《模拟电子技术基础》第5章

第5章集成运算放大器电子信息系教师：刘杨俊第五章、集成运算放大器5.1集成放大电路的特点5.3集成运放的基本组成部分5.4集成运放的典型电路5.5各类集成运放的性能特点5.6.1集成运放参数的测试5.6.2可能出现的异常现象5.3.1偏置电路5.3.2差分放大输入级5.4.1双极型集成运放LM7415.4.2CMOS集成四运放C145735.6.3集成运放的保护5.2集成运放的主要技术指标5.6集成运放中的几个具体问题5.3.3中间级5.3.4输出级5.1集成运算放大电路的特点集成电路IC（IntegratedCircuit）将元件和连线集成在一片硅片上优点：密度高，引线短，高可靠性，灵活性，成本低模拟集成电路：运算放大器，功率放大器，高频放大器，中频放大器，比较器，乘法器，稳压器，数模和模数转换器，锁相环。制造：氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝，全部集成到一块半导体基片上，最后进行封装，做成一个完整的电路。外形：双列直插式、圆壳式和扁平式。直插式圆壳式扁平式集成运放的特点主要有以下几个方面的特点：（1）绝对精度不高，受温度影响较大，但各元件距离近，相邻元器件的参数对称性好，适于构成差分放大电路。（2）集成电路中的电阻一般几十欧～几十千欧，要实现高阻值需要另想办法。（3）三极管比电阻，电容制造更方便，面积更小，成本低廉，常用三极管代替电阻，尤其大电阻。（4）很难集成几十皮法以上的电容，放大级间耦合采用直接耦合方式，不采用阻容耦合。（5）PNP只能做成横向的，β值≤10，NPN和PNP不能匹配的很好，β+1和β值差别较大。5.2集成运放的主要技术指标由差分放大电路组成，两输入，一输出。输入端中，一个为同相输入端，另一个为反向输入端，用“＋”，“－”标明。1、开环差模电压增益Aod指运放在无外加反馈下的直流差模增益，一般用对数表示。一般Aod为100dB左右，高质量的运放可达到140dB以上2、输入失调电压UIO输出电压=0时，输入端需要增加的补偿电压。表示UBE（场效应管UGS）失配程度，也反映温漂的大小。一般在1～10mV，高质量在1mV以下。+-D-DD=UUUAoodlg20当输出电压=0时，两输入端偏置电流之差，用于描述差分对管输入电流的不对称情况，一般为几十～一百纳安，高质量低于1nA。3、输入失调电压温漂αUIO失调电压在规定工作范围内的温度系数，衡量运放温漂的重要指标。一般运放为每度10～20μV，高质量的低于每度0.5μV。定义为：4、输入失调电流IIO5、输入失调电流温漂αIIO代表输入失调电流的温度系数。一般每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。dTdUIOUIO=a21BBIOIII-=dTdIIOIIO=a6、输入偏置电流IIB当输出电压=0时，两输入端偏置电流的平均值，衡量差分对管输入电流绝对值的大小。主要决定于输入级的静态集电极电流和β值，输入偏置电流越大，失调电流越大。双极型三极管输入偏置电流约为几十nA～1μA，场效应管为1nA。7、差模输入电阻rid差模输入电压UId与输入电流IId的变化量之比，用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。一般运放为几兆欧，场效应管可达1000000MΩ.。)(2121BBIBIII+=IdIdidIUrDD=8、共模抑制比KCMR开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，衡量集成运放抑制温漂的能力。多数可达80dB以上，高质量可达160dB。9、最大共模输入电压UIcm表示集成运放输入端所能承受的最大共模电压。如果超过，共模抑制性能将显著恶化。10、最大差模输入电压UIdm反相和同相输入端之间能承受的最大电压。若超过，差分对管中的一个发射结可能反向击穿。11、-3dB带宽fHAod下降3dB时的频率。集成运放的fH较低，几赫至几千赫。ocodCMRAAKlg20=12、单位增益带宽BWG当AOD降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数为1。BWG衡量增益带宽积的大小。13、转换速率SR转换速率为额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/μs。描述集成运放对大幅度信号的适应能力。除以上介绍的技术指标外，还有最大输出电压，静态功耗及输出电阻，由于含义明显，不再赘叙。5.3集成运放的基本组成部分内部是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。包括四个组成部分，输入级、中间级、输出级和偏置电路。5.3.1偏置电路各放大级需要合适的偏置电流，而且要求是一个比较小（一般为微安级），稳定的偏置电流。1、镜像电流源又称电流镜，在集成运放中应用广泛。基准电流相邻三极管参数一致则：当满足β2时RUVIBECCREF1-=CCCBBBIIIIII====2121b21222CREFBREFCCIIIIII-=-==b2112+=REFCIIRUVIIBECCREFC12-=镜像电流源优点：结构简单，有温度补偿作用因此，温度升高时，IC1、IC2增大受限制，说明具有一定温度补偿作用。温度R电压UR也IREFIC1、IC2UBE=VCC-URIC1、IC2UR2、比例电流源发射极分别接R1和R2如图所得：相邻三极管：UBE1=UBE2IE1R1=IE2R2两管基极电流可以忽略集电极电流之比近似于发射极电阻阻值成反比，称为比例电流源。缺点：当VCC变化时，输出电流IC2同样波动，不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。另当提供微安级电流时，R到达兆欧级，集成电路难以实现。REFCCIRRIRRI211212=222111RIURIUEBEEBE+=+3、微电流源为了得到微安级的输出电流，又不希望电阻值太大，在VT2的发射极接入一个电阻Re。引入Re后，UBE2UBE1UBE1-UBE2=IE2Re≈IC2Re设Is1≈Is2当IC1和IC2为已知时，可求出Re。优点：1、VCC，IC2变化小。2、温度，IC2增大受抑制。3、Re负反馈，输出电阻VT2本身的输出电阻（rce）TBETBEUUSUUSCeIeII-=)1(eCCCTRIIIU221ln5.3.2差分放大输入级三种差分放大电路：基本形式、长尾式和恒流源式。1、基本形式差分放大电路电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起。输入电压uI1和uI2分别加在两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压差。输入电压=0时UCQ1=UCQ2输出电压UO=0温度ICQ1，ICQ2UCQ1，UCQ2两管变化幅度相等，VT1和VT2输出端的零点漂移互相抵消差模输入电压和共模输入电压差模输入信号：UId表示两输入端，电压大小相等，极性相反共模输入信号：UIc表示电压大小相等，极性相同对任意大小，任意极性uI1、uI2uId=uI1-uI2例如：uI1=5mV，uI2=1mVuId=(5-1)mV=4mVuIc=1/2×(5+1)mV=3mV根据叠加原理，可分析各种信号响应差模信号：有效信号共模信号：温漂信号或干扰信号差模信号共模信号)(2121IIIcuuu+=差模增益、共模增益、共模抑制比差模放大倍数Ad：差模输入电压放大倍数共模放大倍数Ac：共模输入电压放大倍数越大越好越小越好共模抑制比KCMR：差模放大倍数和共模放大倍数之比假设每一边单管放大电路增益为Au1VT1、VT2集电极输出电压变化量：放大电路输出电压的变化量差模电压放大倍数越大越好IdOduuADD=IcOcuuADD=cdCMRAAKlg20=IduCuAuD=D1121IduCuAuD-=D1221IduCCOuAuuuD=D-D=D1211uIdOdAuuA=DD=理论上：差分放大电路参数完全对称，AC=0，KCMR=∞实际上：内部参数不能绝对匹配，AC≠0，KCMR≠∞集电极对地电压，温度漂移和单管放大电路相同实际中一般不采用。2、长尾式差分放大电路目的：减小每个管子输出端的温漂（1）电路组成长尾电阻Re的作用：iC1、iC2iEuEuBE1、uBE2iC1、iC2iC1iC2iE不变对于差模信号没有反馈作用,Ad不变降低零漂，共模放大倍数AC减小Re越大，共模负反馈越强，抑制零漂的效果越好。-VEE补偿了Re上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。引入一个共模负反馈长尾电阻iE不变（2）静态分析由于电路结构对称:β1=β2=βrbe1=rbe2=rbeRC1=RC2=RCR1=R2=RIBQ1=IBQ2=IBQICQ1=ICQ2=ICQUBEQ1=UBEQ2=UBEQUCQ1=UCQ2=UCQ由三极管基极回路IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE静态基极电流静态集电极电流和电位为ICQ≈βIBQUCQ=VCC-ICQRC(对地)静态基极电位为UBQ=-IBQR（对地）长尾式差分放大电路eBEQEEBQRRUVI)1(2b++-=电位升高电位降低交流接地（3）动态分析差模信号流过Re时电流不变交流通路中Re视为短路RL/2相当于交流接地交流短路beIBrRui+D=D1111BCiiD=Db()beidrRR+=2CoRR2=111)2//()2//(IbeLCLCCCurRRRRRiuD+-=D-=Db222)2//()2//(IbeLCLCCCurRRRRRiuD+-=D-=Db()2121)2//(IIbeLCCCOuurRRRuuuD-D+-=D-D=DbbeLCIIOdrRRRuuuA+-=D-DD=)2//(21b3、恒流源式差分放大电路Re越大，所需VEE也越高，故采用一个三极管代替原来的长尾电阻Re。等效电阻变化很大基本不变很大优点：不用大电阻有效地抑制零漂适合集成电路制造工艺中用三极管代替大电阻的特点iC3=iC1+iC2,iC2和iC1将不会因温度变化抑制了共模信号的变化iC3基本不变VT3的基极电位由Rb1、Rb2分压后得到，基本不受温度变化的影响简化的恒流源符号，如下图所示（1）电路组成电位基本不变电流基本不变CCEceiurDD=（2）静态分析忽略VT3基极电流（3）动态分析长尾对差模电压放大倍数没有影响，交流通路相同，Ad、Rid、RO均相同URb1ICQ3ICQ1IBQ1UBQ2UCQ1()EECCbbbRVVRRRUb++=2111eBEQREQCQRUUIIb3331-=32121CQCQCQIII=CCQCCCQCQRIVUU121-==1121bCQBQBQIII=)(121对地RIUUBQBQBQ-==4、差分放大电路的输入、输出接法差模电压放大倍数：差模输入电阻：差模输出电阻两集电极温漂相互抵消理想状态下：KCMR为∞（1）双端输入、双端输出beLcdrRRRA+-=)2//(b)(2beidrRR+=coRR2=（2）双端输入、单端输出差模电压放大倍数：差模输入电阻：差模输出电阻作用：将差分信号转为单端信号，以便与后放大级实现共地。ΔuO约为双端输出的一半beLcdrRRRA+-=)//(21b)(2beidrRR+=coRR=（3）单端输入双端输出uBE2iC2在单端输入时，仍然是一个三极管电流增大，另一个减小。ΔiC1+ΔiC2≈0由于共模负反馈输出电压变化与双端输入时完全一样作用：将单端信号转为差分信号，以便作以后放大级的差分输入。iC1uI+uBE2ueiebeLcdrRRRA+-=)2//(bcoRR2=)(2beidrRR+=（4）单端输入、单端输出单端输出放大倍数：差模输入、输出电阻：特点：比一般单管电路有较强的抑制零漂能力。VT1输出：反相关系VT2输出：同相关系抑制零漂反相输出同相输出beLcdrRRRA+-=)//(21b)(2beidrRR+=coRR=Rid≈2(R+rbe)差分放大电路不同接法的小结1、双端输出时，放大倍数和单管相同，单端输出时为一半。2、双端输出时，输出电阻RO=2RC；单端输出时，RO=RC。3、双端输出时，共模抑制比KCMR=∞，单端时KCMR仍较高。4、单端输出时，可从不同三极管输出，使输出电压与输入电压反相或同相。5、单端输入时，由于很强的负反馈，两管仍是差分状态。6、单端输入时，从一个三极管到公共端差模输