模电 课件第5章 集成运放基础

本章基本教学要求,掌握直接耦合多级放大电路的工作原理；差动放大电路的工作原理，输入输出方式，差模增益，差模输入输出电阻；理想运放的特点。,正确理解直接耦合多级放大电路的零点漂移；差动放大电路的共模抑制；运算放大电路的组成及特点。,一般了解阻容耦合、变压器耦合方式；典型运算放大电路工作原理。,本章重点内容,多级放大电路的组成、耦合方式及多级放大电路的计算,直接耦合放大电路的零点漂移概念,典型差动放大电路的工作原理及计算,集成运算放大电路的特点、电路组成及主要参数,5.1 集成电路运算放大器中的电流源,恒流源是一个输出电流恒定的电源电路，与恒压源相对应。,(2)用恒流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。,(1)恒流源电路常用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。,(3)用恒流源给电容充电，以获得线性电压输出。,(4)在模拟集成电路中，常用的恒流源电路有：镜象恒流源、精密恒流源、微电流源、多路恒流源等。,5.1.1.镜象电流源,图5.1 镜象恒流源,镜象恒流源电路如图5.1所示，它的特点是工作三极管的集电极电流IC2是恒流源电路的镜象(电流相等）。,代表符号,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高,威尔逊电流源电路,（ 高输出阻抗电流源）,由于有T3存在，IB3将比镜象恒流源中的2IB小1倍。因此IC3和IREF更加接近。,精密镜象恒流源电路,精密镜象恒流源和普通镜象恒流源相比，其精度提高了 倍。电路如图5.4所示。,由于有T3存在，IB3将比镜象恒流源中的2IB小3倍。因此IC2和IREF更加接近。,5.1.2 微电流源,为了得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，在镜象恒流源电路的基础上接入Re电阻。适用微功耗的集成电路中。由图可得：,图5.2 微电流源,5.1.3 比例恒流源电路,在镜象恒流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例恒流源。其电路如图5.3所示。,图5.3比例恒流源,5.1.4 多路恒流源电路,通过一个基准恒流源稳定多个三极管的工作点 电流，即可构成多路恒流源，电路见图5.5。图中一个基准电流IREF可 获得多个恒定电流 IC2、IC3、IC4 。,T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF,T1和T2、T4和T5构成镜像电流源(PNP),T1和T3，T4和T5构成了微电流源(NPN),（ 组合电流源）,5.1.5 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,当器件具有不同的宽长比时,（=0）,ro= rds2,MOSFET基本镜像电路流,5.1.5 FET电流源,1. MOSFET镜像电流源,用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为,常用的镜像电流源,5.1.5 FET电流源,2. MOSFET多路电流源,5.1.5 FET电流源,3. JFET电流源,(a) 电路 (b) 输出特性,5.2.1 概述 5.2.2 差分式放大电路的静态分析 5.2.3 差分式放大电路的动态分析,5.2 差分式放大电路,5.2.1 概述,一、差分式放大电路的组成 二、差分式放大电路的输入和输出方式 三、差模信号和共模信号,一、差分式放大电路的组成,差分式放大电路是由对称的两个基本放大电路， 通过射极公共电阻耦合构成的如图所示。 对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数 对应相等。,即：1=2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO,二、差分式放大电路的输入和输出方式,差分式放大电路一般有两个输入端： 同相输入端 反相输入端,差分式放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。 从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极 C1或C2对地输出称为单端输出。,根据规定的正方向，在一个 输入端加上一定极性的信号，如 果所得到的输出信号极性与其相 同，则该输入端称为同相输入端。 反之称为反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。,图5.7 共模信号和差模信号示意图,三、差模信号和共模信号,差动放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度、干扰等对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差动放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号 共模信号,是指在两 个输入端加上 幅度相等，极 性相反的信号。,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相同 的信号。,四、电路抑制零点漂移的原理,在差动放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加了共模信号，由于电路的对称性，在理想情况下可使输出电压不变，从而抑制零点漂移。,图5.5 双电源差动放大电路（长尾式）,5.2.2 差分式放大电路的静态分析,分析方法与基本放大电路基本相同。为了稳定每个管子的静态工作点，提高单端输出抑制共模干扰能力，将Re从接地改为接负电源EE。,由 IB 的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有 2Re才能获得相同的电压降。,由于接入负电源，所以偏置电阻 Rb 可以取消， 改为EE和Re提供基极偏置电流。基极电流为:,(动画5-1),5.2.3 差分式放大电路的动态分析,一、差模状态动态分析 二、共模状态动态分析 三、恒流源差分式放大电路,如果输入信号极 性相同，幅度也相同， 则是纯共模信号。如 果极性相同，但幅度 不等，则可以认为既 包含共模信号，又包 含差模信号，应分开 加以计算。,Uid1 = Uid2 = (Ui1 Ui2 )/2,Uic = (Ui1 + Ui2 )/2,Ui1 = Uic1 + Uid1,Ui2 = Uic2 + Uid2,(动画 5-2),一、差模状态动态分析,差分式放大电路的差模工作状态分为四种: 双端（单端）输入，双端输出 双端（单端）输入，单端输出 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,图5.8 双端输入双端输出,双端输入差放电路如图 5.8 所示，负载电阻接在两集电极之间， vi 接在两输入端之间，也可看成 vi/2 各接在两输入端与地之间。,双端输入双端输出,差模电压放大倍数,差模输出电阻,3. 主要指标计算,（1）差模情况,接入负载时, 双入、双出,单端输入双端输出,单端输入信号可以转换为双端输入,这种方式用于将单 端信号转换成双端差分 信号，可用于输出负载 不接地的情况。,图5.10 单端输入转换为 双端输入,vi1 = vi2 = vi /2,双端输入单端输出,图5.9 双端输入单端输出,差模输出电阻,差模电压放大倍数,单端输入单端输出,通过从 T1 或 T2 的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系从 。T1 的基极输入信号，从 C1 输出，为反相；从 C2 输出为同相。,计算共模放大倍数 Avc 的微变等效电路，其中Re用 2Re 等效。Avc 的大小，取决于电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。 单端输出时为：,二、共模状态动态分析(1)共模放大倍数 Avc,Re越大,共模放大倍数 Avc越小,抑制零漂能力增强,共模输入、输出电阻,(2)共模抑制比,共模抑制比 KCMR 是差分放大器的一个重要指标。,或,双端输出时 KCMR 可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,（3）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,三、带恒流源的差分式放大电路,为了提高共模抑制比，应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源 T3 来代替Re 。 恒流源动态电阻大，可提高 共模抑制比。同时恒流源的 管压降只有几伏，可不必提 高负电源的值。这种电路称 为恒流源差动放大电路，电 路如图 5.13 所示。,图5.13 恒流源差动放大电路,恒流源电流数值为： IE =(VZ - VBE3 )/ Re,5.3 差分式放大电路的传输特性,根据,iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2,又 vO1VCCiC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2,可得传输特性曲线 vO1，vO2f（vid）,vO1，vO2f（vid）的传输特性曲线,5.3 通用型集成运算放大器,运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。,5.3.1 集成运算放大器的基本组成,1.方框图 2.运算放大器的引线 3.运算放大器的符号和型号,1.方框图,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图5.14所示。,图 5.14 运算放大器方框图,1. 输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,4. 偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3. 互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。如功率放大器。,2. 中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。,2.运算放大器的引线,运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+或IN+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。实际的运算放大器通常有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。,集成运算放大器741原理电路,3.运算放大器的符号和型号,(1)集成放大器的符号 按照国家标准符号如图5.15所示。,(a) (b) 图5.15 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号,(2)集成运算放大器的型号命名 数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如:集成功率放大器的型号命名 CD 集成稳压器的型号命名 CW,5.4 运算放大器的主要参数,运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。,一、运算放大器的静态技术指标 二、运算放大器的动态技术指标,一、运算放大器的静态技术指标,1.输入失调电压Vio ：(input offset voltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电流 Iio ：(input offset current)在零输入时，输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IiB ： (input bias current)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,4.输入失调电压温漂 dVio /dT,5.输入失调电流温漂dIio /dT,5.最大差模输入电压Vidmax,二、运算放大器的动态技术指标,1.开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。,2.差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。,3.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 A