模拟电子技术第5章集成运算放大电路课件.ppt

第5章 集成运算放大电路,51 集成运算放大电路的特点 52 电流源电路 53 以电流源为有源负载的放大电路54 差动放大电路56 集成运算放大电路的输出级电路58 集成运算放大电路的外部特性及其理想化,第5章 集成运算放大电路 51 集成运算放大电路的特点,5.1 集成运算放大电路的特点,级间采用直接耦合方式尽可能用有源器件代替无源元件利用对称结构改善电路性能。,性能特点：,电压增益高 输入电阻大 输出电阻小 工作点漂移小。,电路设计特点：,5.1 集成运算放大电路的特点 级间采用直接耦合方式性能特点,输入级：采用对称结构的差动放大电路中间级：采用有源负载的共射放大电路输出级：常用射随器或互补射随电路偏置电路：为各级提供静态工作点。,集成运放的组成结构：（如图5.1.1所示）,输入级：采用对称结构的差动放大电路集成运放的组成结构：（如图,5.2 电流源电路,电流源的作用：为各级电路提供稳定的直流偏置电流；可作为有源负载，提高单级放大电路的增益。,5.2 电流源电路 电流源的作用：,一、镜像电流源镜像电流源电路如图5.2.1(a)所示。由图可知，参考电流Ir为,(5.2.1),由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。由图可知,图5.2.1 镜像电流源 电路,一、镜像电流源(5.2.1) 由于两管的e结连在,若2，则IC2Ir。可见，只要Ir一定，I2就恒定； Ir改变IC2也跟着改变，故称为镜像电流源。 推广，可得多路镜像电流源，如图5.2.2所示。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+5)，故此可得,图5.2.2 多路镜像电流源,若2，则IC2Ir。可见，,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5.2.3(a)所示，其等价电路如图5.2.3(b)所示。,图5.2.3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,在集成电路中，多路电流源是由多集电极,二、比例电流源电流源的电流与参考电流成比例关系，电路如图5.2.4所示。由图可知,因为,图5.2.4比例电流源,（5.2.4）,二、比例电流源因为 图5.2.4比,即室温下，两管的UBE相差不到60mV，为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1UBE2。这样，式(5.2.4)简化为,当两管的射极电流相差10倍以内时：,若1 ，则IE1Ir, IE2IC2,由此得出,(5.2.7),即室温下，两管的UBE相差不到60m,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：,(5.2.9),可见，IC2与Ir成比例关系，其比值,三、微电流源 令图5.2.4电路中的R1=0,便得到图5.2.5所示的微电流源电路。由式(5.2.4)、(5.2.5)可知，在R1=0时：,当11时，IE1Ir,IE2IC2，则,图5.2.5 微电流电流源,三、微电流源当11时，IE1Ir,IE2IC2，则,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=10A时，则R2为,如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr15k。 由此可见，要得到10A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27k。如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5M。,此式表明，当Ir和所需要的小电流一定,四、威尔逊电流源（负反馈型电流源）以上介绍的电流源有两个共同的缺点：动态电阻不够大；受变化的影响比较大。,图5.2.6 威尔逊电流源,解决办法：在电路中引入电流负反馈。如图5.2.6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。,四、威尔逊电流源（负反馈型电流源）图5.2.6 威尔逊电流,电流稳定原理：,IC3,IC3,IE3,IC1,(Ir固定)IB3,由图可知,又,图5.2.6 威尔逊电流源,电流稳定原理： IC3 IC3IE3IC1(Ir固定,若三管特性相同，则1=2=3=,求解以上各式可得,(5.2.14),利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为,可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且输出电流受的影响也大大减小。 图5.2.7为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。,若三管特性相同，则1=2=3=,求解以,图5.2.7 串接电流源,图5.2.7 串接电流源,5.3 以电流源为有源负载的放大电路,图5.3.1(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。,共射放大电路,Au,RC,UCEQ,Q点左移,若要UCEQ不变，则必须提高UCC，电路设计不合理。采用电流源作有源负载,5.3 以电流源为有源负载的放大电路图5.3.1(a)中，,图5.3.1有源负载放大器(a)共射电路；(b)电流源等效电路；(c)交流小信号等效电路,图5.3.1有源负载放大器,5.4 差动放大电路,5.4.1 零点漂移现象输入电压为零而输出电压产生缓慢变化的现象，称为零点漂移现象，简称零漂。 阻容耦合电路中，零点漂移很难传到下一级，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。,抑制零点漂移的方法：（1）电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小零漂。（2）利用热敏元件对放大管进行温度补偿。（3）采用特性相同的管子，在相同的环境下，两者的零点漂移情况相同，可以互相抵消，这就构成了“差动放大电路”。,5.4 差动放大电路 5.4.1 零点漂移现象抑制零点漂,模拟电子技术第5章集成运算放大电路课件,5.4.2 差动放大电路的工作原理及性能分析,一、差动放大电路结构 基本差动放大电路如图5.4.3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电路。 两个输入端和两个输出端。信号可双端输出，也可单端输出。,图5.4.3 长尾差动放大电路,5.4.2 差动放大电路的工作原理及性能分析,图5.4.3 长尾差动放大电路,二、差动放大电路静态分析 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,(5.4.1),则,I,ICQ1,图5.4.3 长尾差动放大电路 二、差动放大电路静态分析,静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。,1.差模放大特性在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5.4.6的等效电路。运用此等效电路来计算差动放大电路的各项差模性能指标。,三、差动放大电路的动态分析,静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。1.差模放大特,图5.4.6 长尾差动放大电路的差模等效电路,图5.4.6 长尾差动放大电路的差模等效电路,(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：,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大电路的电压放大倍数。,式中,单端输出时：,或,(1) 差模电压放大倍数 双端输出时的差模电,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RL=RCRL。,(2) 差模输入电阻 定义：差模输入电压与差模输入电流之比。,(5.4.16),(3) 差模输出电阻,单端输出时为,(5.4.17),(5.4.18),双端输出时为,Iid,若单端输出时的负载RL接在一个输出端,2.共模抑制特性 在图5.4.3差动放大电路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5.4.4的等效通路。运用此等效通路来计算差动放大器的各项共模性能指标。,2.共模抑制特性,图5.4.4 基本差动放大器的共模等效通路,图5.4.4 基本差动放大器的共模等效通路,(1)共模电压放大倍数定义：输出电压与输入共模电压之比。,双端输出时：Auc=0。,单端输出时：,由于射极电阻RE的自动调节（负反馈）作用，使单端输出时的共模电压放大总倍数大为减小。即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制，且RE抑制作用越强。,(1)共模电压放大倍数 双端输,(2) 共模输入电阻 由图5.4.4可得,(5.4.9),(3)共模输出电阻 单端输出时为,3、共模抑制比KCMR 衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力。 定义：差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即,双端输出时为,(5.4.10),(2) 共模输入电阻(5.4.9,或,KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。在双端输出理想对称的情况下，因Auc=0,所以KCMR趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况下，KCMR必然减小，,或 KCMR实质上是反映实际差动电,例 5.4.1电路如图5.4.3，已知UCC=UEE=15V，V1、V2管的,（1）估算V1、V2管的静态工作点ICQ、UCEQ。（2）试求差模电压增益,（3）从V1管单端输出的差模电压放大倍数Aud（单）、共模电压放大倍数Auc（单）和共模抑制比KCMR。,解：（1）根据式5.4.15.4.4得到,例 5.4.1电路如图5.4.3，已知UCC=UEE=15V,（2）,双端输出时，根据式5.4.13、式5.4.16和式5.4.17得到,（2）双端输出时，根据式5.4.13、式5.4.16和式5.,（3）单端输出时,根据式5.4.11得到,所以,（3）单端输出时根据式5.4.11得到所以,4、对任意输入信号的动态特性 在图5.4.2差动放大器的两个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2，它们既不是差模信号，也不是共模信号，则：,相当于在差动放大器的输入端加了一对共模信号和一对差模信号，如图5.4.7所示，即,4、对任意输入信号的动态特性(43,模拟电子技术第5章集成运算放大电路课件,双端输出时：Uo=AudUid+AucUic=AudUid=Aud(Ui1-Ui2),单端输出时：Uo1= AudUid+Auc(单)Uic AudUid = Aud(Ui1-Ui2) Uo2=- AudUid+ Auc(单)Uic - AudUid = - Aud(Ui1-Ui2),(432) (433)而(434) 双端输出时：U,可见，无论是双端还是单端输出，差动放大器只放大两输入端的差信号。 当KCMR足够高时，差动电路通过RE的负反馈作用能自动将射极电位UE调整到： UE (Ui1+Ui2)= Uic 从而把两输入端的差信号变为差模信号，和信号变为共模信号。,根据输入、输出端的接法不同，共有四种差放形式：（1）单端入，单端出；（2）双端入，双端出；（3）单端入，双端出；（4）双端入，单端出。,可见，无论是双端还是单端输出，差动放大器只放,差放特性可以总结如下几点结论：差动放大电路的性能只与输出端的接法有关，与输入端的接法无关；双端输出的差模电压放大倍数等于半边差模等效电路的电压放大倍数，即与单管共射放大电路相同。单端输出差模电压放大倍数仅是半边差模等效电路电压放大倍数的一半；双端输出的输出电阻为2RC，单端的输出电阻仅是双端输出的一半；无论是双端输入还是单端输入，差模输入电阻均等于半边差模等效电路输入电阻的两倍。共模输入电阻远大于差模输入电阻。,差放特性可以总结如下几点结论：,5.4.3 具有电流源的差动放大电路 通过前面的分析可知，RE越大，KCMR越高。 用电流源代替图5.4.3电路中的RE，可得如图5.4.9(a)所示的含电流源的差动放大电路。,图5.4.9(a)电路的静态工作点为：,5.4.3 具有电流源的差动放大电路图5.4.9(a),图5.4.9具有恒流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替RE的差动电路；(b)电路的简化表示,图5.4.9具有恒流源,由于电流源的动态内阻非常大，所以无论是双端输出还是单端输出，Auc都可近似为零。 引入电流源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围。对图5.4.9(a)电路为：UC1UicUB3，当超过这个范围时，差放管V1、V2或恒流管V3将进入饱和，使电路不能正常工作。,由于电流源的动态内阻非常大，所以无论是双端输,定义：差动放大电路输出电流或输出电压与差模输入电压之间的函数关系。以图5.4.9(b)为例进行讨论。 设IUCC/RC，则 ,由图可知,所以,同理可得,5.4.4 差动放大电路的大信号分析,一、差动放大电路的传输特性,定义：差动放大电路输出电流或输出电压与差模输入电压之间的函数,图5.4.12 差动放大器的传输特性曲线(a)电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线,则有,传输特性曲线如图5.4.12所示。由图可得如下结论：,图5.4.12 差动放大器的传输特性曲线则有,图5.4.12差动放大器的传输特性曲线(a)电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线,图5.4.12差动放大器的传输特性曲线,1）两管集电极电流之和恒等于I,2）传输特性具有非线性特性当|uid|UT时，传输特性近似为一段直线。 当| uid |4 UT，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。 表明差动电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性或电流开关特性。传输特性线性区的扩展： 射极串接负反馈电阻R 基极串接电阻RB 电路如图5.4.13(a) ，扩展后的传输特性曲线如图5.4.13(b)线性区范围曲线斜率差动放大器增益,1）两管集电极电流之和恒等于I,图5.4.13扩展差动电路的线性区范围(a)串接R(RB)的线性区扩展电路；(b)线性区扩展后的电流传输特性曲线,图5.4.,二、差动放大电路正常工作的前提条件,差动放大电路的上述结论都是建立在下面两个前提条件下的：1.差放电路输入电压的幅值是有限制的差模输入电压范围不能超过发射结的反向击穿电压。 共模输入电压应满足UB3uic UC1,二、差动放大电路正常工作的前提条件 差动放大电路的上述结论都,2.电流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流ICS(临界)两差放管的静态工作点应该设置在交流负载线（由于差放电路是直接耦合，交、直流负载线重合）中点偏低的位置，即ICQIEQ ICS(临界)/2， 即：电流源电流I（=2IEQ）应该小于差放管的ICS(临界)。 随着差模信号的增大，一个管子的Q点顺着负载线向截止区方向移动，另一管以同样的速度向饱和区方向移动，工作点偏向截止区，就会使一个管子首先进入截止区，其集电极电流为零，另一管的集电极电流则固定为I。如果工作点偏高，就会有一个管子先进入饱和区，在饱和区，关系式不成立，此时两集电极电流之和就不等于I，上述结论也就不成立了。,2.电流源电流I小于差放管的集电极临界饱和电流ICS(临界),三、差动放大电路作模拟乘法器,实现乘法的原理：由式5.4.35可知,若差模输入电压uid2UT50mV，根据双曲正切函数的性质，式5.4.35可以近似写成,如果电流源I由某一输入电压uy控制，如图5.4.14所示，令uid=ux，。若uyuBE，则,三、差动放大电路作模拟乘法器实现乘法的原理：由式5.4.35,则,式中增益系数,则 式中增益系数,5.4.5 差动放大电路的失调及温漂 一、差动放大器的失调 定义：差动放大器零输入时输出电压不为零的现象。补偿方法：在输入端加补偿电压或电流，分别称为输入失调电压UIO和输入失调电流IIO。加了补偿后的实际不对称差动放大器如图5.4.16所示。,1影响UIO和IIO的因素 当Ui=0（输入短路)时 ，UIO=UBE1-UBE2，而ICIEIS,5.4.5 差动放大电路的失调及温漂1影响UIO和,模拟电子技术第5章集成运算放大电路课件,此时Uo=0，若IC1= IC2,又因为,所以,上式说明，在不考虑RC差值的情况下， IC1= IC2，此时失调电压取决于两管反向饱和电流Is的差值。,此时Uo=0，若IC1= IC2 又因为 所以 上式说明，在,当输入端开路时，若IC1= IC2 =IC,所以,所以，失调电流IIO主要由的失配大小决定，约为0.1IB如果差动放大电路的输入信号源是低阻抗源，则UIO的影响是主要的；如果是高阻抗源，则IIO的影响是主要的。,当输入端开路时，若IC1= IC2 =IC所以 所以，失调电,2实际电路补偿 实际电路补偿有两类：一类是在集成电路制造过程中，采用调集电极电阻的方法；一类是外加调零电位器的方法，如图5.4.17所示。,图5.4.17 差动放大电路的调零电路 (a)射极调零; (b)集电极调零,2实际电路补偿图5.4.17 差,二、失调的温度漂移 差动放大器虽然可以通过调零措施，但失调会随温度的改变而发生变化。所以仍存在零点的温度漂移现象。 UIO的温漂，可由UIO对T求导得出，并考虑到RC/RC、IS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定，则,无论RW的动臂在何处，其差模电压放大倍数和差模输入电阻分别为：,二、失调的温度漂移 无,说明：UIO的温漂与该温度下的UIO的大小成正比。,同样可得,说明IIO的温漂主要取决于的温度系数和IIO本身。,说明：UIO的温漂与该温度下的UIO的大小成正比。 同样可得,5.6 集成运算放大器的输出级电路,图5.6.2示出了互补型射随器的原理图。V1,V2是两个特性相同的异型输出管，其中V1为NPN管， V2为PNP管，它们分别与负载RL构成射极输出器。,图5.6.2 互补对称型射极,5.6 集成运算放大器的输出级电路,由图5.6.2可知，当忽略管子饱和压降时，最大输出电压幅度近似为UCC，而最大输出电流幅度近似为U/RL。由于晶体管实际存在导通电压，硅管约为0.7V,因而在正负半周内，只有当信号的绝对值大于0.7V时，管子才导通。而在0.7-0.7V之间，两管的输出电流近似为零。因此，输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真，如图5.6.4所示。这种失真通常称为交越失真。图5.6.4是利用两管的合成转移特性曲线(即iC与uBE的关系曲线)，形象地来说明交越失真产生的原因。,由图5.6.2可知，当忽略管子饱和压,图5.6.4 交越失真产生的原因及波形,图5.6.4 交越失真产生的原,为了克服交越失真，可以分别给两管发射结加一正向偏压，其值等于或稍大于导通电压。因而只要有信号输入，V1,V2即可轮流导通，从而消除交越失真。在集成运放中，常用的偏置方式如图5.6.3所示。,为了克服交越失真，可以分别给两管发射,图5.6.3克服交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式；(b)模拟电压源偏置方式,图5.6.3克服交越失真的互补电路,(5.6.1),可见，UAB是某一倍数的UBE4,所以该电路也称为UBE的倍增电路。调整R1,R2的比值，可以得到所需的偏压值。由于R1从集电极反接到基极，具有负反馈作用，因而使A、B间的动态电阻很小，近似为一个恒压源,(5.6.1) 可见，UAB是某一倍数的UBE,5.8 集成运放电路的外部特性及其理想化,5.8.1 集成运放的模型 集成运放有两个输入端，分别称为反相和同相输入端。图5.8.1是集成运放的电路符号。从外部看，集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高差模增益、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温漂的差动放大电路。,5.8 集成运放电路的外部特性及其理想化 5.8.1,模拟电子技术第5章集成运算放大电路课件,图5.8.2所示为集成运放的传输特性曲线。可见，集成运放有两个区间：线性区和非线性区。在非线性区，输出被限幅，输出电压不是UOH就是UOL。在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数，即 uo=Aud(uu+),图5.8.2所示为集成运放的传输特性曲线。可见，集成运放有两,5.8.3 理想集成运算放大电路,一、理想化条件：开环差模电压增益Aod；差模输入电阻Rid；输出电阻Ro0；KCMR(Common-mode Rejection Ratio)；输入失调电流(Offset Currents)IIO、失调电压(Offset Voltages) UIO和它们的温漂均为零；输入偏置电流(Bias Current)IIB=0； 3dB带宽fH=,等等。,5.8.3 理想集成运算放大电路一、理想化条件：,二、线性状态下理想运放的特性 ： 理想运放的差模输入电压等于零。即U+=U- “虚短”(Virtual Short Circuit) 理想运放的输入电流等于零。即I+=I-=0 “虚断” (Virtual Open Circuit),二、线性状态下理想运放的特性 ：,作 业 （P143）,5.25.45.65.85.9,作 业 （P143）5.2,