第5章集成運算放大電路

第5章集成運算放大電路第一頁，共56頁。5.1模擬集成電路簡介一模擬集成電路的特點1、單個元件的精度不高，受溫度影響也大，但是元器件的性能參數(shù)一致性比較好，對稱性好。（差分放大電路）2、電路中電阻元件一般由硅半導體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐~20千歐左右。另外電阻值的精度不易控制，誤差在20%~30%左右。3、電路中電容值也不大（幾十PF），大電感也不易制造，通常直接耦合，因此存在溫漂。4、常用二極管和晶體管組成的恒流源和電流源代替大的集電極電阻和提供微小的偏置電流，二極管用晶體管的發(fā)射結(jié)代替。5、NPN管做成縱向管,β大，而PNP做成橫向管β小而耐壓值高，所以無法配對使用。如果要對稱使用，通常用復合管電路第二頁，共56頁。二集成運放運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。第三頁，共56頁。5.2差分放大電路5.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)5.2.2長尾式差分放大電路5.2.3恒流源差分放大電路第四頁，共56頁。零點漂移現(xiàn)象零點漂移:如果將直接耦合放大電路的輸入端短路，其輸出端應有一固定的直流電壓，即靜態(tài)輸出電壓。但實際上輸出電壓將隨著時間的推移，偏離初始值而緩慢地隨機波動，這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。零漂實際上就是靜態(tài)工作點的漂移。

a)溫度的變化。溫度的變化最終都將導致BJT的集電極電流IC的變化，從而使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，使輸出產(chǎn)生漂移。因此，零漂有時也稱為溫漂。

b)電源電壓波動。電源電壓的波動，也將引起靜態(tài)工作點的波動，而產(chǎn)生零點漂移。無論是溫度變化還是電源波動，都會對兩管產(chǎn)生相同的作用，其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。因此，當共模信號作用于電路時，必須分析電路的零漂情況。

第五頁，共56頁。一、差分放大電路的組成b、為克服溫度漂移增加隨溫度變化的電源V。c、用和左邊電路完全對稱的電路代替電源V。d、圖(c)電路射極電阻影響電路電壓放大倍數(shù)。將兩電阻合二為一。e、增加負電源解決電源和信號源不共地的問題。5.2.1差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)第六頁，共56頁。輸入信號差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中——差模信號產(chǎn)生的輸出——共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標第七頁，共56頁。根據(jù)有共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。第八頁，共56頁。5.2.2長尾式差分放大電路雙端輸入雙端輸出電路雙端輸入單端輸出電路單端輸入雙端輸出電路單端輸入單端輸出電路第九頁，共56頁。（1）靜態(tài)分析1.雙端輸入雙端輸出電路第十頁，共56頁。差分放大電路輸入共模信號（2）動態(tài)分析共模增益：在電路參數(shù)理想對稱情況下：電路參數(shù)對稱起互相補償作用，抑制溫度漂移。Re對共模信號的負反饋作用，抑制溫度漂移。第十一頁，共56頁。差分放大電路加差模信號第十二頁，共56頁。2、雙端輸入單端輸出差分放大電路第十三頁，共56頁。（1）靜態(tài)分析第十四頁，共56頁。(2)差模信號的等效電路第十五頁，共56頁。（3）雙端輸入單端輸出電路對共模信號的等效電路第十六頁，共56頁。3單端輸入雙端輸出電路(1)靜態(tài)分析（略）（2)動態(tài)分析第十七頁，共56頁。4單端輸入單端輸出電路第十八頁，共56頁。1.電路組成及工作原理靜態(tài)5.2.3恒流源差分放大電路第十九頁，共56頁。動態(tài)僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。第二十頁，共56頁。2.主要指標計算（1）差模情況接入負載時以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出第二十一頁，共56頁。3.主要指標計算（1）差模情況<B>雙入、單出接入負載時第二十二頁，共56頁。3.主要指標計算（1）差模情況<C>單端輸入等效于雙端輸入指標計算與雙端輸入相同。第二十三頁，共56頁。3.主要指標計算（2）共模情況<A>雙端輸出共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益第二十四頁，共56頁。<B>單端輸出抑制零漂能力增強3.主要指標計算（2）共模情況第二十五頁，共56頁。（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強單端輸出時的總輸出電壓第二十六頁，共56頁。例(4)當輸出接一個12k負載時的差模電壓增益.解：求:(1)靜態(tài)第二十七頁，共56頁。(2)電壓增益第二十八頁，共56頁。(3)差分電路的共模增益共模輸入電壓不計共模輸出電壓時第二十九頁，共56頁。(4)第三十頁，共56頁。電流源是一個輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對應，它是電子線路中廣泛大量使用的單元電路。5.3.1鏡像電流源5.3.2威爾遜電流源5.3.3微電流源5.3.4以電流源為有源負載的放大多路5.3電流源電路第三十一頁，共56頁。應用：（1）為集成運放各級提供小而穩(wěn)的偏置電流（2）作為各級放大級的有源負載，提高電壓增益優(yōu)點：（1）用晶體管代替大電阻，節(jié)省硅片面積，降低成本（2）用較少的級數(shù)獲得大的增益，由于級數(shù)減少和電路輸出阻抗大，集成運放的消振問題容易振蕩（3）由于放大管的集電極電流與集電極電位無關，電路可以在很快的電源電壓范圍內(nèi)工作，而偏置電流基本不變簡介第三十二頁，共56頁。5.2.1鏡像電流源當時基準電流一鏡像電流源第三十三頁，共56頁。鏡像電流源特點：

結(jié)構(gòu)簡單，存在一定的溫度補償?shù)淖饔么嬖诘膯栴}：（1）受到電源的影響大。當Vcc改變的時候，電流也隨之改變（2）恒流的特性不夠理想，當e-c極間電壓發(fā)生變化的時候，Ic也變化（3）輸出電流與基準電流接近，還相差2IB

第三十四頁，共56頁。二精密鏡象電流源（帶緩沖）

精密鏡象電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了倍。由于有T3存在，IB3和將比鏡象電流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。精密電流源第三十五頁，共56頁。三、比例電流源第三十六頁，共56頁。5.2.2威爾遜電流源穩(wěn)定性增強了第三十七頁，共56頁。式中：基準電流5.2.3微電流源可以提供μA級或更小的電流第三十八頁，共56頁。一、基于比例電流源的多路電流源5.2.4以電流源為有源負載的放大多路第三十九頁，共56頁。二、多集電極管構(gòu)成的多路電流源第四十頁，共56頁。三、MOS管多路電流源第四十一頁，共56頁。F007中的電流源電路第四十二頁，共56頁。一集成運放電路的組成

1.輸入級：要求其輸入電阻高，抑制共模能力強，差模放大倍數(shù)大。2.中間級：要求放大倍數(shù)大。多采用共射（或共源）電路，并采用復合管做放大管，用恒流源做集電極負載。3.輸出級：要求輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻?。◣ж撦d能力強）和非線性失真小。4.偏置電路：偏置電路用于設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點。集成運放采用電流源電路為各級提供集電極（或發(fā)射極、漏極）靜態(tài)工作電流。5.4集成運放電路簡介第四十三頁，共56頁。4.偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。

3.互補輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。2.中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。二集成運放電路的電路構(gòu)成

1.輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。

第四十四頁，共56頁。三集成運放是一種高性能的直接耦合多級放大電路，該產(chǎn)品的種類繁多，但每種的基本組成、結(jié)構(gòu)形式、組成原則都一致。下面以通用運放F007為例加以說明，其電路原理圖及放大部分電路如圖所示：第四十五頁，共56頁。型號為F007的通用型集成運放

對于集成運放電路，應首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。第四十六頁，共56頁。

若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。第四十七頁，共56頁。雙端輸入、單端輸出共集-共基放大電路以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級三級放大電路第四十八頁，共56頁。四、集成運放的符號和電壓傳輸特性線性放大區(qū)在線性放大區(qū)，有為運放的差模開環(huán)放大倍數(shù)。在非線性放大區(qū)，有或(a)(b)模擬集成放大器的符號(a)國家標準符號(b)原符號第四十九頁，共56頁。運算放大器的電路模型圖2.1.3運算放大器的電路模型通常：開環(huán)電壓增益Avo的105（很高）輸入電阻ri106Ω（很大）輸出電阻ro100Ω（很?。?/p>

vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）

注意輸入輸出的相位關系第五十頁，共56頁。

一、運算放大器的靜態(tài)技術指標1.輸入失調(diào)電壓UIO：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。2.輸入失調(diào)電流

IIO：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

5.4集成運放電路的性能指標及低頻等效電路3.輸入偏置電流IIB:(inputbiascurrent)輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值

IIB＝（IBN＋IBP）/2BJT為10nA～1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。第五十一頁，共56頁。4.輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO/dT:在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT:在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。6.最大差模輸入電壓UIdmax:

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓UIcmax:(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第五十二頁，共56頁。二、運算放大器的動態(tài)技術指標

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。

2.差模輸入電阻rid：(inputresistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。

3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd與共模電壓增益Avc之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)

4.–3dB帶寬

fH

：fH是使Aod下降3dB時的信號頻率。5.單位增益帶寬fC

：fC是使Aod下