第6章集成運算放大器

1、第六章 集成運算放大器 集成電路：把元器件制作在一塊硅基片上，構成特定功能的電子電路。集成電路的特點:1 同一片內元件參數(shù)與其標稱值之間的絕對誤差較大，但元件參數(shù)的比值有良好精度，溫度均勻性好。2 電阻元件由硅半導體的體電阻組成，阻值為幾十幾十千歐。高阻值電阻由恒流源代替。3 電容用結電容或 sio2介質電容，容量小，集成電路中大都采用直接耦合電路。4 三極管多用硅管，二極管多用三極管的發(fā)射結。5 多用復合結構和組合電路。集成運算放大器是一種直接耦合的高增益的多級放大電路。6-1 集成運算放大器中的恒流源電路恒流源電路：提供恒定輸出電流的電路。 特點：輸出電流的精度高， 溫度穩(wěn)定性好， 電流不

2、隨輸出端電壓變化而變化。 (等效交流輸出電阻大) 作用：為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流， 作放大器的有源負載。 1 鏡像恒流源電路鏡像恒流源電路 電路特點：T1 ,T2兩管參數(shù)完全相同。 VBE1=VBE2 IB1=IB2 IC1=IC2 IR=(VCC-VBE)/R IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC2/ IC2 =IR/(+2)當2時,IC2IR= (VCC-VBE)/R VCC/RT1VCCRRCIRIC12IBIC2T2T3減小IB的分流，提高鏡像精度。Re3VCCT1RIRIC1IBIC2T2T32 微電流源微電流源VBE1=VBE2+IE2Re2IC2IE2=(VBE1-VB

3、E2)/Re2=VBE/Re2 VBE很小，用不大的Re2可得到微小的電流。 IR IE1=IES1eVBE1/VT IC2IE2=IES2eVBE2/VT VBE= VBE1-VBE2=VTln(IR/IES1)-ln(IC2/IES2)=VTln(IR/IC2)IC2=(VT/Re2)ln (IR/IC2)T1VCCRRe2IRIC12IBIC2T23 比例恒流源電路比例恒流源電路VBE1+IE1RE1=VBE2+IE2RE2VBE1- VBE2 =IE2RE2 -IE1RE1VBE1= VTln(IE1/IES)VBE2= VTln(IE2/IES)VBE1-VBE2= VTln(IE1

4、/IE2)VTln(IE1/IE2)= IE2RE2 -IE1RE10.1IE1/IE210|VTln(IE1/IE2)|0 , iC1, vC1 設增量為-v vi20, iC1 , vC1 增量為viC2 , vC2 理想對稱時，增量仍為vvo=vC1-vC2=0電路的對稱性及恒流偏置使共模增益很小。理想情況共模增益為零。差分式放大電路放大差模信號，抑制共模信號。vovi2VCCRCRCvi1I0ro-VEEiC1iC2且iC1+iC2=I0 iC1、iC2的變化極小。（理想恒流源iC1、iC2變化為0）零點漂移零點漂移：放大器無輸入時，（輸入端短路）輸出電壓仍然有緩慢的變化。（漂移）在直

5、接耦合放大器中，前級漂移將被逐級放大。產生漂移的主要原因：溫度變化導致工作點變化。溫漂指標：溫度每升高1度，輸出端的漂移電壓折算到輸入端的等效輸入電壓。在差分式電路中，溫度的變化、電源的波動會使兩管的集電極電流、集電極電壓產生相同方向的變化，相當于在差分管的兩輸入端加入共模信號。由于差分放大器有很強的抑制共模信號的能力，零點漂移很小，特別適合作多級直接耦合放大器的輸入級。2 抑制零點漂移的原理3 主要技術指標的計算差模輸入交流通路vovi2VCCRC1RC2vi1I0ro-VEEIC1IC2(1)差模電壓增益設: vi1=-vi2vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1RCvi1差模輸入單邊

6、交流通路vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1vo2iiA 雙端輸入、雙端輸出雙端輸入雙端輸出的差模電壓增益與單邊共射放大電路的增益相同。如果在輸出端接負載RL,則負載的中點相當于交流接地Ri=vid/ii=2vi1/ii=2rbeRo=2RC2211ibeCoibeCovrRvvrRvbeLCbeLVDrRRrRA)2/()(2121iibeCooovvrRvvvbeCiioVDrRvvvA21B 雙端輸入、單端輸出雙端輸入單端輸出差模增益是單邊共射放大電路增益的一半。在輸出端接負載RLRi=(vi1-vi2)/ii=2vi1/ii=2rbeRo1= Ro2=RC2211ibeCoibe

7、CovrRvvrRvvo1vi2RCRCvi1iC1iC2vo2iibeLCbeLVDbeLCbeLVDrRRrRArRRrRA2)/(22)/(221beCiioVDbeCiioVDrRvvvArRvvvA2221222111C 單端輸入vi1vevbe2ic2vBE1=vi/2vBE2= -vi /2等效輸入電路單端輸入時，差模增益與雙端輸入近似相同。iE1+iE20可以 近似認為ro是交流開路的。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevirbe1rbe2EB1B2 vBE1=-vBE2=vi /2=vid/2差模輸入電阻與輸入輸出方式無關：ic1Ri=2rbeAVD= -RC/r

8、be (雙端輸出)AVD1=-RC/2rbe (單端反相輸出)AVD2=RC/2rbe (單端同相輸出)vi1= vi/2+ vi/2vi2 = -vi/2+ vi/2vid= vi1- vi2= vivic=vi/2在忽略共模增益時，單端輸入差模增益與雙端輸入近似相同。差模增益只與輸出方式有關。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevi1vi2利用疊加求單端輸入差模增益輸出電阻也只與輸出方式有關。雙端輸出：Ro=2RC單端輸出： Ro1=Ro2=RCvo=AVD vid+ AVC vic AVDvid= AVD vi(2) 共模電壓增益viiC1 iC2 iro=2 iC1共模輸入單

9、邊等效交流電路viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevivi1vi2雙端輸出：viiC1 iC2 vo1 vo2 vo= vo1 - vo2 =0單端輸出：viRC1vo1iC12roevi1Ric=(1/2)rbe+(1+)2ro rooCobeCVCrRrrRA22)1(1AVC=0表征差分放大電路放大差模信號，抑制共模信號的能力。 KCMR=|AVD/AVC| 或 KCMR (dB)= 20lg |AVD/AVC|雙端輸出: KCMR=單端輸出: KCMR(單)= (RC/2rbe)/ (RC/2ro )=ro/rbe差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。(3)

10、 共模抑制比KCMR)1 (idCMRicidVDicVCidVDovKvvAvAvAv6-2-2 FET差分式放大電路T2vo2iD2iD1VDD12VVSS-12VR120KR23.3KRd110KRd210KRg21MR32.7KRg11MIREFI0iE3vidT1T3T4IREF=(VDD-VSS-VBE)/(R1+R2)=1mAI0=IREFR2/R3=1.2mAID1=ID2=I0/2=0.6mA 單端輸入同相單端輸出T3,T4,R1,R2,R3組成比例恒流源電路,為T1,T2提供直流偏置.。RdsgRgdAVD1=vo2/vid=gmRd/26-2-3 差分式放大電路的傳輸特性

11、輸出電流iC1,iC2隨差模輸入電壓vid的變化曲線.用來確定差分式放大器的線性區(qū)TBETBEVvESECVvESECeIiieIii212211 Vid VT線性區(qū)VT Vid 4VT限幅區(qū)0212121IiieiiCCVvvCCTBEBETidTidVvCVvCeIieIi/02/0111差分放大器除放大小信號外，還可以作整形電路、電壓比較器、限幅電路等。 6-3 集成電路運算放大電路(電壓放大型)特點：高電壓增益、高輸入電阻、 低輸出電阻、多級直接耦合。6-3-1 簡單的集成電路運算電路組成:ANPO差分輸入級電壓放大級 輸出級 偏置電路vo=AVO(vP-vN)T5VCC10ViR4i

12、c7iREFiE5iE6T3T4T6T7T8vi2T2ic1ic2vi1T1R113.4KR213.4KR819.3KR35.1KR41.9KR79.7KR53.5KR62.0KR01R02-VEE(-10V)T9Ri2Ri3vo靜態(tài)分析: 設vi1=vi2=0時，vo=0 IREF=(VCC+VEE-0.7)/R8=1mA= IC8 = IC7IC1= IC2= IC7/2=0.5mAVC2=VCC- IC2R2=3.3vVE4=VC2-20.7=1.9vIE4= VE4/R4=1mAIC4IC3= IC4/=0.01mAVC3= VC4=VCC-IE4R3=4.9vVE5= VC3-0.7

13、=4.2vVB6=0.7v IE5= (VE5- VB6)/R5=1mA= IC9IE6=VEE/R6=5mA動態(tài)分析計算增益的兩種方法 RSVSvo1Ri2 RLvoRinvo2Ri1法一：計算前級時，后級的輸入電阻作為前級的負載電阻，求帶負載的增益。3212312211,VVVVooVooVioVAAAAVVAVVAVVARLRo3voo3vovo1voo1Ro1RSVSRi2vo2Ri1Ri3Ro2voo2法二：對前級只求開路增益，然后將前級視為后級的信號源，前級輸出電阻為后級信號源內阻，對后級求源增益。3212312211,VsVsVOVoooVsooooVsiooVOAAAAVVAV

14、VAVVARi3=rbe5+(1+5)R5+rbe6+(1+6)R6 =20.8MAV2=- 3 4 R3/Ri2=-2.6AV3=1AV= AVD1 * AV2* AV3=335vi2RC1vi1IC1RC2Ri2vo1T1T2Ri3T5T6R6voR5Ri2R4Ri3T3T4R3AVD1=vo1/(vi2-vi1)=-1(RC2/Ri2)/2rbe1Ri2=rbe3+(1+3)rbe4+ (1+4)R4 =19.9M AVD1- 1RC2/2rbe1=-129AV2=-3 4(R3/Ri3)/Ri26-4 集成電路運算放大器的主要參數(shù)1 輸入失調電壓VIO輸入為零時，實際運放輸出電壓不為零。在溫度25，標準電源電壓下，為使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端所施加的補償電壓。其大小反映了運放中電路的對稱程度和電平的配置情況。2 輸入偏置電流IIB當輸出直流電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流IBN和IBP的算術平均值。與輸入級差分管的值有關。3 輸入失調電流IIO集成運放輸出電壓為零時，兩輸入端靜態(tài)電流之差。反映了輸入級差分對管的不對稱程度。4 最大差模輸入電壓Vidmax反相輸入端和同相輸入端之間所能承受的最大差模電壓。超出此值，造成截止管發(fā)射結擊穿。5 最大共模輸入電壓Vicmax保證運放正常工作，輸入端所能承受的最大共模電壓。超出