63模拟电子技术基础 第4章 集成运算放大器电路

1第4444章集成运算放大器电路第4444章集成运算放大器电路4444――――1111集成运算放大器的特点4444――――2222电流源电路4444――――3333差动放大电路4444――――4444集成运算放大器的输出级电路4444――――5555集成运放电路举例4444――――6666MOSMOSMOSMOS集成运算放大器4444――――7777集成运算放大器的主要性能指标2第4444章集成运算放大器电路4444――――1111集成运算放大器的特点1.级间采用直接耦合方式2.尽可能用有源器件代替无源元件3.利用对称结构改善电路性能。�性能特点：1.电压增益高2.输入电阻大3.输出电阻小4.工作点漂移小。�电路设计特点：3第4444章集成运算放大器电路1.输入级：采用对称结构的差动放大器2.中间级：采用有源负载的共射放大器3.输出级：常用射随器或互补射随器4.电流源：为各级提供偏流和有源负载。�集成运放的组成结构：（如图4-1所示）输入级中间级输出级电流源电路UiUo图4―1集成运算放大器组成框图4第4444章集成运算放大器电路4444――――2222电流源电路电流源的作用：1.为各级电路提供稳定的直流偏置电流；2.可作为有源负载，提高单级放大器的增益。一、单管电流源电路图4-2(a)为晶体管基极电流为IB时的一条输出特性曲线，可见，IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本恒定。5第4444章集成运算放大器电路固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个恒流源，而其动态电阻rce是一个很大的电阻，采用分压式偏置电路可使IC更加稳定。单管电流源电路如图4-2(b)所示，图4-2(c)为等效的电流源表示法，Ro为等效电流源的动态内阻，Ro近似为：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++≈BbeceoRRrRrR331β(4―1)式中，RB=R1R2。晶体管实现恒流特性的条件是：要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。6第4444章集成运算放大器电路IC0IBUCER1R2ICR3-UEEICRo(a)(b)(c)图4―2单管电流源电路 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路；(c)等效电流源表示法7第4444章集成运算放大器电路二、镜像电流源用一个完全相同的晶体管V1，将c极和b极短接在一起来代替图4-2(b)中的电阻R2和R3，便得到图4―3所示的镜像电流源电路。由图可知，参考电流Ir为rCCrBECCrRURUUI≈−=(4―2)由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。由图可知1211222βCrBrCCIIIIII−=−==(4―3)2112+=⇒ββrCII8第4444章集成运算放大器电路UCCRrIrIC1V1V2IC2图4―3镜像电流源UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5图4―4多路镜像电流源9第4444章集成运算放大器电路若β1，则IC2≈Ir。可见，只要Ir一定，IＣ2就恒定；Ir改变IC2也跟着改变。两者的关系好比物与镜中的物像一样，故称为镜像电流源。推广，可得多路镜像电流源，如图4―4所示。图中为三路电流源，V5管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有V5管时，IC1=Ir-4IB1,加了V5管后，IC1=Ir-4IB1/(1+β5)，故此可得rCCCIIII4)1()1(5151432+++===ββββ(4―4)10第4444章集成运算放大器电路在集成电路中，多路电流源是由多集电极晶体管实现的如图4-5(a)所示，其等价电路如图4-5(b)所示。IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC(a)(b)图4―5多集电极晶体管镜像电流源 (a)三集电极横向PNP管电路；(b)等价电路11第4444章集成运算放大器电路三、比例电流源如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系，可采用图4―6所示的比例电流源电路。由图可知222111RIURIUEBEEBE+=+(4―5)因为221222111lnlnSESSETBESETBEIIIIIUUIIUU===所以(4―6)122121lnlnEETEETBEBEIIUIIUUU−==−12第4444章集成运算放大器电路RrIrIC2V2V1R2UCCUBE1UBE2++--R1IE2IE1IB1IB2图4―6比例电流源13第4444章集成运算放大器电路即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1≈UBE2。这样，式(4―5)简化为当两管的射极电流相差10倍以内时：mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121≈==−若β1，则IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此得出rCIRRI212≈(4―8)(4―7)2211RIRIEE=14第4444章集成运算放大器电路可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。参考电流Ir为：111RRURRUUIrCCrBECCr+≈+−=(4―9)15第4444章集成运算放大器电路四、微电流电流源令图4―6电路中的R1=0,便得到图4―7所示的微电流电流源电路。由式(4―5)、(4―6)可知，在R1=0时：2122122ln)(1EETBEBEEIIRUUURI=−=当β11时，IE1≈Ir,IE2≈IC2，由此可得222lnCrCTIIIUR=(4―10)16第4444章集成运算放大器电路RrIrIC2V2V1UCCR2图4―7微电流电流源17第4444章集成运算放大器电路此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10μA时，则R2为Ω≈××=−−kR12101000ln10101026632如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr≈15kΩ。由此可见，要得到10μA的电流，在UCC=15V时，采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27kΩ。如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5MΩ。18第4444章集成运算放大器电路五、负反馈型电流源以上介绍的电流源有两个共同的缺点：①动态电阻不够大；②受β变化的影响比较大。RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图4―8威尔逊电流源解决办法：在电路中引入电流负反馈。如图4-8所示是一种常用的负反馈型电流源（威尔逊电流源）。在V3管的b极和e间接入一个镜像电流源而起负反馈作用的。19第4444章集成运算放大器电路电流稳定原理：IC3↓IC3↑IE3↑IC1↑(Ir固定)IB3↓由图可知rBECCrBEBECCrRUURUUUI223−=−−=22112333332131311,βββββCCCEECCCCCBCrIIIIIIIIIIIII++=+==+=+=又20第4444章集成运算放大器电路若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各式可得rCII)2221(23++−=ββ(4―12)利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为ceorR2β≈(4―13)可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且输出电流受β的影响也大大减小。图4―9给出了另一种反馈型电流源电路。它由两个镜像电流源串接在一起组成，故称串接电流源。21第4444章集成运算放大器电路RrIrV3V4UCCIC2V2V1图4―9串接电流源22第4444章集成运算放大器电路六、有源负载放大器图4-10(a)中，V2、V3管构成镜像电流源作V1管的集电极负载。若该电流源的动态内阻为rce3，且当实际负载RL通过射随器隔离后接入时，该级放大器可获得极高的电压增益。图4-10(b)为另一种接法的有源负载共射电路。V2、V3管构成镜像电流源作V1管的集电极负载，而输出取自恒流管V2的集电极。当ui使IC1增大ΔIC1时，ΔIC2=ΔIC3≈ΔIC1，且与输入同相。因此，该放大器在实现电压放大的同时，还具有倒相功能。23第4444章集成运算放大器电路(a)(b)UCCV3V2uoV1uiRrUCCV3V2ΔIC1V1uiΔIC3ΔIC2uoI图4―10有源负载放大器 (a)共射电路；(b)具有倒相功能的共射电路24第4444章集成运算放大器电路4444――――3333差动放大电路4444――――3333――――1111零点漂移现象单级共射放大器如图4―11所示。在静态时，由于温度变化、电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下漂动，这种现象称为零点漂移现象。阻容耦合电路中，零点漂移很难传到下一级，因此可忽略。直接耦合时，零点漂移能被传到下一级，而且被放大。级数越多，放大倍数越多，则输出漂移越大。25第4444章集成运算放大器电路UCCRCΔUCRBΔUip+-图4―11放大器的零点漂移26第4444章集成运算放大器电路4444――――3333――――2222差动放大器的工作原理及性能分析1、结构：基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成，并通过RE耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大器。两个输入端和两个输出端。信号可双端输出，也可单端输出。UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo图4―12基本差动放大器27第4444章集成运算放大器电路2、静态工作点：�采用正、负电源供电，使差动放大器输入端的直流电位为零。�V1,V2管参数相同，电路结构对称→两管工作点相同�当Ui1=Ui2=0时，UE=-UBE≈-0.7V则流过RE的电流I为EEEEEEERURUUI7.0)(−=−−=(4―14)CQCCCQCQCCQCCCQCEQCEQEQEQCQCRIUUURIUUUIIIII12112121217.021−==−+≈===≈=(4―15)(4―16)(4―17)则28第4444章集成运算放大器电路可见，静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。一、差模放大特性在图4―12差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反的差模信号，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而Uid1=-Uid2。此时电路的特点：�对差模信号而言，RE相当于对地短路。�双端输出时，负载RL的中点可视为差模地端。所以，可得图4-13的等效通路。运用此等效通路来计算差动放大器的各项差模性能指标。29第4444章集成运算放大器电路图4―13基本差动放大器的差模等效通路-+Uod1+-Uod2+-RL2RL2V2V1++Uid1Uid2--Uid+-RCRCUod30第4444章集成运算放大器电路1.1.1.1.差模电压放大倍数�定义：输出电压与输入差模电压之比。�在双端输出时：beLidodidodidodudidididididodododododrRUUUUUUAUUUUUUUUUU'2211212121212222β−====⇒⎭⎬⎫−==−=−==−=双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。式中LCLRRR21'=�单端输出时：udidodidodudAUUUUA212111)(===单或udidodidodudAUUUUA212112)(−=−==单31第4444章集成运算放大器电路若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间，则计算Aud时，总负载应改为R′L=RCRL。2.2.2.2.差模输入电阻定义：差模输入电压与差模输入电流之比。由图4―13可得beidididididrIUIUR221===(4―21)3.3.3.3.差模输出电阻单端输出时为CodRR2=(4―22a)(4―22b)CodRR=单）(双端输出时为32第4444章集成运算放大器电路二、共模抑制特性在图4―12差动放大器的两个输入端加上一对大小相等、相位相同的共模信号，即Ui1=Ui2=Uic。此时电路的特点：�对共模信号而言，相当于每个管子的射极各接有2RE的电阻。�双端输出时，负载RL上的电流为零，相当于RL开路。所以可得图4-14的等效通路。运用此等效通路来计算差动放大器的