第三章 集成运算放大器基础

第三章集成运算放大器基础§3.1集成运算放大器的组成单元一、差动放大电路基本差放的工作原理典型差放电路的结构与分析二、恒流源电路基本恒流源电路镜像恒流源电路有源负载三、复合管电路§3.2集成运算放大器简介运放的组成结构运放的主要参数与分类理想运放的条件差动放大电路的工作原理（1）为有效地抑制直接耦合放大电路的零点漂移，在直接耦合放大电路的第一级广泛采用的电路结构是差动放大电路。基本差动放大电路的结构uo1+UCCBCET1RCui1+-Rb2Rb1uo2BCET1RCui2+-Rb2Rb1uo特点：左右结构、参数对称具有两个输入端输出电压uo=uo1-uo2电路抑制零漂的原理设电路处于静态工作状态，即:ui1=ui2=0由于电路对称，则Ic1=Ic2,Vc1=Vc2，即:Uo=Vc1-Vc2=0温度升高集电极电流产生增量ΔIc1=ΔIc2集电极电位产生负增量ΔVc1=ΔVc2所以，UO=（Vc1-ΔVC1)-(VC2-ΔVc2)=0结论:基本差动电路利用电路的对称性，在双端输出时将零漂完全抑制。两管各自的零漂是否得到抑制？差动放大电路的工作原理（2）差动放大电路输入信号类型差动放大电路输入信号类型共模输入信号差模输入信号任意输入信号1、共模输入信号当两个输入信号满足ui1=ui2时，称为共模输入信号。由于电路对称，所以双端输出时uo=0，即差放电路对共模信号无放大作用。电路两管产生的漂移可认为是在输入加共模信号的结果。2、差模输入信号当两个输入信号满足ui1=-ui2时，称为差模输入信号。设ui10，ui20，则：ui1ΔIC1ΔVc1ui12ΔIC2ΔVc2即：uo=（Vc1-ΔVc1)-(Vc2+ΔVc2)因为：Vc1=Vc2，|ΔVc1|=|ΔVc2|=|ΔVc|所以：uo=-2ΔVc结论：差放电路对差模信号有放大作用。注意：输入、输出极性！差动放大电路的工作原理（3）221iiduuu3、任意输入信号当两个输入信号满足ui1≠ui2时，称为任意输入信号。任意输入信号可分解为一对差模信号与一对共模信号的组合，即：ui1=ud+ucui2=-ud+uc其中：uc为共模信号，ud与-ud为一对差模信号，有：221iicuuu差动放大电路只对其中的差模信号进行放大。{end}结论（1）无论差动放大电路的输入信号为何种类型，电路只对其中的差模信号进行放大。（2）与单管放大电路相比，差动放大电路的特点是有效的放大差模信号、有效的抑制共模信号，即有效的抑制零漂。典型差动放大电路的结构与分析（1）基本差动放大电路是借助电路的对称性抑制零漂的存在问题实际电路中不存在绝对对称每管的零漂并未能抑制，不能单端输出。解决方法采用典型差动放大电路结构uo1+UCCT1RCui1+-RpRBuo2T2RCui2+-RERBuo-UEE长尾电路调零电位器RPRP作用：（1）调节两管的Q点，保证在输入为零时u0=0。（2）取值在几十到几百Ω。共模反馈电阻RERE作用：（1）对差模信号压降为零，可视为短路。（2）对共模信号压降为单管电路的两倍。（3）取值越大越好。负电源UEEUEE作用：（1）补偿RE上的直流压降。（2）取值UEE=UCC。等效uo1+UCCT1RCui1+-RpRbuo2T2RCui2+-RERbuo-UEE典型差动放大电路的结构与分析（2）静态工作点的计算+UCCRp/2UCET1RC2RERB-UEEIC+UCCRp/2UCET2RC2RERB-UEEICEEPEBEBBEERIRIURIU22])1(22)1([EPBBBEEERRRIUUEPBBEEEBRRRUUI)1(22)1(由图可得：即：则：所以：CECCCCCCCRIURIUVEEEEPEEURIRIV22又：ECCEVVU典型差动放大电路的结构与分析（3）差模输入时微变等效电路：差模电压放大倍数Aud----电路对差模输入信号的电压放大倍数。共模电压放大倍数Auc----电路对共模输入信号的电压放大倍数。微变等效电路uo1T1RCui1+-Rp/2RBuo2T2RCui2+-RP/2RBuouo1+UCCT1RCui1+-RpRBuo2T2RCui2+-RERBuo-UEE动态参数的计算1、电压放大倍数RBRBrberbeRcRcRp/2Rp/2βib1βib2uouo1uo2ui1=udui2=-ud2)1()(111PbbeBbdiRirRiuucboRiu11doiioouduuuuuuA12121根据电路，有：又因为，ui2=-ud,所以：uo2=-uo1故双端输出时，2)1(PbeBcudRrRRA单端输出时，uddoiioudAuuuuuA21212111uddoiioudAuuuuuA21212122差模电压放大倍数Aud：共模输入时微变等效电路：典型差动放大电路的结构与分析（4）uo1+UCCT1RCui1+-RpRbuo2T2RCui2+-RERbuo-UEEuo1T1RCui1+-Rp/2RBuo2T2RCui2+-RP/2RBuo2RE2RE微变等效电路RBRBrberbeRcRcRp/2Rp/2βib1βib2uouo1uo2ui1=ucui2=uc2RE2REEP1bbeB1bc1iR22Ri)1()rR(iuucboRiu11021cooucuuuA根据电路，有：又因为，ui2=uc,所以：uo2=uo1故双端输出时，单端输出时，cocoucuuuuA21)22)(1(EPbeBcRRrRR在实际电路中，因为RE往往取值较大，所以：EcucRRA2共模电压放大倍数大好还是小好？共模电压放大倍数Auc：典型差动放大电路的结构与分析（5）2、共模抑制比KCMR为全面衡量差动放大电路对差模信号和共模信号的作用，定义|Aud/Auc|为共模抑制比KCMR，常用分贝(dB)作为KCMR的单位，即：)(||lg20dBAAKucudCMR理想时，KCMR应为多少？在实际电路中，只要RE足够大，共模抑制比KCMR，即可达到较大的数值。一般情况下，KCRM可达60dB以上，高质量的差动放大电路KCMR可达120dB。典型差动放大电路的结构与分析（6）iiiidiuuR21ididdiuiuu2)(2)1()(PibeBidRirRiu3、差模输入电阻Rid由差模输入时的微变等效电路，有：RBRBrberbeRcRcRp/2Rp/2βibβibuouo1uo2ui1=udui2=-udii而，所以：]2)1([2PbeBidRrRR4、差模输出电阻Rod双端输出时，Rod=2RC单端输出时，Rod=RC典型差动放大电路的结构与分析（7）差动放大电路的输入输出方式由于差动放大电路有两个输入端和两个输出端，则可能有4种输入输出方式双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出对于图示的单端输入情况，可视为电路输入任意信号：ui1=ui，ui2=0单端输入单端输出uiuo1+UCCT1RC+-RpRBuo2T2RCRERBuo-UEE则：ui1=ud+uc=ui/2+ui/2ui2=-ud+uc=-ui/2+ui/2因为：ud=(ui1-ui2)/2=ui/2uc=(ui1+ui2)/2=ui/2结论：单端输入的效果相当于双端输入典型差动放大电路的结构与分析（8）{end}{end}典型差动放大电路的结构与分析（9）uo1+12VT1RCui1+-RBuo2T2RCui2+-RERBuo-12V10kΩ5.1kΩ5.1kΩ10kΩ10kΩ例:已知rbe=2.7KΩ,UBE=0.7V,β=50。试估算其静态工作点及有关动态参数。+12VUCET1RC2RERB-12VICIBEEQBEBBQEERIURIU2AIBQ11mAICQ55.0VRRIUECCCEQ5.7)2(24静态工作点：典型差动放大电路的结构与分析（10）动态参数：微变等效电路：iiRBrbeRc1/2RLβibibuo1uo2ui1=udui2=-udrbeRc1/2RLRB1.32)2//(beBLCudrRRRAKrRRbeBid6.15)(2KRRCod202{end}恒流源电路（1）恒流源的特点：动态等效电阻很大，理想时可达∞。直流压降较低基本恒流源电路-UEETReRb1Rb2负载IOrO由于Re的负反馈作用，集电极电流IO可基本保持恒定。+Rb2beibrbecβibic-RorceRb1ReΔUΔI微变等效电路利用恒流源电路的微变等效电路可计算其动态电阻Ro。)//1(21bbebeeceoRRRrRrR若：β=50，rce=200kΩ，rbe=1kΩ，Rb1=Rb2=Re=5kΩ，则：R0=6MΩ若rce开路，则，Ro=?在实际电路中，为进一步提高Ro，可用稳压管DW代替Rb1。DWeBEZEoRUUII恒流源电路（2）--镜像恒流源电路在集成电路中，为了便于集成化与减少温度对晶体管参数的影响，常采用镜像恒流源电路。+UCCT2RIB2IOT1IB1IRIC12IB特点：（1）T1管接成二极管形式，与电阻R一起为电路提供基准电流IR。根据镜像恒流源的电路结构，有：IR=IC1+2IB=IC1（1+2/β）所以：RCCoIIII/21112又，IR=（UCC-UBE1）/R所以当β2，UCCUBE1时，有：IO≈IR≈UCC/R结论：输出电流不受温度影响，可作基准电流使用。物电流像电流为什么称镜像电流源？（2）T2的集电极产生恒定电流IO。（3）T1与T2参数对称。恒流源电路（3）微电流恒流源电路为了尽可能降低放大电路的功耗、提高对电源电压及温度变化的稳定性，在集成电路中常采用微电流恒流源电路作为放大电路的直流偏置电路。IO+UCCT2RT1IRIC1Re结构特点：（1）电阻Re引入电流负反馈，使输出电流进一步稳定。（2）由于UBE2UBE1，所以IOIR。恒流源电路（4）--有源负载电路为了提高放大电路的性能及便于集成化，在集成电路中常用恒流源代替放大电路的电阻，称其为有源负载。+UCCRIc2T1IRuiu0-UEE代替电阻RC+UCCT2T1uiu0-UEE代替电阻RE+UCCIc2T1uiu0-UEEIc1代替电阻RC代替电阻RE{end}复合管电路（1）在集成电路中，为了获得高β值，利用NPN型管与PNP型管的特点可将两个或两个以上的三极管组合在一起形成一个三极管，称为复合管或达林顿管。ecbecbecbe1c1b1e2c2b2e1c1b1e2c2b2e1c1b1e2c2b2e1c1b1e2c2b2ecbβ=β1β2复合管电路（2）复合管电路示例T1T2+UCC-UEERRe复合管构成的射极输出器复合管使动态性能提高R起分流T1穿透电流的作用作二极管用，有温度补偿作用T2T4T1T2RCRCI1I0I2+UCC复合管构成的差动放大电路采用恒流源作为T1、T2的偏置电路{end}集成运算放大器简介（1）集成运算放大器=具有高电压增益的直接耦合多级放大电路输入级中间级输出级+-uoui1ui2偏置电路反相输入端同相输入端输出端输入级：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。中间级：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。输出级：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。偏置电路：多采用镜像恒流源电路。符号+U-U注意：实际运放在使用时必须外加电源为什么要加正负电源？++-ui1ui2uoAF007集成运算放大器结构简介集成运算放大器简介（3）F007的简化电路结构复合管构成高AU的中间级输入级为改进型差动放大电路互补对称功放输出级保护管集成运算放大器简介（4）集成运算放大器的主要参数开环差模电压增益Aod-----运放开