浙江大學(xué)---模電--課件2-3

1、第二篇第二篇 模擬電子電路模擬電子電路第三章第三章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 2.3.1 集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器概述通過半導(dǎo)體集成工藝，在很小的硅片上制成的一種 高增益、直接耦合式、多級(jí)放大器。最早應(yīng)用于模擬信號(hào)的運(yùn)算。目前廣泛應(yīng)用于信號(hào)測(cè)量、信號(hào)處理、信號(hào)產(chǎn)生和變換中， 是現(xiàn)代電子電路中最基本的組成單元。技術(shù)指標(biāo)有： 電壓增益、輸入/輸出電阻、共模抑制能力、 溫度/噪聲系數(shù)、頻率效應(yīng)等。在理想條件下，集成運(yùn)算放大器可以等效成一個(gè) 電壓控制電壓源（VCVS）。一、集成運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu)輸入級(jí)： 差分放大電路中間級(jí)： CE（CS）電路低溫漂、高共模抑制比、高輸入電阻輸出級(jí)： 互補(bǔ)對(duì)稱式

2、射極跟隨器結(jié)構(gòu)高電壓增益低輸出電阻、較強(qiáng)帶負(fù)載能力偏置電路：恒流源電路靜態(tài)工作點(diǎn)合適、穩(wěn)定，功耗低二、集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)同一硅片相同工藝芯片面積小 功耗很低無法制造大容量電容采用直接耦合直接耦合方式元件參數(shù)具有良好的一致性和同向偏差采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)稱為特征的電路工作電流極小(如幾幾十微安)采用微電流源微電流源作為偏置偏置及有源負(fù)載有源負(fù)載v電路符號(hào)v低頻小信號(hào)模型RidRod0Aod理想運(yùn)放2.3.2 集成運(yùn)放中的電流源偏置電路集成運(yùn)放中的電流源偏置電路一、基本鏡像電流源T1和T2參數(shù)和特性完全相同，T1管的VCE=VBE=0.7V，保證不進(jìn)入飽和區(qū)。所以有：BLCIII1使IC1和IL呈鏡

3、像關(guān)系鏡像電流源11122CCBCREFBECCREFIIIIRVVIREFCII21當(dāng)2REFBECCREFCLRVVIII1該電路具有一定的溫度補(bǔ)償作用T1CILIRREF壓降增加BVBILI二、跟隨型鏡像電流源由電阻 RREF 確定參考電流 IREF ；兩只特性完全相同的晶體管 T1、T2組成鏡像電流源；T管作為射極跟隨器， 減小輸出電流與參考電流的誤差；Re3 用來增大T管的工作電流， 提高T管的電流放大系數(shù)；REFCCLIIII12REFCCREFBECCRVRVV2133EBII121BI)1 (21CI溫度補(bǔ)償作用。三、多路電流源333222111eEBEeEBEeEBEeEBE

4、RIVRIVRIVRIV332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI當(dāng)參考電流IREF確定后，在各支路串入不同的射極電阻不同的射極電阻，可得到不同的輸出電流。T10、T11微電流源T5、T6、T7三管電流源T8、T9鏡像電流源輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)2.3.3 差分放大電路差分放大電路 差分放大器為克服直接耦合放大器的零點(diǎn)漂移而推出。是集成運(yùn)算放大器中十分重要的一級(jí)放大器。一、基本電路形式和工作原理由參數(shù)對(duì)稱的元件 組成對(duì)稱電路 ；T1 、 T2管構(gòu)成 共射極放大電路；恒流源電路；兩組直流電源；兩個(gè)輸入端；兩個(gè)輸出端。從結(jié)構(gòu)可以看出，該電路有：兩種輸入

5、方式雙端輸入兩輸入端同時(shí)對(duì)地輸入信號(hào)。單端輸入：一端接地，另一端輸入信號(hào)。兩種輸出方式雙端輸出：輸出信號(hào)取自兩個(gè)集電極。單端輸出：輸出信號(hào)取自一個(gè)集電極對(duì)地信號(hào)。這一結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)思想是能有效地解決溫度漂移（零點(diǎn)漂移問題）IC1QIC2QIE = I0 / 2VO1QVO2QVCCICQRcVOQVO1QVO2Q0VEVBE0.7V直流分析由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，元件參數(shù)和特性相同，及恒流源作射極偏置，因而溫度變化時(shí)VC1Q、VC2Q始終相等，VOQ0，有效地抑抑制溫漂和零漂制溫漂和零漂。若恒流源換成電阻？差模成分反映被測(cè)信號(hào)的變化，需要進(jìn)一步放大進(jìn)一步放大。共模成分反映測(cè)量的初始條件或外界干擾，需要加

6、以抑制加以抑制。被測(cè)信號(hào)的輸入方式單端輸入單端輸入方式、雙端輸入雙端輸入方式差分放大電路的工作原理差模信號(hào)差模信號(hào)21IIIdvvv兩個(gè)輸入信號(hào)之差共模信號(hào)共模信號(hào)221IIIcvvv兩個(gè)輸入信號(hào)平均值22IdIcIvvv21IdIcIvvv輸入信號(hào)只考慮差模信號(hào)的輸入；差分放大電路的輸入端加上兩個(gè)幅度相同、極性相反的信號(hào)。對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大、對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制。差分放大電路的輸入22IdIcIvvv21IdIcIvvvIcvcIdvdOcOdOvAvAvvv差分放大電路的輸出差模輸入方式共模輸入方式只考慮共模信號(hào)的輸入；差分放大電路的輸入端加上兩個(gè)幅度相同、極性相同的信號(hào)。差分電路特點(diǎn)【例【

7、例2.3.1】已知差分放大電路：vI1 = 5.01 V、vI2 = 4.99 V，A vd80，Avc0.01，求vO解：解：VvvvIIdI02. 021VvvvIIcI0 . 5221IcvcIdvdOvAvAvV65. 10 . 5)01. 0(02. 080二、差分放大電路動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算（A、Ri、Ro）差模電壓放大倍數(shù) ： 輸出電壓的差模部分與輸入電壓的差模部分之比。差模輸入時(shí)的交流通路21IIOdIdOdvdvvvvvA221IdIIvvvbecIdOdvdrRvvA211becIdOdvdrRvvA2+=22becIdOvdrRvvA212122OOOdOOOvvvvvvb

8、eIdbeIBBrvrvii2121cBOdORivv111cBOdORivv222221IdIIvvvbeLIdOvdrRvvA2/LCLRRRbeIdIdidrivR2差模輸入電阻 ：12coRR 差模輸出電阻 ：beLcvdrRRA2)/(1ebeBeEbeBIcRriRiriv01011)1 (22IcIIvvv21共模參數(shù)cBcCOcORiRivv11012OCOOOvvvvebecIcOcvcvcRrRvvAA0121)1 ( 20IcOcvcvvAAvc在一定程度上反映差分放大電路抑制共模干擾和溫漂的能力， Avc 越小，則抑制溫漂能力越強(qiáng)。vcvdCMRAAK常用分貝表示：(d

9、B) lg20vcvdCMRAAK共模抑制比 ： 差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值。理想的差分放大電路雙端輸出時(shí) KCMR 對(duì)T1和T2管影響相同的外界干擾信號(hào),如電源電壓波動(dòng),環(huán)境溫度變化等都可以認(rèn)為是共模信號(hào)。單端輸出時(shí)，只有增大Re電阻才能減小共模增益，從而增大共模抑制比。ebecIcOcvcvcRrRvvAA0121)1 ( 2【例【例2.3.2】解：解：IdOdvdvvA1 .66)1 (22eBbeBcBRiriRiIdIdidivRkRrebe1 .12)1 (20IdLvROOoivRkRc102差分放大電路如圖所示，已知 = 80，rbe = 2 k。求該電路的

10、：差模電壓放大倍數(shù) Avd、差模輸入電阻 Ri 和輸出電阻 Ro。三、差分放大電路的輸入輸出方式差分放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端。IvdIvcIvdIcvcIdvdOvAvAvAvAvAv2差分放大電路的輸入輸出方式： 單端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、 雙端輸入單端輸出、雙端輸入雙端輸出。0,21IIIvvv單端輸入時(shí)：IIIIdvvvv212221IIIIcvvvv單端輸出時(shí)：【例【例2.3.3】已知 = 50，rbb= 300，Rw在中間位置，求： (1) ICQ； (2) Avd、Ri和Ro；解解1：eEwEBEEERIRIVV22mA 56. 02005. 03 .11227

11、. 0eWEEEQCQRRVIIk15coRR7 .282)1 (2)/(wbeLcIdOvdRrRRvvAk44.102)1 (2wbeIdIdiRrivR解解2：k67. 2)1 (EQTbbbeIVrr解解3：29. 0)22)(1 ()/(ewbeLcvcRRrRRA40dB)(100vcvdCMRAAK解解4：mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvvmV1761IcvcIdvdOvAvAv (3) KCMR； (4) 若vI1 = 16 mV，vI2 = 10 mV， 求vO1。【例【例2.3.4】已知1=2=3=50，rbb=200，rce=200k，VBE=0.7V。

12、（1）求靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算rbe。VRRRVB86. 5)9(2113mARIIIIeECCC12)9(7 . 086. 5212133321krrbbbe5 . 1126)1 (2（2）求差模電壓增益。1 . 0)1 ()/(21222bebLCvdrRRRA121 . 0)501 (5 . 11 . 0)10/7 . 4(5021（3）求電流源電路輸出電阻RO3列出兩個(gè)回路方程聯(lián)解后得MrRrRRRrRrRRRrRIVRceebeebeeceebeeooo644. 41)/(4）求共模電壓增益000344. 0)21 . 0()1 ()/(3222obebLCvCR

13、rRRRA（5）求共模抑制比)85.90(7 .34883000344. 012|22dBAAKvcvdCMR（6）求差模輸入電阻和輸出電阻KRrRRWbebid4 .132)1 ( 21KRRCod7 . 4四、集成運(yùn)放輸入級(jí)的電路形式1122LmILmIIdOdvdRgvRgvvvA2/LdLRRR IdIdidivRdodRR2FET差分放大電路差模輸入電阻很高，減小了輸入偏置電流的不對(duì)稱性。v場(chǎng)效應(yīng)管組成的差分放大電路漏極電流源電路源極電流源電路T1、T2差分管v場(chǎng)效應(yīng)管三極管混合型差分放大電路 電路是雙端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)，由于漏極是三管電流源，使得單端輸出具有雙端輸出的效果。當(dāng)差模信

14、號(hào)輸入時(shí)21DDii51CDii256DCCiii2622DCDodiiii22226222222)/(imGSiGSmGSiDIdodsiodIdodvdRgvRvgvRivRrRivvA當(dāng)共模信號(hào)輸入時(shí)21DDii26DCii062cDociii單端輸出同樣具有雙端輸出時(shí)的共模抑制效果一、運(yùn)放中間級(jí)電壓放大電路主要任務(wù)：具備高電壓增益。 Rc以恒流源恒流源代替； 采用達(dá)林頓復(fù)合管復(fù)合管，提高； 在輸入級(jí)與中間級(jí)之間，增加一級(jí)CC電路進(jìn)行阻抗變換。常用電路：共射/共源放大電路。beLcvrRRA)/(電壓增益：提高電壓增益的措施：2.3.4 集成運(yùn)放的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)放的中間級(jí)和輸出級(jí)3

15、222)1 (bebeirrR233132)/(iiceceIOvRRrrvvAv恒流源+復(fù)合管dsmorRgR)1 (11v恒流源+射級(jí)跟隨器T1T2互補(bǔ)對(duì)稱式共集放大電路二、運(yùn)放輸出級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路v對(duì)輸出級(jí)的要求：輸出電阻?。惠斎腚娮璐?；最大不失真輸出電壓盡可能大。v基本電路乙類放大：導(dǎo)通角為=甲類放大：導(dǎo)通角為= 2甲乙類放大：導(dǎo)通角介于介于和和2之間之間正半周（vi 0）時(shí)，T管導(dǎo)通，T管截止，+VCCT1RLGND。負(fù)半周（vi 0）時(shí)，T1管截止，T2管導(dǎo)通， GNDRLT2-VCC 。T1T2靜態(tài)靜態(tài)（vi = 0）時(shí)，T、T管均截止，vO0 。最大輸出電壓為VCCVCES

16、。 當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，最大不失真輸出電壓幅度一般為(1214)V 。T1T2v最大輸出電壓幅度LbeiRrR)1 (v輸入電阻較高：在輸入信號(hào)小于三極管的開啟電壓時(shí)，T與T管均截止，產(chǎn)生交越失真。v交越失真v甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路3123)1 (BECEVRRV741型運(yùn)放電路圖2.3.5 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)一、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性和三項(xiàng)基本參數(shù)v集成運(yùn)放的電壓傳輸曲線： 在直流或低頻條件下運(yùn)放的輸入、輸出關(guān)系。實(shí)際運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放的傳輸特性曲線 不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，稱為輸出失調(diào)輸出失調(diào)。 為了彌補(bǔ)輸出失調(diào)電壓， 通常在運(yùn)放輸入級(jí)電路中設(shè)置了調(diào)零端調(diào)零端。在理想條件理想

17、條件下，集成運(yùn)放的 電壓傳輸特性曲線通過坐標(biāo)原點(diǎn)原點(diǎn)。 運(yùn)放的電壓既可以用增量增量（或交流量） 表示，也可以用瞬時(shí)量瞬時(shí)量表示。NPOIdOodvvvvvAv開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：IdNPIdIdidivvivRv差模輸入電阻：v輸出電阻：v集成運(yùn)放的低頻小信號(hào)模型：二、集成運(yùn)放的失調(diào)參數(shù)v輸入失調(diào)電壓VIO ：集成運(yùn)放在vId = 0時(shí)的輸出電壓稱作輸出失調(diào)電壓，記作VOO。為使輸出電壓回零，需在輸入端加反向補(bǔ)償電壓，稱為輸入失調(diào)電壓。odOOIOAVVv輸入失調(diào)電壓溫漂dVIO/dT ：輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調(diào)電壓隨溫度而變化的程度。v輸入失調(diào)電流IIO ：反映集成運(yùn)放輸入端輸

18、入電流的不平衡程度。v輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT ：反映輸入失調(diào)電流 IIO 隨溫度而變化的程度。v分析輸出失調(diào)模型三、集成運(yùn)放的共模參數(shù)v共模抑制比：ocodCMRAAKv最大共模輸入電壓VIcmax ：當(dāng)共模輸入電壓超出VIcmax時(shí)，將影響運(yùn)放電路中相關(guān)晶體管的工作狀態(tài)。運(yùn)放失去正常的差模放大能力。v共模輸入電阻：icicicivR四、集成運(yùn)放的頻域和時(shí)域參數(shù)v-3dB帶寬 f H ： BWf Hf Lf Hv全功率帶寬 f p：表示當(dāng)運(yùn)放輸出較大幅度電壓時(shí)，為保證輸出波形不產(chǎn)生因SR為有限值而引起的波形失真，運(yùn)放所能工作的最高頻率。v單位增益帶寬 ：指運(yùn)放差模開環(huán)電壓增益Aod下降至0 dB 時(shí)的頻率。HodcfAfv轉(zhuǎn)換速率SR（也稱壓擺率）：是衡量運(yùn)放在大幅度信號(hào)作用下工作速度工作速度的參數(shù)。maxdtdvSRO五、集成運(yùn)放應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題v運(yùn)放類型： 通用型：其性能指標(biāo)適合于一般性使用，產(chǎn)品量大面廣； 功率型：允許的供電電壓較高可輸出電流較大； 低功耗型：靜態(tài)功耗在1mw左右，可用于便攜設(shè)備； 高精度型：失調(diào)電壓溫漂在1V以下； 高速型：轉(zhuǎn)換速率在10V/s左右； 高阻型：輸入電阻在1012左右； 寬帶型：?jiǎn)挝辉鲆鎺捲?/p>