模擬電子技術(shù)之集成運(yùn)算放大電路

第5章集成運(yùn)算放大電路本章教學(xué)內(nèi)容5.1集成放大電路的特點(diǎn)5.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)5.3集成運(yùn)放的基本組成部分5.4集成運(yùn)放的典型電路5.5各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)5.6集成運(yùn)放使用中的幾個(gè)具體問題5.1集成放大電路的特點(diǎn)手機(jī)主控制芯片手機(jī)主板三星i9300

小米手機(jī)2

特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、高可靠、低成本，實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三結(jié)合。集成電路IC(integratedcircuit)：將晶體管、電阻、電容等各種電子元器件以相互聯(lián)系的狀態(tài)集成到半導(dǎo)體材料（主要是硅）或者絕緣體材料薄層片子上，再用一個(gè)管殼將其封裝起來，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的電路或系統(tǒng)。1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功雙列直插式數(shù)字集成電路模擬集成電路集成運(yùn)算放大器：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。集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。圓殼式扁平式提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器的組成及特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的組成5.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)同相輸入端反相輸入端輸出端輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路保護(hù)電路-+減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大差分放大電路大的電壓放大倍數(shù)，雙端輸入變換為單端輸出共射放大電路提高帶負(fù)載能力，足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小功率放大電路提供過流、過壓保護(hù)直流電源+USUS集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成特點(diǎn)

無電感、無大容量電容、無大阻值電阻。集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo——開環(huán)電壓放大倍數(shù)反相輸入端同相輸入端輸出端集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差分電壓增益Aod輸出電壓與差分輸入電壓之比,一般用對(duì)數(shù)表示。實(shí)際集成運(yùn)放一般Aod為100dB左右，高質(zhì)量的集成運(yùn)放Aod可達(dá)140dB以上。單位:dB(分貝)輸入失調(diào)電壓UIO為了使輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓。一般運(yùn)放UIO的值為1~10mV，高質(zhì)量的在1mV以下。表示失調(diào)電壓在規(guī)定工作范圍內(nèi)的溫度系數(shù)，是衡量運(yùn)放溫漂的重要指標(biāo)。輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電流IIO當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差。用以描述差分對(duì)管輸入電流的不對(duì)稱情況，一般運(yùn)放為幾十至一百納安，高質(zhì)量的低于1nA。輸入失調(diào)電流溫漂代表輸入失調(diào)電流的溫度系數(shù)。一般為每度幾納安，高質(zhì)量的只有每度幾十皮安。輸入偏置電流IIB運(yùn)算放大器靜態(tài)輸出電壓為0時(shí)流入(流出)的電流平均值。IIB

是衡量差分對(duì)管輸入電流絕對(duì)值大小的指標(biāo)，它的值主要決定于集成運(yùn)放輸入級(jí)的靜態(tài)集電極電流及輸入級(jí)放大管的β值。一般集成運(yùn)放的輸入偏置電流愈大，其失調(diào)電流愈大。最大差模輸入電壓UIDM運(yùn)算放大器輸入端之間所能承受的最大電壓。最大共模輸入電壓UICM運(yùn)算放大器輸入端所能承受的最大共模電壓。-3dB帶寬fH單位增益帶寬BWG轉(zhuǎn)換速率SRAod下降3dB時(shí)的頻率。Aod降至0dB時(shí)的頻率。在額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。

單位為V/μs。共模抑制比KCMR

綜合考察差分放大電路放大差模信號(hào)的能力和抑制共模信號(hào)的能力。差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)愈小愈好

愈大愈好KCMR越大，說明差放分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。同相輸入端反相輸入端輸出端輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路保護(hù)電路-+直流電源+USUS差分放大電路共射放大電路功率放大電路5.3集成運(yùn)放的基本組成部分電流源電路偏置電路

鏡像電流源三極管T1、T2匹配基準(zhǔn)電流+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以當(dāng)滿足

>>2時(shí)，則比例電流源IB2IB12IBT1T2RR1R2+VCCIREFIC2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2由圖可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，忽略基極電流，IREFIB2IB1Ic12IBT1T2RRe+VCC微電流源IC2UBE2UBE1+--+IE2由圖可得二極管方程得IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF圖示為集成運(yùn)放LM741偏置電路的一部分，假設(shè)VCC=VEE=15V，所有三極管的UBE=0.7V，其中NPN三極管的β>>2，橫向PNP三極管的β=2，電阻R5=39kΩ

。①估算基準(zhǔn)電流IREF；②分析電路中各三極管組成何種電流源；③估算VT13的集電極電流IC13；④若要求IC10=28μA，試估算電阻R4的阻值?！纠縄C13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF解：①由圖可得②

VT12與VT13組成鏡像電流源，

VT10

、VT11與R4組成微電流源。IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF③不能簡單認(rèn)為Ic13

≈IREF。④

可認(rèn)為

IC11

≈IREF

。差分放大輸入級(jí)基本形式差分放大電路對(duì)稱結(jié)構(gòu)，差分輸出克服零點(diǎn)漂移；零輸入零輸出；抑制共模信號(hào)；放大差模信號(hào)；+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差分放大電路工作原理零點(diǎn)漂移的抑制電路的對(duì)稱性當(dāng)ui1

=

ui2

=0時(shí)，uo1=uo2uo=uo1-uo2=0uo1=uo2uo=(uo1+uo1)-(uo2+uo2)=0+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2共模輸入共模信號(hào)：兩輸入信號(hào)大小相等極性相同。ui1=ui2=uIC抑制共模信號(hào)+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模電壓放大倍數(shù)：+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模輸入差模信號(hào)：兩輸入信號(hào)大小相等極性相反。ui1=

-ui2=0.5

uId放大差模信號(hào)差模電壓放大倍數(shù)：差分輸入差分信號(hào)：兩輸入信號(hào)的大小、相位任意。共模差模差分uo=Ad(ui1-ui2)差分放大電路分析差分放大電路時(shí)，只需考慮共模輸入與差模輸入即可。對(duì)于任意信號(hào)可以分解成這兩種輸入信號(hào)來分析。長尾式差分放大電路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe補(bǔ)償Re上的直流壓降，提供靜態(tài)基極電流引入共模負(fù)反饋提高了共模抑制比對(duì)差模信號(hào)無負(fù)反饋+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe-IBQRβIBQVCC-ICQRc靜態(tài)分析IBQIBQICQICQUCQUCQ+-UBEQUBEQ+-2IEQUBQ晶體管輸入回路方程：+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReuc1uc2動(dòng)態(tài)分析=Au1Ro=2Rc+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R+-uiuc2uc1+ui1RRcVT1uc1-調(diào)零電阻Rw確保靜態(tài)時(shí)輸出為零。靜態(tài)分析：UCQ=VCC-ICQRcICQ≈βIBQUBQ=-IBQR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw長尾式差分放大電路RwRLui1【例】分析右圖所示差分放大電路。+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的長尾式差分放大電路RwRLui1動(dòng)態(tài)分析：+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R0.5Rw0.5Rw+ui1RRcVT1?uc1-0.5RwRo=2Rc恒流源式差分放大電路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLui1I既可有效抑制零漂，又便于集成。靜態(tài)分析+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz【例】估算圖示電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和差模電壓放大倍數(shù)Ad。UBQ1=-IBQ1RIEQ3ICQ3ICQ1ICQ2UCQ1UCQ2IBQ1IBQ1靜態(tài)工作點(diǎn):UCQ1=VCC-ICQRC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz差模電壓放大倍數(shù):+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路與長尾式電路的交流通路相同二者的差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻均相同差分放大電路的輸入、輸出接法雙端輸入、雙端輸出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-雙端輸入、單端輸出+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo單端輸入、雙端輸出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-單端輸入、單端輸出抑制零漂能力較強(qiáng),可使輸入、輸出電壓反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-1.雙端輸出時(shí)Ad

≈Au1Ro=2Rc理想情況下KCMR=∞2.單端輸出時(shí)Ro=

Rc單端輸入時(shí)KCMR不如雙端輸出時(shí)高?？蛇x擇從不同的三極管輸出，使ui與uo反相或同相。結(jié)論：Rid

2(R+rbe)+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3iC2≈-iC4iC3≈iC4iC1≈iC3iC1=-iC2放大管β足夠大iC3iC1iC2iC4io有源負(fù)載有源負(fù)載差分放大電路io=iC4-iC2=2iC4中間級(jí)有源負(fù)載IREFVT2RVT3VT1uIuo-+-++VCC放大管用三極管代替負(fù)載電阻Rc，組成有源負(fù)載，獲得較高的電壓放大倍數(shù)復(fù)合管VT1VT2VT3

RVT4

uIuo-+-++VCCIREF輸出級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路集成運(yùn)放的輸出級(jí)基本上都采用各種形式的互補(bǔ)對(duì)稱電路。為了避免產(chǎn)生交越失真，實(shí)際上通常采用甲乙類的OCL或OTL互補(bǔ)對(duì)稱電路。當(dāng)集成運(yùn)放的輸出功率比較大時(shí)，常常采用由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管組成的復(fù)合管所構(gòu)成的互補(bǔ)對(duì)稱電路或準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路，以免要求前級(jí)放大級(jí)提供的推動(dòng)電流太大。過載保護(hù)電路VD3、VD4和Re1、Re2組成過載保護(hù)電路。工作電流正常時(shí)，VD3

、VD4截止。若VT1正向電流增大，VD3導(dǎo)通，將VT1的基流分流，若VT2反向電流增大，VD4導(dǎo)通，將VT2的基流分流。+VCC-VCCuI+-RLuORb2Rb1VD2VD1VT2VT1二極管過載保護(hù)電路VD3VD4Re2Re1VT3

、VT4和Re1

、Re2組成過載保護(hù)電路。其工作原理與二極管過載保護(hù)電路類似。+VCC-VCCuI+-RLuoRb2Rb1VD2VD1VT2VT1三極管過載保護(hù)電路VT3VT4Re2Re1Re愈大，則IEm愈小；溫度升高，UD、UBE降低，IEm減小。更有利于保護(hù)在高溫下的集成運(yùn)放。5.4集成運(yùn)放的典型電路以雙極型集成運(yùn)放LM741為例VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF3521467偏置電路流過R5的基準(zhǔn)電流VT11

、VT10和R4

組成微電流源，由IC10提供VT9的集電極電流IC9和VT3

、VT4的基流I3,4

。VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至輸入級(jí)至中間級(jí)VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至輸入級(jí)至中間級(jí)橫向VT8、VT9組成鏡像電流源產(chǎn)生I8，決定輸入級(jí)VT1、VT2的集電極電流。橫向VT12、VT13組成另一組鏡像電流源，產(chǎn)生IC13，提供中間級(jí)放大管VT16、VT17的靜態(tài)電流。輸入級(jí)由VT1、VT2、VT3和VT4組成共集-共基差分放大電路，VT5和VT6構(gòu)成有源負(fù)載，代替電阻Rc。差分輸入信號(hào)由VT1、VT2的基極送入，從VT4的集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。+VCCuOVT1VT2VT3VT4RcRc-VEEuI1uI2I8I3,4中間級(jí)+VCC-VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF輸入來自VT4和VT6集電極；輸出接在輸出級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱放大管的基極。中間級(jí)VT16、VT17組成復(fù)合管，VT13作為其有源負(fù)載。30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出級(jí)輸出級(jí)由NPN三極管VT14

和PNP三極管VT20