第6章集成電路運(yùn)算放大器(new)

第6章集成運(yùn)算放大器電路

6–1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)6–2電流源電路6–3差動(dòng)放大電路6–4集成運(yùn)算放大器

6–5集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)

6–1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)放是一種多級(jí)放大電路，性能理想的運(yùn)放應(yīng)該具有電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等特點(diǎn)。與此同時(shí)，在電路的選擇及構(gòu)成形式上又要受到集成工藝條件的嚴(yán)格制約。因此，集成運(yùn)放在電路設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：(1)級(jí)間采用直接耦合方式。(2)盡可能用有源器件代替無(wú)源元件。(3)利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。(4)利用復(fù)合結(jié)構(gòu)電路。(5)電路中二極管常用三極管的發(fā)射結(jié)代替。

集成運(yùn)放電路形式多樣，各具特色。但從電路的組成結(jié)構(gòu)看，一般是由輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)和電流源四部分組成，如圖6–1所示。

6–2電流源電路電流源對(duì)提高集成運(yùn)放的性能起著極為重要的作用。一方面它為各級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流，另一方面可作為有源負(fù)載，提高單級(jí)放大器的增益。下面我們從晶體管實(shí)現(xiàn)恒流的原理入手，介紹集成運(yùn)放中常用的電流源電路。

一、單管電流源電路

圖6–2(a)畫(huà)出了晶體管基極電流為IB的一條輸出特性曲線。由圖可見(jiàn)，當(dāng)IB一定時(shí)，只要晶體管不飽和也不擊穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶體管，從集電極看進(jìn)去相當(dāng)于一個(gè)恒流源。由交流等效電路知，它的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為rce，是一個(gè)很大的電阻。為了使IC更加穩(wěn)定，可以采用分壓式偏置電路(即引入電流負(fù)反饋)，便得到圖6–2(b)所示的單管電流源電路。圖6–2(c)為該電路等效的電流源表示法，圖中Ro為等效電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。利用圖6–2(b)電路的交流等效電路可以證明，Ro近似為圖6–2單管電流源電路(a)晶體管的恒流特性；(b)恒流源電路；(c)等效電流源表示法式中，RB=R1‖R2。需要指出，晶體管實(shí)現(xiàn)恒流特性是有條件的，即要保證恒流管始終工作在放大狀態(tài)，否則將失去恒流作用。這一點(diǎn)對(duì)所有晶體管電流源都適用。(6–1)

二、鏡像電流源在單管電流源中，要用三個(gè)電阻，所以不便集成。為此，用一個(gè)完全相同的晶體管V1,將集電極和基極短接在一起來(lái)代替電阻R2和R3，便得到圖6–3所示的鏡像電流源電路。由圖可知，參考電流Ir為(6–2)由于兩管的e結(jié)連在一起，所以IB相同，IC也相同。由圖可知(6–3)圖6–3鏡像電流源如果β1>>1,則IC2≈Ir?？梢?jiàn)，只要Ir一定，IＣ2就恒定；改變Ir，IC2也跟著改變。兩者的關(guān)系好比物與鏡中的物像一樣，故稱為鏡像電流源。

因此可得

(6–3)三、比例電流源如果希望電流源的電流與參考電流成某一比例關(guān)系，可采用圖6–4所示的比例電流源電路。由圖可知(6–4)因?yàn)?/p>

所以(6–5)圖6–4比例電流源即室溫下，兩管的UBE相差不到60mV，僅為此時(shí)兩管UBE電壓(>600mV)的10%。因此，可近似認(rèn)為UBE1≈UBE2。這樣，式(6–3)簡(jiǎn)化為當(dāng)兩管的射極電流相差10倍以內(nèi)時(shí)：

若β1>>1

，則IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此得出(6–6)(6–5)可見(jiàn)，IC2與Ir成比例關(guān)系，其比值由R1和R2確定。參考電流Ir現(xiàn)在應(yīng)按下式計(jì)算：(6–7)

四、微電流電流源在集成電路中，有時(shí)需要微安級(jí)的小電流。如果采用鏡像電流源，Rr勢(shì)必過(guò)大。這時(shí)可令圖6–4電路中的R1=0,便得到圖6–5所示的微電流電流源電路。由式(6–2)、(6–3)可知，在R1=0時(shí)：當(dāng)β1>>1時(shí)，IE1≈Ir，IE2≈IC2，由此可得(6–8)圖6–5微電流電流源此式表明，當(dāng)Ir和所需要的小電流一定時(shí)，可計(jì)算出所需的電阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10μA時(shí)，則R2為如果UCC=15V，要使Ir=1mA,則Rr≈15kΩ。由此可見(jiàn)，要得到10μA的電流，在UCC=15V時(shí)，采用微電流電流源電路，所需的總電阻不超過(guò)27kΩ。如果采用鏡像電流源，則電阻Rr要大到1.5MΩ。

五、負(fù)反饋型電流源以上介紹的幾種電流源，雖然電路簡(jiǎn)單，但有兩個(gè)共同的缺點(diǎn)：一是動(dòng)態(tài)內(nèi)阻不夠大，二是受β影響大。解決的辦法引入電流負(fù)反饋。圖6–6威爾遜電流源又(6–9)若三管特性相同，則β1=β2=β3=β,求解以上各式可得(6–10)可見(jiàn)，威爾遜電流源不僅有較大的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻，而且輸出電流受β的影響也大大減小。

利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻Ro為(6–11)

六、有源負(fù)載放大器

集成運(yùn)放要有極高的電壓增益，這是通過(guò)多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。在電壓增益一定時(shí)，為了減少級(jí)數(shù)，就必須提高單級(jí)放大器的電壓增益。因此，在集成運(yùn)放中，放大器多以電流源作有源負(fù)載。典型的有源負(fù)載共射放大電路如圖6–8(a)所示。圖中，V2,V3管構(gòu)成鏡像電流源作V1管的集電極負(fù)載。由于該電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為rce3，所以此時(shí)V1管的電壓增益只需將共射增益表達(dá)式中的RC用rce3取代即可。當(dāng)實(shí)際負(fù)載RL通過(guò)射隨器隔離后接入，則該級(jí)放大器可獲得極高的電壓增益。圖6–8有源負(fù)載放大器(a)共射電路；(b)具有倒相功能的共射電路圖6–8(b)為另一種接法的有源負(fù)載共射電路。V3,V2管組成鏡像電流源作V1管的有源負(fù)載，而輸出取自恒流管V2的集電極。6–3差動(dòng)放大電路

6–3

–1零點(diǎn)漂移現(xiàn)象單級(jí)共射放大器如圖6–9所示。由前面討論可知，在靜態(tài)時(shí)，由于溫度變化、電源波動(dòng)等因素的影響，會(huì)使工作點(diǎn)電壓(即集電極電位)偏離設(shè)定值而緩慢地上下漂動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。圖6–9放大器的零點(diǎn)漂移

6–3

–2差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析基本差動(dòng)放大器如圖6–10所示。它由兩個(gè)性能參數(shù)完全相同的共射放大電路組成，通過(guò)兩管射極連接并經(jīng)公共電阻RE將它們耦合在一起，所以也稱為射極耦合差動(dòng)放大器。圖6–10基本差動(dòng)放大器一、靜態(tài)工作點(diǎn)。為了使差動(dòng)放大器輸入端的直流電位為零，通常都采用正、負(fù)兩路電源供電。由于V1,V2管參數(shù)相同，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以兩管工作點(diǎn)必然相同。由圖可知，當(dāng)Ui1=Ui2=0時(shí)：則流過(guò)RE的電流I為(6–12)可見(jiàn)，靜態(tài)時(shí)，差動(dòng)放大器兩輸出端之間的直流電壓為零。下面分析差動(dòng)放大器的動(dòng)態(tài)特性。分析過(guò)程中特別提醒讀者注意射極公共電阻RE的作用。故有二、差模放大特性如果在圖6–10差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、相位相反的差模信號(hào)，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而Uid1=-Uid2。由圖可知，這時(shí)一管的射極電流增大，另一管的射極電流減小，且增大量和減小量時(shí)時(shí)相等。因此流過(guò)RE的信號(hào)電流始終為零，公共射極端電位將保持不變。所以對(duì)差模輸入信號(hào)而言，公共射極端可視為差模地端，即RE相當(dāng)對(duì)地短路。通過(guò)上述分析，可得出圖6–10電路的差模等效通路如圖6–11所示。圖中還畫(huà)出了輸入為差模正弦信號(hào)時(shí)，輸出端波形的相位關(guān)系。利用圖6–11等效通路，我們來(lái)計(jì)算差動(dòng)放大器的各項(xiàng)差模性能指標(biāo)。圖6–11基本差動(dòng)放大器的差模等效通路

1.差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)定義為輸出電壓與輸入差模電壓之比。在雙端輸出時(shí)，輸出電壓為輸入差模電壓為

所以式中，R′L=RC‖RL?？梢?jiàn)，雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)等于單邊共射放大器的電壓放大倍數(shù)。可見(jiàn)，這時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出時(shí)的一半，且兩輸出端信號(hào)的相位相反。需要指出，單端輸出時(shí)的負(fù)載RL接在一個(gè)輸出端到地之間，則計(jì)算Aud時(shí)，總負(fù)載應(yīng)改為R′L=RC‖RL。單端輸出時(shí)，則或

2.差模輸入電阻差模輸入電阻定義為差模輸入電壓與差模輸入電流之比。由圖4–13可得

3.差模輸出電阻

雙端輸出時(shí)為單端輸出時(shí)為

三、共模抑制特性如果在圖6–10差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、相位相同的共模信號(hào)，即Ui1=Ui2=Uic,由圖可知，此時(shí)兩管的射極將產(chǎn)生相同的變化電流ΔiE，使得流過(guò)RE的變化電流為2ΔiE，從而引起兩管射極電位有2REΔiE的變化。因此，從電壓等效的觀點(diǎn)看，相當(dāng)每管的射極各接有2RE的電阻。通過(guò)上述分析，圖6–10電路的共模等效通路如圖6–12所示。利用該電路，現(xiàn)在來(lái)分析它的共模指標(biāo)。

1.共模電壓放大倍數(shù)雙端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)定義為當(dāng)電路完全對(duì)稱時(shí)，Uoc1=Uoc2,所以雙端輸出的共模電壓放大倍數(shù)為零，即Auc=0。圖6–12基本差動(dòng)放大器的共模等效通路單端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)定義為由圖4–14可得

通常滿足(1+β)2RE>>rbe，所以上式可簡(jiǎn)化為

可見(jiàn)，由于射極電阻2RE的自動(dòng)調(diào)節(jié)(負(fù)反饋)作用，使得單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)大為減小。在實(shí)際電路中，均滿足RE>RC，故|Auc(單)|<0.5，即差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)不是放大而是抑制。共模負(fù)反饋電阻RE越大，則抑制作用越強(qiáng)。2.共模輸入電阻由圖4–14不難看出，共模輸入電阻為3.共模輸出電阻單端輸出時(shí)為雙端輸出時(shí)為四、共模抑制比KCMR為了衡量差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，我們引入?yún)?shù)共模抑制比KCMR。它定義為差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值，即KCMR也常用dB數(shù)表示，并定義為

KCMR實(shí)質(zhì)上是反映實(shí)際差動(dòng)電路的對(duì)稱性。在雙端輸出理想對(duì)稱的情況下，因Auc=0,所以KCMR趨于無(wú)窮大。但實(shí)際的差動(dòng)電路不可能完全對(duì)稱，因此KCMR為一有限值。在單端輸出不對(duì)稱的情況下，KCMR必然減小，可求得五、對(duì)任意輸入信號(hào)的放大特性如果在圖6–10差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端分別加上任意信號(hào)Ui1和Ui2，即Ui1和Ui2既不是差模信號(hào)，也不是共模信號(hào)，這時(shí)可以把Ui1和Ui2寫(xiě)成如下形式：不難看出，差動(dòng)電路相當(dāng)輸入了一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)

根據(jù)定義，這時(shí)的差模輸入電壓為

6–3–3具有恒流源的差動(dòng)放大電路圖6–10所示的基本差動(dòng)放大器，存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是共模抑制比做不高，二是不允許輸入端有較大的共模電壓變化。對(duì)于前者，是因?yàn)椴罘殴躒1,V2的rbe與RE相關(guān)，即RE較大而忽略rbb′時(shí)，rbe可近似為與RE成正比。對(duì)于單端輸出，將上式代入KCMR得：若UEE=15V，則室溫下，KCMR(單)的上限約為300，而與RE的取值無(wú)關(guān)。對(duì)于雙端輸出，在電路不對(duì)稱時(shí)，也有類似情況?？梢?jiàn)，不能單靠增大RE來(lái)提高共模抑制比。對(duì)于后者，因?yàn)檩斎牍材ｋ妷旱淖兓瘜⒁鸩罘殴芄采錁O電位的變化，進(jìn)而將影響差放管的靜態(tài)工作電流，使rbe改變。因此，輸入共模電壓變化將直接造成差模電壓放大倍數(shù)的變化，這是我們不希望的。為此，用恒流源代替圖6–12電路中的RE，可以有效地克服上述缺點(diǎn)。一種具有恒流源的差動(dòng)放大電路如圖6–13(a)所示。圖中，恒流源為單管電流源。這是分電流源、小電流電流源等。圖6–13具有恒流源的差動(dòng)放大器電路(a)用單管電流源代替RE的差動(dòng)電路；(b)電路的簡(jiǎn)化表示圖6–13(a)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，可按以下方法估算：圖6-14簡(jiǎn)化的差動(dòng)放大器【例3】電路如圖6-15所示,設(shè)UCC=UEE=12V,β1=β2=50,Rc1=Rc2=100kΩ,RW=200Ω,R3=33kΩ,R2=6.8kΩ,R1=2.2kΩ,Rs1=Rs2=10kΩ。(1)求靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)求差模電壓放大倍數(shù)。(3)求RL=100kΩ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KCMR(設(shè)rce3=50kΩ)。圖6–15例3電路圖解(1)靜態(tài)工作點(diǎn):設(shè)UBE3=0.6V,則所以所以一般估算時(shí),認(rèn)為UB≈0。(2)差模電壓放大倍數(shù):其中(3)當(dāng)RL=100kΩ時(shí)：(4)當(dāng)單端輸出時(shí)(從V1管c1極輸出):其中單端輸出時(shí),共模電壓放大倍數(shù)為式中而所以故其共模抑制比為

6–3–4差動(dòng)放大器的失調(diào)及溫漂

一、差動(dòng)放大器的失調(diào)理想對(duì)稱的差動(dòng)放大器，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，雙端輸出電壓應(yīng)為零。但是在實(shí)際電路中，由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對(duì)稱，因而使得輸出不為零。我們把這種零輸入時(shí)輸出電壓不為零的現(xiàn)象，稱為差動(dòng)放大器的失調(diào)。由于差動(dòng)放大器存在失調(diào)，因而實(shí)際電路中應(yīng)設(shè)法進(jìn)行補(bǔ)償。具體的辦法是在電路中加入調(diào)零措施。一種方法是在集成電路的制造過(guò)程中，采用電阻版圖激光處理技術(shù)，調(diào)整集電極電阻，使零輸入時(shí)零輸出。這種方法效果好，但成本高。另一種方法是在外電路中加調(diào)零電位器，通過(guò)實(shí)地調(diào)整，作到零輸入時(shí)零輸出。圖6–17示出了兩種常用的調(diào)零電路，分別稱為射極調(diào)零和集電極調(diào)零電路。圖6–17差動(dòng)放大器的調(diào)零電路(a)射極調(diào)零;(b)集電極調(diào)零

二、失調(diào)的溫度漂移差動(dòng)放大器雖然可以通過(guò)調(diào)零措施，在某一時(shí)刻補(bǔ)償失調(diào)，作到零輸入時(shí)零輸出,但是失調(diào)會(huì)隨溫度的改變而發(fā)生變化。對(duì)這種隨機(jī)的變化，任何調(diào)零措施還作不到理想跟蹤調(diào)整。因此，差動(dòng)放大器仍有零點(diǎn)的溫度漂移(簡(jiǎn)稱溫漂)現(xiàn)象。那么失調(diào)的溫漂有多大呢?

失調(diào)電壓UIO的溫漂，可以通過(guò)式對(duì)溫度T求導(dǎo)得出，并考慮到ΔRC/RC、ΔIS/IS在很寬的溫度范圍內(nèi)基本恒定，則6–4集成運(yùn)放電路舉例

6–4–1集成運(yùn)算放大器F007

雙極型集成運(yùn)放F007是一種通用型運(yùn)算放大器。由于它性能好，價(jià)格便宜，所以是目前使用最為普遍的集成運(yùn)放之一。F007的電路原理圖如圖6–18所示。圖中各引出端所標(biāo)數(shù)字為組件的管腳編號(hào)。F007由三級(jí)放大電路和電流源等組成，下面分別作一介紹。圖6–18F007電路原理圖參照?qǐng)D6–18，V8～V13,R4和R5構(gòu)成電流源組。其中，V11、V5和V12產(chǎn)生整個(gè)電路的基準(zhǔn)電流。V10和V11組成小電流電流源，作鏡像電流源V8,V9的參考電流，并為V3,V4提供基極偏流。