06集成运算放大器

返回＞＞第六章集成运算放大器运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路。由于该电路最初是用于数的运算，所以称为运算放大器。虽然运算放大器的用途早已不限于运算，但仍沿用此名称。把整个运算放大电路集成起来，成为集成运算放大器，简称集成运放。目前，集成运放的放大倍数可高达107倍(140dB)，集成运放工作在放大区时，输入与输出成线性关系，又称线性集成电路。模拟集成电路按其特点可分为：运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路以及其它种类的集成电路。也可将几个集成电路和一些元件组合成具有一定功能的模块电路。集成运放和分立元件组成的具有相同功能的电路相比具有以下特点：⑴由于集成工艺不能制作大容量的电容，所以电路结构均采用直接耦合方式。⑵为了提高集成度和集成电路的性能，一般集成电路的功耗要小，这样集成运放各级的偏置电流通常较小。⑶集成运放中的电阻元件是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围有一定的限制，一般是几十欧姆到几万欧姆，电阻阻值太大或太小都不易制造。⑷在集成电路中，制造有源器件(晶体三极管、场效应管)比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不麻烦，因此在集成电路中大量使用有源器件来组成有源负载，从而获得大电阻。提高放大电路的放大倍数；还可以将有源器件组成恒流源，以获得稳定的偏置电流。二极管常用三极管代替。⑸集成电路中各元件的绝对精度差，但相对精度高，故对称性好，特别适宜制作对称性要求高的电路。⑹集成电路中，采用复合管的接法，以改变单管的性能。集成运放的原理框图如右下图所示，由4个主要部分组成⑴输入级：有两个输入端，一个输入端与输出端成同相关系，一个输入端同输出端成反相关系。温度漂移要小。⑵中间级：主要完成电压放大任务⑶输出级功率放大⑷偏置电路向各级提供稳定的静态的工作电流。另外还有一些辅助电路：电平偏移电路短路保护电路等§1零点漂移输入交变信号为0时的输出电压值被称为放大器的零点。0点不一定为0，但希望它为0。零点漂移的原因：⑴直接耦合使得各级Q点互相影响，如果前级Q点发生变化，则会影响到后级的Q点。⑵由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经过多级放大器的放大，使输出端产生很大的变化。⑶环境温度的变化而引起工作点的漂移。由于上述原因，当输入短路时，输出将随时间缓慢变化，这种输入电压为0，输出电压偏离零点的变化称为零点漂移。零点漂移的危害：测量误差、淹没真正信号、使自动控制发生错误动作。零点漂移的衡量：零点漂移一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。怎样克服零点漂移，最有效的措施之一就是采用差动放大电路。§2差动放大电路一、基本形式差动放大电路的基本形式如图所示。对电路的要求：两个电路的参数完全对称，两个管子的温度特性也完全对称。该电路是靠电路的对称来消除零漂的。该电路对输入信号的放大作用又如何呢？输入信号可有两种类型：共模信号和差模信号1.共模信号及共模电压放大倍数Auc共模信号：是指在差动放大管V1和V2的基极接入幅度相等、极性相同的信号。Uic1＝Uic2共模信号通常都是无用信号。共模信号对两管的作用是同向的，共模放大倍数0icocucUUA说明当差动放大电路对称时，对共模信号的抑制能力特强。2.差模信号及差模电压放大倍数Aud差模信号：指放大器两个输入端的信号电压之差。Uid＝Ui1－Ui2当电路对称时idididUUU2121所以有时把差模信号定义为幅度相等而极性相反的一对信号。据图推导差模电压放大倍数：设：111iouUUA是V1管的电压放大倍数，222iouUUA是V2管的电压放大倍数。因电路全对称，所以有单uuuAAA21)(21221121iiuiuiuoooUUAUAUAUUU单该式说明，当两个输入信号有差别时，有信号电压输出；当两个输入信号完全相同时，输出电压为0。由些可见，完全对称的差动放大器只能放大差模信号，不能放大共模信号，这正是差动放大器名称的来由。差模放大电压放大倍数：besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA'2121)(单单)2///('LCLRRR基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极c1、c2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂，所以，基本差动电路存在如下问题。①由于电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。②由于每一个管子没有采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分大时，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。③在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1或c2对地输出(单端输出)，而这时的零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。对此，我们提出长尾式差动放大电路。二、长尾式差动放大电路长尾式放大电路，又称为发射极耦合差动放大电路。如图所示，两管通过发射极电阻Re和UEE耦合。1．静态工作点的稳定性静态时，输入短路，由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和，且电路对称，IE1=IE2，故1112sBeEBEEERIRIUU又111EBII，sssRRR21所以eEEeBEEEseBEEEEERURUURRUUII221221由上式可以，V1与V2的发射极静态电流与V1及V2的参数几乎无关，所以认为当V1与V2的参数随温度变化时，IE1与IE2基本不变。可见该电路的静态工作点要比基本差动电路稳定得多。这是因为Re引入了直流电流负反馈，其反馈强度等于V1管及V2管的发射极支路中各接入一个2Re电阻产生的负反馈强度。2．对共模信号的抑制作用差动放大器对共模信号的抑制能力可以用共模电压放大倍数Auc的大小来衡量，Auc越小，共模抑制能力越强。长尾式差动放大电路仍具有对称性，当绝对对称时，若采用双端输出方式，Auc=0。由上图还可以看出：V1管的发射极共模电流Ie1c和V2管的发射极共模电流Ie2c以相同方向流过Re，在Re两端形成较大的共模电压降，所以Re对共模信号能产生很强的串联电流负反馈。由于负反馈会使放大倍数下降，因此，即使电路不完全对称或采用单端输出方式，长尾式差动放大电路的共模电压放大倍数也很小。可见，长尾式差动放大器对共模信号的抑制能力要比基本差动电路高的多。每个单管的情况：因为在共模信号的作用下，V1与V2的发射极共模电压eceeceececeeRIRIRIIU212122)(共，所以，在V1与V2的发射极公共支路接入的电阻Re，可以等效地看作在每一个管子的发射极支路中，各接入一个2Re的电阻。如上图(b)所示。由于2Re的负反馈作用，使每一个单管放大器的共模放大倍数大大下降，共模输出大大减小，共模抑制能力大大提高。由于差动放大器输出端的零点漂移可以等效地看作在输入端加了一对共模信号，并在输出端产生共模输出，所以共模抑制能力提高，同时也表明抑制零点漂移的能力提高。长尾式差动电路，既能有效地抑制共模信号，又能有效地克服零点漂移。3．对差模信号的放大作用在差模信号的作用下，长尾电路的工作状况如图所示，图中标出的各电流、电压的指向是规定正方向。在此规定正方向下，若电路绝对对称，则两管的差模输入电压Uid1=–Uid2，两管的发射极电流Ie1d=–Ie2d，所以流过期作废Re的差模电流为Ied=Ie1d+Ie2d=Ie1d–Ie1d=0所以Re两端无差模电压降。因此，在画差模交流通路时，应当把Re视为短路。由于Re两端无差模电压降，所以Re对差模信号不产生反馈。可求得besLudrRRA'三、差动放大器的主要指标1．差模电压放大倍数Aud差模电压放大倍数Aud是在差模输入信号的作用下，产生输出电压Uod与差模输入电压Uid之比，即idodudUUA2．共模电压放大倍数Auc共模电压放大倍数Auc是在共模输入信号的作用下，产生输出电压Uoc与差模输入电压Uic之比，即icocucUUA在Aud不变的条件下，Auc越小，共模抑制能力越强，零点漂移越小。3．共模抑制比CMRRCMRR=CommonModeRejectionRatio共模抑制比共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数是差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的绝对值之比，即ucudAACMRR)(lg20dBAACMRucudCMRR可以更确切地表明差动电路的共模抑制能力。4．差模输入电阻ridrid是差动放大器对差模信号呈现的等效电阻。在数值上等于差模输入电压Uid与差模输入电流Iid之比。idididIUr5．差模输出电阻rodrod是在差模信号作用下差动放大器相对于负载电阻RL而言的代文宁电源的内阻；或者说是要差模信号作用下从RL两端向放大器看去的等效电阻。在数值上等于在差模输入信号的作用下，输出开路电压与输出短路电流之比。dodoodIUr06．共模输入电阻ricric是差动放大器对共模信号源呈现的等效电阻，在数值上ric等于共模输入电压Uic与共模输入电流Iic之比，即icicicIUr【例】如图所示的长尾式差动电路绝对对称，求其Aud，Auc，CMRR，rid，rod和ric。besLcbesLbesbLbiouidodudrRRRrRRrRIRIUUAUUA)21//()(''1111单0021icicccicocucUUUUUUAucudAACMRR)(2)()()()(111121121besdbbesdbbesdbdbbesdbbesdbdbiiidididrRIrRIrRIIrRIrRIIUUIUr若共模输入信号的接入方式如下图(a)，则cbcbecbcbbescbcbcbicicIIRIIrRIIIUr2121121))(1()(因为，在共模信号的作用下，Ib1c=Ib2c，所以ebesicRrRr)1()(21若共模输入信号的接入方式如下图(b)，则cbcbeicbesicicicicIIRIrRIIUr21)1(2)(ebesicRrRr)1(2利用外加电源法，可求得rod=2Rcroc=2Rc四、具有调零电路的差动放大器为了克服半导体三极管V1、V2和电路元件参数不对称所造成的输出直流电压Uo≠0的现象，电路中常增加调零电路。(a)为发射极调零电路，(b)为集电极调零电路。要注意RW的接入对指标参数的影响。对发射极调零电路：2)1('WbesLudRrRRA]2)1([2WbesidRrRr两输入端连在一起时的共模输入电阻eWbesicRRrRr)1(]2)1([21两输入端分开时的共模输入电阻eWbesicRRrRr2)1(2)1(五、恒流源差动放大器长尾式差动放大电路，由于接入Re，提高了共模信号的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈强。若Re增大，则Re上的直流压降增大，为了保证管子的正常工作，必须提高电源电压，这是不合算的。为此希望有这样一种器件，它的交流电阻r大，而直流电阻R小。恒流源就有此特性。IUrIUR将长尾式中的Re用恒流源代替，即得恒流源差动放大电路，如下图所示。恒流源电路的等效电阻，与放大电路的输出电阻相同，其等效电路也如下图所示，按输入短路，输出加电源Uo，求出Io，则恒流源的等效电阻为oooIUr330)()(33RIIrIIUbceboo0)()//(302133RIIRRrIbbeb02133//3IRRRrRIbebcebebeceberRRRrRRRrRrRRRrRIUr)//1()////()//1(21332132133000380100cer1ber621RR53R5.43or113323sBECEBEEERIRIUUU32121EEEIII六、一般输入情况如果差动放大电路的输入信号，既不是共模信号也不是差模信号，即21iiUU，又应如何