第3章集成運算放大器(12)

1、第三章 線性集成電路的應(yīng)用（12個課時）內(nèi)容提要1.目標：集成元器件，構(gòu)成特定功能的電子線路2.側(cè)重點不同：區(qū)別于單元電路，研究對象為高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路3.基本要求² 了解電流源的構(gòu)成、恒流特性及其在放大電路中的作用。 ² 正確理解直接耦合放大電路中零點漂移（簡稱零漂）產(chǎn)生的原因，以及有關(guān)指標。 ² 熟練掌握差模信號、共模信號、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。 ² 熟練掌握差分放大電路的組成、工作原理以及抑制零點漂移的原理。 ² 熟練掌握差分放大電路的靜態(tài)工作點和動態(tài)指標的計算，以及輸出輸入相位關(guān)系。 ²

2、; 了解集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分功能、特點。（選講內(nèi)容） ² 了解集成運放主要參數(shù)的定義，以及它們對運放性能的影響。（選講內(nèi)容） 4.主要內(nèi)容² 組成集成運放的基本單元電路；² 典型集成運放電路以及集成運放的主要指標參數(shù)；² 幾種專用型集成運放。§3.1 放大電路的頻率響應(yīng)在實際應(yīng)用中，電子電路所處理的信號，如語音信號、電視信號等都不是簡單的單一頻率信號，它們都是由幅度及相位都有固定比例關(guān)系的多頻率分量組合而成的復(fù)雜信號，即具有一定的頻譜。如音頻信號的頻率范圍從20Hz到20Hz，而視頻信號從直流到幾十兆赫。 由于放大電路中存在電抗元件（如管

3、子的極間電容，電路的負載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等），使得放大器可能對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和相移不同。 如放大電路對不同頻率信號的幅值放大不同，就會引起幅度失真。如放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生的相移不同就會引起相位失真。幅度失真和相位失真總稱為頻率失真，由于此失真是由電路的線性電抗元件（電阻、電容、電感等）引起的，故不稱為線性失真。 為實現(xiàn)信號不失真放大所以要需研究放大器的頻率響應(yīng)。 頻率失真與非線性失真頻率失真和非線性同樣都是使輸出信號產(chǎn)生畸變，但兩者在實質(zhì)上是不同的。具體體現(xiàn)以下兩點： 1. 起因不同：頻率失真是由電路中的線性電抗元件對不同信號頻率的響應(yīng)不同而引起，非線性

4、失真由電路的非線性元件（如BJT、FET的特性曲線性等）引起的。2. 結(jié)果不同：頻率失真只會使各頻率分量信號的比例關(guān)系和時間關(guān)系發(fā)生變化，或濾掉某些頻率分量信號。但非線失真，會將正弦波變?yōu)榉钦也ǎ粌H包含輸入信號的頻率成分（基波），而且還產(chǎn)生許多新的諧波成分。3.7.1 時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)放大電路頻率響應(yīng)的基本概念1. 放大電路的頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)表達式     表示電壓放大倍數(shù)的模與頻率 的關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)。 表示放大器輸出電壓與輸入電壓之間的相位差 與頻率的關(guān)系，稱為相頻響應(yīng)。2. RC耦合放大器的幅頻特性RC耦合放大器的幅頻特性曲線如圖所示。中

5、頻區(qū)：在一個較寬的頻率范圍內(nèi)，曲線是平坦的。即放大倍數(shù)不隨信號頻率而變。（在此頻率范圍內(nèi)，耦合電容、射極旁路電容視為短路，極間電容視為開路）。高頻區(qū)（高于fH的頻率范圍）：當信號頻率升高時，放大倍數(shù)隨頻率的升高而減少。（在此頻率范圍幅頻特性主要受BJT的極間電容的影響）。低頻區(qū)（低于fL的頻率范圍）當頻率降低時，放大倍數(shù)隨頻率的降低而減少。（在此頻率范圍幅頻特性主要受耦合電容和旁路電容的影響）。通頻帶（BW）當AVH下降到0.707AVH時所確定的兩個頻率fH和fL之間的頻率范圍：BW=fH-fL波特圖在研究放大電路的頻率響應(yīng)時，由于信號的頻率范圍很寬（從幾赫到幾百兆赫以上），放大電路的放大倍

6、數(shù)也很大（可達百萬倍），為壓縮坐標，擴大視野，在畫頻率特性曲線時，頻率坐標采用對數(shù)刻度，而幅值（用dB表示）或相角采用線性刻度。這種半對數(shù)坐標特性曲線稱為對數(shù)頻率特性或波特圖。波特圖可采用如前所述折線法近似作出。 RC低通電路的頻率響應(yīng) 放大電路高頻區(qū)的頻率響應(yīng)可用圖所示的RC低通電路來模擬。1. 頻率響應(yīng)                          

7、     其中                                 2. 幅頻響應(yīng)波特圖幅頻響應(yīng)可在波特圖中用兩條直線來近似描述：當 時用分貝表示為：當 時用分貝表示為此直線的斜率為20dB/十倍頻程，它與零分貝線在 處相交。近似的幅頻響應(yīng)如圖所示。3、相頻

8、響應(yīng)可用三條直線來近似描述：（1）當 時，得一條 的直線。（2）當 時，得一條 的直線。（3）當 時， 。由于當 或 時，相應(yīng)可近似得 和 ，故在 和 之間，可用一條斜率為 /十倍頻程的直線來表示。可畫得相頻響應(yīng)圖。RC高通電路的頻率響應(yīng)                               

9、         頻率響應(yīng) 令 則：                       幅頻響應(yīng)為：            幅頻響應(yīng)為：采用與低通電路同樣的折線似方法，可畫出高通電路的幅頻和相頻響應(yīng)曲線圖。

10、3.2 單級放大器的高頻響應(yīng)1. BJT高頻小信號建模模型的引出：根據(jù)BJT的特性方程，H參數(shù)低頻小信號模型不適用于高頻特性分析，這是因為在高頻運用的情況下，其物理過程與低頻小信號比較有差異,主要表現(xiàn)在BJT的極間電容不可可略。BJT的高頻小信號模型如圖所示。 模型中參數(shù)的獲取高頻小信號模型中的元件參數(shù)可以通過實驗得到，這里介紹的是它與低頻小信號模型參的關(guān)系。由于高頻小信號模型中的元件參數(shù)，在很寬的頻率范圍內(nèi)與頻率無關(guān)，所以模型中的電阻參數(shù)和互導(dǎo)gm都可以通過低頻小信號模型參數(shù)得到。在低頻區(qū)，如果忽略Cb¢c和Cb¢e影響時，可得如圖1所示的低頻小信號模型。將圖2與低頻小信

11、號模型比較，在輸入回路有：由上式得再從輸出回路比較可得如下的關(guān)系：                   圖1 低頻小信號模型 圖2 小信號模型等效電路將圖2與低頻小信號模型比較，在輸入回路有：由上式得      再從輸出回路比較可得如下的關(guān)系：由于          &

12、#160;                 Cbc¢就是電容Cob，可以從手冊中查到。Cbe¢可通過下式計算：式中fT為BJT的特征頻率，亦可從手冊中查到。BJT頻率參數(shù)可得其幅頻特性曲線，如圖所示。特征頻率fT當 的頻響曲線以-20dB/十倍頻程的斜率下降，直至增益為0dB時的某一頻率fT稱為特征頻率。當 時 。fT的典型值在1001000MHz之間。     &#

13、160;     單級共射放大電路的高頻響應(yīng)1. 根據(jù)高頻區(qū)工作特點畫出高頻小信號等效電路高頻區(qū)考慮 的作用，而耦合電容 C仍可視為短路，高頻小信號等效電路如下圖所示。                  2. 頻響分析電路高頻響應(yīng)與低通電路的頻率響應(yīng)相似，可按以前的方法畫出相類似的波特圖。單級共射放大電路的低頻響應(yīng)1、畫出低頻小信號等效電路在低頻區(qū)應(yīng)將 開路，而考慮C的作用，可畫出低頻小

14、信號等效電路如圖所示。2、頻響分析低頻電壓放大倍數(shù)用 表示放大電路的低頻響應(yīng)與RC高通頻響形式一樣，只差一個常數(shù)倍。所以它的波特圖形式與RC高通類似。單級共射放大電路的全頻域響應(yīng)的綜合前面我們已分別討論了電壓放大倍數(shù)在中頻段、低頻段和高頻段的頻率響應(yīng)，現(xiàn)在把它們加以綜合，就可得到完整的單級共射電路電壓放大倍數(shù)的全頻域響應(yīng)。將放大倍數(shù)的三個頻區(qū)的頻響表達式綜合，可寫出放大倍數(shù) 的近似式：當 時，則上式變?yōu)? 單級放大電路的帶寬-增益積增益帶寬積的引入為了使帶寬增加，可設(shè)法提高上限頻率，即減小 及其回路電阻。減小 則 需減小 則 減小?？梢?，fH的提高與 相矛盾。為了綜合考察這兩方面的性

15、能，引入一個新的參數(shù)增益帶寬積。增益-帶寬積的定義：放大電路電壓增益（ ）與通頻帶（fbw）的乘積。上式表明，為了改善電路的高頻特性，展寬頻帶，首先應(yīng)選用r¢bb和Cob均小的高頻管，并且與此同時，盡量減小 所在回路的總等效電阻。另外，還可考慮采用共基電路。射極偏置電路的低頻響應(yīng)要分析簡化電路其低頻響應(yīng)，首先畫出它的低頻小信號等效電路，如圖1所示。為便于分析對電路需作一些合理的近似，使其簡化。1、設(shè) 遠大于放大電路本身的輸入阻抗，以致Rb的影響可以忽略；Ce的值足夠大          

16、;      除去Re、Rb得簡化電路如圖2所示。2、把Ce折算到基極電路，折算后的容抗為折算后的電容為基極回路中的總電容C1為 且一般 ，Ce的作用可忽略。這樣可最后的簡化電路圖。                              

17、0;                                                 

18、0;                          射極偏置電路的下限截止頻率的確定由圖可得設(shè)中頻區(qū)電壓增益為                   

19、;                  因此                        式中         

20、;                           如果fL1和fL二者之間的比值在四倍以上，則可取較大的值作為放大電路的下限頻率。共基放大電路的高頻響應(yīng)根據(jù)共基電路的交流通路可畫出其高頻小信號等效電路如圖所示。我們來考察BJT電容Cb¢e和Cb¢e以及負載電容CL對高頻響應(yīng)的影響。一、Cb¢e的影響：由

21、共基電路高頻小信號等效電路可見，如果忽略rbb¢的影響，則Cb¢c直接接于輸入端，輸入電容Ci=Cb¢c，不存在密勒倍增效應(yīng)，且與Cb¢c無關(guān)。所以，共基電路的輸入電容比共射電路的小得多，fH1很高。理論分析的結(jié)果 。二、Cb¢c以及負載電容CL的影響如果忽略rbb¢的影響，則Cb¢c直接接到輸出端，也不存在密勒倍增效應(yīng)。輸出回路時常數(shù)為 ，輸出回路決定的fH2為 3.2 簡單的集成電路運算放大器主要內(nèi)容: 本節(jié)主要介紹了集成電路運算放大器?；疽螅毫私饧蛇\放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分功能、特點。 教學(xué)要點：1集成電路運算放大器

22、的組成 集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由四部分組成。（1）輸入級一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。（2）.電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成（3）.輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。（4）偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻

23、補償環(huán)節(jié)等2簡單的運算放大器簡單運算放大器的原理電路如圖所示。 （1）T1,T2對管組成差分式放大電路，信號雙端輸入、單端輸出。（2）復(fù)合管T3,T4組成共射極電路，形成電壓放大級，以提高整個電路的電壓增益。（3）T5,T6組成兩級電壓跟隨器，構(gòu)成電路的輸出級，它不僅可以提高帶負載的能力，而且可進一步使直流電位下降，以達到輸入信號電壓vid=vi1-vi2為零時，輸出電壓vO=0的目的。（4）R7和D組成低電壓穩(wěn)壓電路以供給的基準電壓，它與T9一起構(gòu)成電流源電路以提高T5的電壓跟隨能力。（5）電路符號：由此可見，運算放大器有兩個輸入端（即反相輸入端1和同相輸入端2）,與一個輸出端3。在運算放大

24、器的代表符號中，反相輸入端用"-"號表示，同相輸入端用"+"表示。器件外端輸入、輸出相應(yīng)地用N,P和O表示。（6）輸入和輸出的相位：利用瞬時極性法分析可知，當輸入信號電壓vi1從反相輸入端輸入時（vi2=0），如vi1的瞬時變化極性為(+)時，各級輸出端的瞬時電位極性為：vC2（+）vO2（）vB6（）vO（）則輸出信號電壓vo與vi1反相；同時，當輸入信號電壓從同相端輸入vi2(vi1=0)時，可以檢驗，輸出電壓vo與vi2同相。3.3 集成電路運算放大器的主要參數(shù)（選講內(nèi)容）教學(xué)要點:1輸入失調(diào)電壓VIO一個理想的集成運放，當輸入電壓為零時，輸出電壓

25、也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓。在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。實際上指輸入電壓VI=0時，輸出電壓VO折合到輸入端的電壓的負值，即VIO的大小反應(yīng)了運放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。VIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為±（110）mV。2輸入偏置電流IIBBJT的集成運放的兩個輸入端是差分對管的基極，因此兩個輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流

26、的平均值，如圖XX_01所示。當 時，偏置電流為輸入偏置電流的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運放差分輸入級BJT的性能，當它的b值太小時，將引起偏置電流增加。從使用角度來看，偏置電流愈小，由信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是重要的技術(shù)指標。一般為10nA1mA。3輸入失調(diào)電流IIO在BJT集成電路運放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級有效差分對管的不對稱程度，一般約為1 nA0.1 mA.4溫度漂移

27、 放大器的溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：（1）輸入失調(diào)電壓溫漂DVIO/DT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)VIO的溫度系數(shù)，也是衡量電路溫漂的重要指標。DVIO/DT不能用外接調(diào)零裝置的辦法來補償。高質(zhì)量的放大器常選用低漂移的器件來組成，一般約為±（1020）mV/。（2）輸入失調(diào)電流溫漂DIIO/DT這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)IIO的溫度系數(shù)，也是對放大器電路漂移的量度。同樣不能用外接調(diào)零裝置來補償。高質(zhì)量的運放每度幾個pA。5最大差模輸入電壓Vidmax所指的是集成運放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過這個電

28、壓值，運放輸入級某一側(cè)的BJT將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。利用平面工藝制成的NPN管約為±5V左右，而橫向BJT可達±30V以上。6最大共模輸入電壓Vicmax這是指運放所能承受的最大共模輸入電壓。超過Vicmax值，它的共模抑制比將顯著下降。一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達±13V。7。最大輸出電流Iomax是指運放所能輸出的正向或負向的峰值電流。通常給出輸出端短路的電流。8開環(huán)差模電壓增益AVO 是指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負載，無負反饋情況下的直流差

29、模電壓增益。AVO與輸出電壓VO的大小有關(guān)。通常是在規(guī)定的輸出電壓幅度（如VO=±10V）測得的值。AVO又是頻率的函數(shù)，頻率高于某一數(shù)值后，AVO的數(shù)值開始下降。圖XX_02表示741型運放AVO的頻率響應(yīng)。9開環(huán)帶寬BW（fH）開環(huán)帶寬BW又稱為3dB帶寬，是指開環(huán)差模電壓增益下降3dB時對應(yīng)的頻率fH。741型集成運放的頻率響應(yīng)AVO（f）如圖XX_02所示。由于電路中補償電容C的作用，它的fH約為7Hz。10單位增益帶寬BWG（fT）對應(yīng)于開環(huán)電壓增益AVO頻率響應(yīng)曲線上其增益下降到AVO=1時的頻率，即AVO為0dB時的信號頻率fT。它是集成運放的重要參數(shù)。741型運放的AVO=2´105時，它的 。3.4 專用型集成電路運算放大器簡介教學(xué)要點:目前，實用的集成電路運算放大器除了通用型外，還有性能更優(yōu)良和具有特殊功能的集成運放，它們可分為高輸入阻抗、低漂移、高精度、高速、寬帶、低功耗、高壓、大功率和程控型等專用型集成運放，現(xiàn)簡要介紹如下： 1高輸入阻抗型該類型集成運放的差模輸入電阻rid>(1091012)W，輸入偏置電流IIB為幾皮安幾十皮安，故又稱為低輸入偏置電流型。實現(xiàn)這些指標的主要措施，一般是利用FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優(yōu)點，由BJT與FET相結(jié)合而構(gòu)成差分輸入級電路，常稱為BiFET型。2