CEERUUURRV設(shè)UBE3=0.6V,則 35.870.65.27RUV第六章 集成運(yùn)算放大器 所以 33123112212111121211RE3EEEEE1645.270.16mA160A33180,2120.08 1004801.6501.6 1010160.016ccccCCcccBBBBBsUIRIIIA IIIIUUUI RVIIIAUUI RmVV 第六章 集成運(yùn)算放大器 所以一般估算時(shí),認(rèn)為UB0。12111211()(0.60.016 )0.616)40.6163.4VEEBEBCECEcEUUUUVVVUUUU 第六章 集成運(yùn)算放大器 (2)差模電壓放大倍數(shù): 111u

27、d1(1)2LPsbeRARRr 其中 LcRR111ud2626(1)3005116.9k0.0850 10015610 16.951 0.1bebbErrIA 第六章 集成運(yùn)算放大器 (3)當(dāng)RL=100k時(shí)， 1ud/100/5033.3k250 33.3A5210 16.951 0.1LLcRRR 第六章 集成運(yùn)算放大器 (4)當(dāng)單端輸出時(shí)(從V1管c1極輸出): 其中 1ud12(1)2LPsbeRARRr 單ud150 5039210 16.951 0.1A 單cL/50kLRRR第六章 集成運(yùn)算放大器 113uc(1)22LPsbeoRARRrr 單單端輸出時(shí),共模電壓放大倍數(shù)為

28、 式中 cL/50kLRRR333ce3121/obeRrrrRRR第六章 集成運(yùn)算放大器 而 33E2626(1)300518.6I0.16bebbrrk所以 3650 331501.96 108.633 1.7or故 uc50 500.01310 16.951 3800A 單第六章 集成運(yùn)算放大器 其共模抑制比為 uducuducA39CMRR=3000A0.013ACMR=20lg20lg300069.5dBA單單單單第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3 電電 流流 源源 電電 路路 6.3.1 鏡像電流源電路鏡像電流源電路 電路如圖6-14(a)所示,圖中V1、V2組成對(duì)管,兩者的特性完全相

29、同,V2管工作在放大狀態(tài)。RL是后級(jí)電路的等效電阻,R稱為限流電阻。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖圖 6 14 鏡像電流源及等效電路鏡像電流源及等效電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 因?yàn)閂1管的集電極和基極之間短路, 所以V1管僅僅相當(dāng)于一個(gè)由其發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管, 將其記作VDE1, 因此, 圖 6 - 14(a)可以等效為圖 6 - 14(b)。由第一章公式(1 - 1)可知, PN結(jié)的伏安特性方程為 。 所以流過V1管與V2管發(fā)射結(jié)的電流分別為 1kTqUsDeII11111BEqUkTDEsIIe22221BEqUkTEsIIe第六章 集成運(yùn)算放大器 2222222221212CCCBBCB

30、EBDERIIIIIIIIIII當(dāng)2時(shí), RUUIIIBECCRCR22因?yàn)閮晒芴匦韵嗤?所以IS1=IS2,另外,兩管靠得很近,所以,兩者的環(huán)境溫度相同,即T1=T2,由圖6-14(a)可知,兩管的發(fā)射結(jié)電壓相同,即UBE1=UBE2,所以IDE1=IE2。由圖6-14(b)得 (6-36) (6-37) 又因?yàn)?第六章 集成運(yùn)算放大器 所以當(dāng)UCCUBE2時(shí), RUICCR當(dāng)2, UCCUBE2時(shí), 則RUIIICCRCo2(6-38) (6-39) 第六章 集成運(yùn)算放大器 IR稱為電流源的參考電流。在2的條件下,不管V2管集電極支路中的負(fù)載RL如何變化,Io總是等于IR。Io就如同IR在

31、鏡子中的影像一樣,故稱該電路為鏡像電流源。當(dāng)2,并且UCCUBE2時(shí),IoUCC/R,與晶體管的參數(shù)無關(guān),因而Io具有很好的溫度穩(wěn)定性；UCC與R一旦確定,Io就隨之確定并保持不變,具有較好的恒流特性。該電路的輸出動(dòng)態(tài)電阻ro約等于rce2。 第六章 集成運(yùn)算放大器 該電路的缺點(diǎn)如下：(1)受電源的影響大。當(dāng)UCC變化時(shí),IC2幾乎也同樣地變化,因此它不適用于電源電壓大幅度變動(dòng)的情況。(2)當(dāng)要求得到小的電流源時(shí),如微安級(jí)的電流,就要求較大的電阻R,如當(dāng)IC2=10A,UCC=15V時(shí),R約為1.5M,這用集成工藝是難于實(shí)現(xiàn)的。(3)由于恒流特性不夠理想,管子c、e極間電壓變化時(shí),IC也會(huì)作相

32、應(yīng)的變化,即電流源的輸出電阻還不夠大。 (4)在圖6-14所示電路中,輸出電流IC2與基準(zhǔn)電流僅僅是近似相等,特別是當(dāng)值不夠大時(shí),兩者之間誤差更大。為提高鏡像電流源的精度,以及進(jìn)一步提高電路的輸出電阻,可采用威爾遜電流源。 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3.2 威爾遜電流源威爾遜電流源威爾遜電流源是為了在低情況下仍能獲得較好的鏡像特性而設(shè)計(jì)的。電路如圖6-15(a)所示。圖中，V1、V2、V3三者的特性完全相同,V1與V3工作在放大狀態(tài)；因?yàn)閂2的b、c之間短路,所以V2管相當(dāng)于一個(gè)由其發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管。RL是后級(jí)電路的等效電阻。圖6-15(b)是圖6-15(a)的等效電路。第六章 集成運(yùn)算放

33、大器 圖 6 15 威爾遜電流源及等效電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 用分析圖6-14的方法,可以求得圖6-15(b)中，IDE2=IE1。由圖6-15(b)可以求得： 1111111121322CCBCBBEBDEBEIIIIIIIIIII(6-40) 又因?yàn)?3331EECIII1131221CCCIII把公式(6-40)代入上式得： (6-41) 第六章 集成運(yùn)算放大器 3311CRBRCIIIII)2221 (23RCoIII當(dāng)(2+2+2)2時(shí), 3oCRIII由圖6-15得 (6-42) 把公式(6-42)代入公式(6-41)得： (6-43) (6-44) 第六章 集成運(yùn)算放大器

34、當(dāng)=20時(shí), 威爾遜電流源的輸出電流Io與參考電流IR之間的相對(duì)誤差是： %45. 0442222222RRoRoIIIII%1 . 922222211RRCRCIIIII而圖 6 - 14 的輸出電流Io與參考電流IR之間的相對(duì)誤差是： RUUUIIIBEBECCRCo23332ceorr(6-45)第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3.3 比例電流源比例電流源 圖圖 6 16 比例電流源比例電流源 第六章 集成運(yùn)算放大器 222111eEBEeEBERIURIU由于V1與V2的發(fā)射結(jié)都處于導(dǎo)通狀態(tài), 其伏安特性曲線十分陡峭(因?yàn)榘l(fā)射區(qū)都是重?fù)诫s的), 發(fā)射結(jié)正偏壓的微小變化, 就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極電流

35、的顯著變化, 所以, 當(dāng)IE1與IE2相差不大(小于10倍)時(shí), 對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)正偏壓UBE1與UBE2相差十分微小。因此, 在 的范圍內(nèi), 可以近似認(rèn)為UBE1=UBE2，代入公式(6 - 47)得 101 . 021EEII2211eEeERIRI(6-47)圖6-16中V1與V2的特性完全相同,V1管只起一個(gè)二極管的作用,V2工作在放大狀態(tài)。由圖可知 (6-48) 第六章 集成運(yùn)算放大器 當(dāng)1時(shí)RBREoCBCEIIIIIIIII21222221eoeRRIRI21eeRoRRII111eCCeBECCRRRURRUUI(6-49) 將上兩式代入(6-48)式,得 即近似認(rèn)為 由圖6-16

36、可知(6-50) 第六章 集成運(yùn)算放大器 所以在 的范圍內(nèi)101 . 0RoII12121eCCeeReeoRRURRIRRI當(dāng) 時(shí), 上式不再成立, 可用下式估算101 . 0RoRoIIII或oReTReeCoIInRUIRRII1221222221beeeceorRRrr(6-51) (6-52) (6-53) 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3.4 微電流源微電流源 為了得到微安量級(jí)的輸出電流,而又不使限流電阻過大,可采用圖6-17所示的微電流源電路。圖6-17中V1與V2的特性完全相同,V1由其發(fā)射結(jié)起一個(gè)二極管的作用,V2工作在放大狀態(tài),其1,RL是后級(jí)電路的等效電阻,R是限流電阻,R

37、e2用來控制Io的大小。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 17 微電流源 第六章 集成運(yùn)算放大器 2212eEBEBERIUU由電路圖可知 調(diào)節(jié)Re2的值, 使UBE2UBE1，則 IE21, 所以 122222211EBECoEEBIIIIIIII因?yàn)镮B2IE2IE1，所以121EBERIIII第六章 集成運(yùn)算放大器 把IoIE2, IRIE1代入IE2IE1得IoIR。正確地選取Re2的值, 可以使Io達(dá)到微安量級(jí), 而此時(shí)IR仍然很大, 所以限流電阻R=(UCC-UBE1)/IR不會(huì)太大。可見, 該電路能夠在R不太大的條件下, 獲得微小的輸出電流。 第六章 集成運(yùn)算放大器 定量分析如下

38、： 22211121221,1SETBESETBEBEBEeEIInUUIInUUUURI21211EETBEBEIInUUU式中UT是溫度電壓當(dāng)量；IS1與IS2分別是V1與V2發(fā)射結(jié)的反向飽和電流, 由于V1與V2特性相同, 所以(6-54)由電路圖可知 由公式(1-1)可得 第六章 集成運(yùn)算放大器 2121EETeEIInURI代入公式(6 - 54)得 因?yàn)镮E2Io , IE1IR, 代入上式得 oReTCoIInRUII122由電路圖可得 RURUUICCBECCR1(6-55)(6-56)第六章 集成運(yùn)算放大器 【例【例4】在圖 6- 17 電路中, UCC=15V, IR=1m

39、A, Io=IC2=10 A, 常溫下, UT=26mV, 請(qǐng)確定Re2及R的值。 解解： 由公式(6 - 55)得 knIInIURoRoTe121010101110101026163632kIUIUURRCCRBECC151011531由公式(6 - 56)得 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3.5 多路電流源多路電流源 用一個(gè)參考電流去控制多個(gè)輸出電流,就構(gòu)成了多路電流源,如圖6-18所示。 圖 6 18 多路電流源 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.3.6 作為有源負(fù)載的電流源電路作為有源負(fù)載的電流源電路 恒流源在集成電路中除了設(shè)置偏置電流外,還可作為放大器的有源負(fù)載,以提高電壓放大倍數(shù)。 第六

40、章 集成運(yùn)算放大器 圖6 19 有源負(fù)載共射放大器 第六章 集成運(yùn)算放大器 【例例5】圖 6 - 20 是集成運(yùn)放F007中的一部分電路, 它們組成電流源電路(各元器件的編號(hào)均與F007電路圖中的編號(hào)相同), 試計(jì)算各個(gè)管子的電流, 其中V12和V13是橫向PNP管, 12=13=2。V10和V11是NPN型管。 解解 流過電阻R5的電流就是參考電流IR, 即mARUUUUIBEBEEECCR73. 0396 .2851112第六章 集成運(yùn)算放大器 V10、V11構(gòu)成微電流源, 根據(jù)式(6 - 55)得 410101RIIInUCCRT即 , IC10的單位為微安, 利用作圖法或試探法求得IC

41、1028A。 V12和V13組成鏡像電流源,由于較小,則利用式(640)得10107302613CCInI1213365. 073. 022221313CRCImAII第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 - 20F007中的電流源電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.4 集成運(yùn)算放大器介紹集成運(yùn)算放大器介紹 集成運(yùn)放是一種高放大倍數(shù)、 高輸入電阻、 低輸出電阻的直接耦合放大電路。為了抑制零點(diǎn)漂移, 所以對(duì)溫漂影響最大的第一級(jí)毫無例外地采用了差動(dòng)放大電路。 為了提高放大倍數(shù), 中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。 輸出級(jí)為功率放大電路(將在第九章中講述), 為提高此電路的帶負(fù)載能力, 多采用互補(bǔ)對(duì)稱輸

42、出級(jí)電路。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖圖 6 21 F007的電路原理圖的電路原理圖第六章 集成運(yùn)算放大器 6.4.1 偏置電路偏置電路 F007偏置電路由圖6-21中的V8V13和R4、R5等元件組成,如圖6-22所示,其基準(zhǔn)電流IR為 51112RUUUUIBEBEEECCR由IR便可求出其它各級(jí)電路的偏置電流。 第六章 集成運(yùn)算放大器 34910IIICCV10和V11組成微電流源,所以IC10比IC11小得多,二者關(guān)系由式(6-55)確定。IC10提供V9的集電極電流和V3、V4的基極電流I34,即 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 - 22F007的偏置電路 第六章 集成運(yùn)算放大器 6

43、.4.2 輸入級(jí)輸入級(jí) 圖 6 23 的輸入級(jí) F007第六章 集成運(yùn)算放大器 V8和V9不僅是鏡像電流源, 而且還與V10、V11組成微電流源構(gòu)成共模負(fù)反饋環(huán)節(jié)以穩(wěn)定IC1、IC2, 從而提高整個(gè)電路的共模抑制比。其過程如下: 910981234CCCCIIIIIIITCC(因?yàn)镮C10是恒定電流)12CCII34CCII第六章 集成運(yùn)算放大器 6.4.3 中間級(jí)中間級(jí) F007的中間級(jí)是由V16、V17組成的復(fù)合管,其負(fù)載由V12、V13組成的鏡像電流源作為有源負(fù)載的共射放大電路。由于采用了復(fù)合管電路,故提高了本級(jí)輸入電阻。中間級(jí)的放大倍數(shù)可達(dá)1000多倍。中間級(jí)電路如圖6-24所示。 第

44、六章 集成運(yùn)算放大器 圖 6 24 F0 0 7的中間級(jí) 第六章 集成運(yùn)算放大器 6.4.4 輸出級(jí)和過載保護(hù)輸出級(jí)和過載保護(hù) 輸出級(jí)的主要作用是給出足夠的電流以滿足負(fù)載的需要,同時(shí)還要具有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻,以起到將放大級(jí)和負(fù)載隔離的作用。注意,放大倍數(shù)應(yīng)適中,太高沒必要,太低將影響總的放大倍數(shù)。除此之外,還應(yīng)該有過載保護(hù),以防輸出端短路或過載電流過大而燒壞管子。輸出級(jí)電路如圖6-25所示。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖 625F0 0 7的輸出級(jí)第六章 集成運(yùn)算放大器 6.5 集成運(yùn)放的性能指標(biāo)集成運(yùn)放的性能指標(biāo) 1. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod Aod是指集

45、成運(yùn)放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓放大倍數(shù), 即idoodUAU 對(duì)于集成運(yùn)放而言, 希望Aod大, 且穩(wěn)定。目前高增益集成運(yùn)放的Aod可高達(dá)140dB(107倍), 理想集成運(yùn)放認(rèn)為Aod為無窮大。 第六章 集成運(yùn)算放大器 2. 最大輸出電壓最大輸出電壓U op-p 最大輸出電壓是指在額定的電壓下,集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。如果F007電源電壓為15V時(shí)的最大輸出電壓為10V,按Aod=105計(jì)算,輸出為10V時(shí),輸入差模電壓Uid的峰-峰值為0.1mV。輸入信號(hào)超過0.1mV時(shí),輸出恒為10V,不再隨Uid變化,此時(shí)集成運(yùn)放進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。用集成運(yùn)放的傳輸特性曲線表示上述關(guān)系,如圖6-26所示。 第六章 集成運(yùn)算放大器 圖圖 6 26 集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性第六章 集成運(yùn)算放大器 3. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid rid的大小反映了集成運(yùn)放輸