电子器件与电子电路基础的课件

第二章集成运算放大器3.2.1集成运算放大器的典型结构及特点一、集成运放的典型结构集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。输入级采用差分放大电路中间级采用CE(CS)电路低温漂，高共模抑制比和高输入电阻高电压增益输出级采用互补对称式射极跟随器结构低输出电阻，较强带负载能力二、集成运放的主要特点•同一硅片相同工艺采用结构对称为特征的电路元件参数具有良好的一致性和同向偏差•芯片面积小功耗很低采用微电流源作为偏置及有源负载工作电流极小(如几~几十微安)•无法制造大容量电容采用直接耦合方式电路符号低频小信号模型Rid→∞Rod→0Aod→∞3.2.2集成运放的组成一、集成运放中的恒流偏置电路两只特性完全相同的晶体管T1、T2组成镜像电流源，电阻RREF确定参考电流IREF，T３管减小输出电流与参考电流的误差。跟随型镜像电流源电路REFCCREFBECCREFCCLRVRVVIIII212)1(21211133CBEBIIII温度补偿作用：TIC1(IL)IREFVREFIC1(IL)IBVBE电阻Re3作用：增大T3管工作电流，从而提高T3管的β。当β≥50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于0.08%多路电流源电路333222111eEBEeEBEeEBEeEBERIVRIVRIVRIV332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射极电阻，可得到不同的输出电流。二、运放输入级――差分放大电路(1)直流分析1.差分放大电路的基本形式和工作原理IC1Q＝IC2Q＝IE=I0/2VO1Q＝VO2Q＝VCC－ICQRCVOQ＝VO1Q－VO2Q＝0VE＝-VBE＝-0.7V由于电路结构对称，元件参数和特性相同，及恒流源作射极偏置，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等，VOQ＝0，有效地抑制温漂和零漂。若Rc1≠Rc2，则ICQ和VCQ是否相等？21IIIdvvv221IIIcvvv差模成分：两个输入信号之差。共模成分：两个输入信号平均值。差模成分反映被测信号的变化，需要进一步放大。共模成分反映测量的初始条件或外界干扰，不但不必放大，而且还需要加以抑制。(2)差分放大电路的工作原理被测信号的输入方式：•单端输入方式•双端输入方式（如桥式测量电路）差分放大电路的输入22IdIcIvvvIcvcIdvdOcOdOvAvAvvv21IdIcIvvv差模输入方式：只考虑差模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个幅度相同而极性相反的信号。共模输入方式：只考虑共模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个极性相同且幅度也相同的信号。Avc小Avd大差分放大电路具有对差模信号进行放大、对共模信号进行抑制的能力。【例3.2.1】已知差分放大电路ΔvI1=5.01V、ΔvI2=4.99V，Avd＝-80，Avc＝-0.01，求ΔvO＝？解：V02.0V99.4V01.521IIdIvvvV0.52V99.4V01.5221IIcIvvvV65.1V05.0V6.1V0.5)01.0(V02.080IcvcIdvdOvAvAv2.差分放大电路动态性能指标的计算(1)差模电压放大倍数Avd21IIOdIdOdvdvvvvvA流过恒流源的电流保持不变，ΔvE＝0，E点交流接地。差模交流通路becIdOdvdrRvvA211becIdOdvdrRvvA222becIdOvdrRvvA221IdIIvvvbeIdbeIBBrvrvii2121cBOdORivv111cBOdORivv22221OOvv212122OOOOOvvvvv二个输出端上的差模输出电压大小相等而极性相反接上负载后beLIdOdvdrRvvA'2//'LcLRRR(2)差模输入电阻RidbeIdIdidrivR2(3)差模输出电阻Ro12coRR(4)共模抑制比KCMR定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。vcvdCMRAAK常用分贝表示：(dB)lg20vcvdCMRAAK共模交流通路IcIIvvv21ebeBeEbeBIcRriRiriv01011)1(22ebeIcBBRrvii021)1(2ebeIcccCOcORrvRRivv011)1(2021OOOCOvvvvebecIcOcvcRrRvvA011)1(2ebecIcOcvcRrRvvA022)1(2122OOcOvvv差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相等并且极性也相同；双端输出时，输出电压为零。Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力，Avc越小，则抑制温漂能力越强。0IcOcvcvvA理想的差分放大电路双端输出时，KCMR→∞【例3.2.2】差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。解：先画出差模交流通路：k1.6605.0812580)1()1(22ebeceBbeBcBIdOdvdRrRRiriRivvA1.12)05.0812(2)1(2ebeIdIdidRrivR1020''cvROOoRivRIdLk3.输入输出方式差分放大电路有两个输入端和两个输出端。①端输入，②端接地时：ΔvI1＝ΔvI，ΔvI2＝0IIIIdvvvv212221IIIIcvvvvIvdIvcIvdIcvcIdvdOvAvAvAvAvAv2单端输入、双端输出时的电压放大倍数与差模输入、双端输出时的电压放大倍数近似相同。单端输出时：单端输出的差模电压放大倍数是双端输出的差模电压放大倍数的一半。ΔvO1＝－ΔvO2【例3.2.3】解：已知β=50，rbb′=300Ω，Rw在中间位置，求(1)ICQ；(2)Avd、Ri和Ro；(3)KCMR；(4)若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，求ΔvO1。eEwEBEEERIRIVV22mA56.02005.03.11227.0eWEEEQCQRRVII(1)k67.256.02651300)1('EQTbbbeIVrr7.2805.05167.22)10//15(502)β1(2)//(wbeLcIdOvdRrRRvvA(2)k44.1005.05167.222)1(2wbeIdIdiRrivRk15coRR(3)(4)29.005.205167.2650)22)(1()//(ewbeLcvcRRrRRA40dB)(10029.07.28vcvdCMRAAK若ΔvI1=16mV，ΔvI2=10mV，则mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvvmV1761329.067.281IcvcIdvdOvAvAv4.场效应管差分放大电路FET差分放大电路差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流的不对称性。'1'122LmILmIIdOdvdRgvRgvvvA2//'LdLRRR式中IdIdidivRRod=2Rd三、运入中间级――电压放大电路主要任务是提高电压增益，常用共射放大电路。beLcvrRRA)//(•Rc代之以恒流源；•采用纵向三极管或达林顿复合管，提高β；•增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换。dsmorRgR)1(11恒流源+射极跟随器3222)1(bebeirrR233132)////(iiceceIOvRRrrvvA恒流源+复合管T1T2四、运放输出级――互补对称输出电路集成运放的输出要求输出电阻小最大不失真输出电压尽可能大输出级的输入电阻又必须大1．运放输出级的基本电路静态(vi＞0)时，T１、T２管均截止，vO＝0乙类放大：导通角为θ=π甲类放大：导通角为θ=2π甲乙类放大：导通角介于π和2π之间正半周(vi＞0)时，T１管导通，T２管截止，+VCC→T1→RL→GND负半周(vi＞0)时，T1管截止，T2管导通，GND→RL→T2→-VCCT1T2最大输出电压最大输出电压为VCC－VCES。当电源电压为±15V时，最大不失真输出电压幅度一般为±(12～14)V。输入电阻较高LbeiRrR)1(交越失真在输入信号小于三极管的开启电压时，T１与T２管均截止，产生交越失真。2．甲乙类互补对称输出电路静态T1、T2处于微导通状态，VOQ＝0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1≈vb2≈vi。利用二极管提供静态偏置利用恒压电路提供静态偏置32113CEBEVRRRVBECEVRRV)1(123选择合适的R1、R2阻值，使VCE3≈1.4V。3.2.3集成运放的特性和主要性能指标集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小。一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数例如设Aod=105，、为±10V，则±Vim＝±10/105＝±10-4V＝±0.1mVomVomV实际运放的传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在运放输入级电路中设置了调零端。在理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标原点。运放的电压既可以用增量(或交流量)表示，也可以用瞬时量表示。（1）开环差模电压放大倍数AodIdNPIdIdidivvivR如CF741的Rid≈1MΩ，高阻型运放的Rid可达104MΩ以上。NPOIdOodvvvvvAAod一般为104～106(即80～120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如100V/mV即为105。（2）差模输入电阻Rid（3）输出电阻Ro集成运放的R。通常为100Ω至1kΩ之间。二、集成运放的失调参数集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。（1）输入失调电压VIO为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。odOOIOAVV（2）输入失调电压漂移dVIO/dT输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。（3）输入失调电流IIO反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。BNBPIOIII2BNBPIBIII偏置电流输入失调电流（4）输入失调电流温漂dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。分析输出失调模型IOIBIBIdVRIRIV1)(2)(2)()()(21212)(1)(IOIBIOIBIBIOIdIRRIRRVRIRIVV2)()(2121IOIBodIOodIdodOOIRRIRRAVAVAVIOIBIBIdVRIRIV1)(2)((1)应选择R1＝R2。R１、R2称为输入平衡电阻。(2)R１和R2越小，则IIO对VOO的影响也越少。因此，在实际使用时，要求运放两个输入端的外接平衡电阻相等且较小。(3)即使运放输入端短路，输出电压也已进入饱和状态(假定Aod=104，VIO为1.5mV，则VO