《模擬電子線路》第7章-楊凌

1、楊楊 凌凌 模模 擬擬 電電 子子 線線 路路 第第7 7章章第第7章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 7.0 引言引言 集成電路是集成電路是20世紀(jì)世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型器件年代初發(fā)展起來的一種新型器件.它它采用半導(dǎo)體集成工藝采用半導(dǎo)體集成工藝,把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作在一塊硅片上在一塊硅片上,做成具有特定功能的獨立電子線路做成具有特定功能的獨立電子線路.與分立元件與分立元件電路相比電路相比,集成電路具有性能好、可靠性高、體積小、耗電少、集成電路具有性能好、可靠性高、體積小、耗電少、成本低等優(yōu)點成本低等優(yōu)點,因此在很短時間內(nèi)得到飛速發(fā)展并

2、獲得了廣泛因此在很短時間內(nèi)得到飛速發(fā)展并獲得了廣泛應(yīng)用應(yīng)用. 集成運(yùn)算放大器是一種模擬集成電路集成運(yùn)算放大器是一種模擬集成電路.由于早期主要用于由于早期主要用于模擬計算機(jī)模擬計算機(jī),實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算實現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算,由此而得名由此而得名,并沿用至今并沿用至今.今天今天,集成運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出模擬運(yùn)算的范圍集成運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出模擬運(yùn)算的范圍,而作為一種高增而作為一種高增益器件廣泛應(yīng)用與各種電子設(shè)備中益器件廣泛應(yīng)用與各種電子設(shè)備中.7.0 引引 言言一、集成電路的分類一、集成電路的分類按集成度分類按集成度分類SSI: 含有十幾到幾十個元、器件含有十幾到幾十個元、器件, 硅片面積約十平方毫米硅

3、片面積約十平方毫米.MSI: 含有一百到幾百個元、器件含有一百到幾百個元、器件, 硅片面積約幾平方毫米硅片面積約幾平方毫米.LSIVLSI集成度已突破集成度已突破1億元、器件億元、器件/片片按功能分類按功能分類模擬集成電路模擬集成電路:集成運(yùn)放、集成功放集成運(yùn)放、集成功放 、集、集 成穩(wěn)壓器等成穩(wěn)壓器等數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路7.0 引引 言言圖圖 7.1 三、集成電路的特點三、集成電路的特點 1、電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性、電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性; 2、用有源器件代替無源器件、用有源器件代替無源器件;二、集成電路的封裝外形二、集成電路的封裝外形(a) 圓殼式圓殼式 (b)雙列直插式雙

4、列直插式 (c)扁平式扁平式 7.0 引引 言言 3、采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路、采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路,如復(fù)合管、如復(fù)合管、CE-CB及及CC-CB等組等組合電路合電路; 4、級間采用直接耦合方式、級間采用直接耦合方式; 5、用作溫度補(bǔ)償或電平移動的二極管、用作溫度補(bǔ)償或電平移動的二極管,大都采用大都采用BJT的發(fā)射的發(fā)射結(jié)構(gòu)成結(jié)構(gòu)成.四、集成運(yùn)放簡介四、集成運(yùn)放簡介 集成運(yùn)算放大器是一種模擬集成電路集成運(yùn)算放大器是一種模擬集成電路. 作為一種高增益器作為一種高增益器件廣泛用于各種電子設(shè)備中件廣泛用于各種電子設(shè)備中.7.0 引引 言言 目前目前,集成運(yùn)放的種類繁多集成運(yùn)放的種類繁多,按照性能不同按照性能

5、不同,通常把它們劃通常把它們劃分為通用型和專用型兩種分為通用型和專用型兩種.通用型運(yùn)放的性能指標(biāo)比較均勻通用型運(yùn)放的性能指標(biāo)比較均勻,適適用于一般應(yīng)用場合用于一般應(yīng)用場合,專用型運(yùn)放則是根據(jù)某些特殊要求專用型運(yùn)放則是根據(jù)某些特殊要求,著重提著重提高其中一項或幾項性能指標(biāo)高其中一項或幾項性能指標(biāo),如高輸入阻抗型、低漂移型、高如高輸入阻抗型、低漂移型、高速寬帶型、低功耗型等等速寬帶型、低功耗型等等. 本章將著重討論集成運(yùn)放的組成原理及性能參數(shù)本章將著重討論集成運(yùn)放的組成原理及性能參數(shù).對構(gòu)成對構(gòu)成運(yùn)放的基本單元電路運(yùn)放的基本單元電路差動放大器和電流源電路將作詳細(xì)討差動放大器和電流源電路將作詳細(xì)討論

6、論,之后之后,介紹一種介紹一種典型的典型的BJT集成運(yùn)放實例集成運(yùn)放實例741,對對MOS集成集成運(yùn)放只作簡要介紹運(yùn)放只作簡要介紹.7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用 前幾章所講的前幾章所講的BJT和和FET 放大器的偏置技術(shù)通常都會用放大器的偏置技術(shù)通常都會用到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)到分壓電阻網(wǎng)絡(luò).此技術(shù)適用于分立電路此技術(shù)適用于分立電路,不適用于集成電路不適用于集成電路.因為因為,電阻偏置技術(shù)要采用耦合電容及旁路電容電阻偏置技術(shù)要采用耦合電容及旁路電容,在在IC上上,電阻電阻需要占用很大的面積需要占用很大的面積,而制作微法級的耦合電容幾乎是不可而制作微法級的耦合電容幾乎是不可能的能的.在模

7、擬集成電路中在模擬集成電路中,廣泛采用電流源電路為放大器提供廣泛采用電流源電路為放大器提供偏置偏置.此外此外,電流源電路還可用作放大器的有源負(fù)載電流源電路還可用作放大器的有源負(fù)載.本節(jié)討論本節(jié)討論幾種常見的電流源電路幾種常見的電流源電路.一、鏡像電流源一、鏡像電流源 圖圖7.2示出了基本鏡像電流源電路的結(jié)構(gòu)示出了基本鏡像電流源電路的結(jié)構(gòu).7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用大自然在晴朗寧靜時顯示出的古典主義圖像,具有精確的鏡反映對稱性.I07.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用微風(fēng)吹起微瀾,鏡反映對稱性稍有偏離,大自然顯示出稍微偏離古典的圖像.I0R07.1 電流源電路及其應(yīng)用電

8、流源電路及其應(yīng)用輕風(fēng)徐來，把一池水面拂皺，云影散亂，鏡像對稱性有較大的偏離，在這里可以看到印象主義的由來。 圖圖 7.2R+VCCT1T2IREFIC2IC12IB7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用當(dāng)當(dāng)較大時較大時,忽略忽略BJT 的基極電流的基極電流 VCCVBE VCCIC2=IC1IREF = R R(7-1)注意注意: 只有當(dāng)只有當(dāng)VCCVBE ,2時時, IC2IREF IREF IC2 = 1+2/ 若若不夠大不夠大,則 IC2與與IREF互成鏡像的精度將會降低互成鏡像的精度將會降低,為此為此,采用圖采用圖7.3所示的三晶體管鏡像電流源電路所示的三晶體管鏡像電流源電路.圖

9、圖 7.3+VCCIEIE3RE3IC2RT1T2IREFT37.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用IREF=IC1+IB3IE3=IB1+IB2IB3=IE3/(1+3)1=2=3 2 + IC2= IREF 2 +2 IREF VCC2VBE IREF = R 鏡像電流源電路適用于較大工作電流鏡像電流源電路適用于較大工作電流(mA數(shù)量級數(shù)量級)的場合的場合.二、比例式電流源二、比例式電流源R1R+VCCT1T2IREFIC2IC1R2IE1IE2圖圖 7.47.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用VBE1+IE1R1=VBE2+IE2R2 IC1 IC2VBE1VBE2VTln

10、VTln IS IS IC1 =VTln IC2 VBE1VBE2 =IE2R2IE1R1 IC2R2IC1R1 R1 VT IC1 R1 IC2=IC1 + ln IC1 R2 R2 IC2 R2 IC2 R1 (7-2)IREF R2其中其中: VCCVBE IREF= R+R1R+VCCT1T2IREFIC2IC1R2圖圖 7.57.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用三、微電流源三、微電流源 R1 VT IC1 R1 IC2=IC1 + ln IC1 R2 R2 IC2 R2 R1= 0 VT IC1 VT IREFIC2= ln ln (7-3) R2 IC2 R2 IC2 該電

11、路能提供微安級的電流該電路能提供微安級的電流,且輸出電流對電源電壓且輸出電流對電源電壓變化不敏感變化不敏感. VT IC1 VT VCCIC2= ln ln R2 IC2 R2 RIC2 IREFR+VCCT3IO=IC3T1T2圖圖 7.67.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用四、威爾遜電流源四、威爾遜電流源 上述電流源存在兩個共同的缺點上述電流源存在兩個共同的缺點:1 、動態(tài)輸出電阻不夠大、動態(tài)輸出電阻不夠大;2 、輸出電流受、輸出電流受的影響較大的影響較大. VCC2VBE IREF = R 2 +2 IO= IREFIREF 2+2+2 (7-4)其中其中: Ro rce2 (7

12、-5) 2IOIC2(IC1) IB3 IO 7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用五、多路電流源電路五、多路電流源電路【例例7-1】多路電流源電路如圖多路電流源電路如圖7.7所示所示.已知各管的已知各管的、VBE值值 相同相同,求各電流源輸出求各電流源輸出IC2 、 IC3 、 ICn 與與IREF的關(guān)系式的關(guān)系式.VCCRE1IE0IC2RT1T2IREFT0IC3T3RE2RE3TnICnREn圖圖 7.77.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用【解解】由于各管由于各管VBE值相同值相同,所以有所以有: IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3= =IEnREn而而 IE1IC

13、1,IE2=IC2,IE3IC3 IEnICnIC1RE1IC2RE2IC3RE3ICnREn 1IC1=IREFIB0=IREF IE0 1+ n=IREF IB 1+ nIREF IC1 (1+)IC1IREF RE1IC2 IREF RE2 RE1IC3 IREF RE3 RE1ICn IREF REn圖圖 7.8T3+VCCT1T2RIREFvIvO7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用六、電流源用作有源負(fù)載六、電流源用作有源負(fù)載 T2、 T3 組成的鏡像電流源組成的鏡像電流源作為作為T1管的集電極負(fù)載管的集電極負(fù)載,由于電由于電流源較大的交流電阻流源較大的交流電阻,可使可使T1

14、組組成的單級共射放大器的增益達(dá)成的單級共射放大器的增益達(dá)103甚至更高甚至更高.電流源也可用作射電流源也可用作射極負(fù)載極負(fù)載.7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用六、六、FET電流源電流源圖圖 7.9+VDDT1T2IOIREFR IO W2/L2 = (7-6) IREF W1/L1W2/L2 =1,IO=IREF W1/L1鏡像電流源鏡像電流源W2/L2 1, W1/L1比例式電流源比例式電流源7.1 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用圖圖 7.10+VDDT1T2IO1IREFT0T3IO2T4IO37.2 差分放大電路差分放大電路7.2 差分放大電路差分放大電路 差分放大器是

15、模擬電路的基本功能塊差分放大器是模擬電路的基本功能塊,由于它在電路和性由于它在電路和性能方面的許多優(yōu)點能方面的許多優(yōu)點,因而成為集成運(yùn)放的主要組成單元因而成為集成運(yùn)放的主要組成單元.也是高也是高速數(shù)字邏輯電路家族中的基礎(chǔ)速數(shù)字邏輯電路家族中的基礎(chǔ).圖圖6.11是差動放大器的框圖是差動放大器的框圖,它它有兩個輸入端和一個輸出端有兩個輸入端和一個輸出端.圖圖 7.11差動放大器差動放大器vi1vovi2 在電路完全對稱的理想情況下在電路完全對稱的理想情況下,輸出信號只與兩個輸入信輸出信號只與兩個輸入信號的差值成比例關(guān)系號的差值成比例關(guān)系. 圖圖 7.12VoT + Vi RCRB+VCC7.2.1

16、 BJT差分放大電路差分放大電路一、一、零點漂移零點漂移現(xiàn)象現(xiàn)象 指放大器不加輸入信號時指放大器不加輸入信號時,輸出端還有緩慢變化的電壓產(chǎn)輸出端還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生生,即輸出電壓偏離原來的靜態(tài)設(shè)置而上下漂動即輸出電壓偏離原來的靜態(tài)設(shè)置而上下漂動. 產(chǎn)生零點漂移的主要因素是溫產(chǎn)生零點漂移的主要因素是溫度度,所以所以,零點漂移又稱為零點漂移又稱為溫漂溫漂.衡量衡量溫漂的大小常按下式進(jìn)行溫漂的大小常按下式進(jìn)行. VoVi= (7-7) Av T 零點漂移問題在多級直接耦合零點漂移問題在多級直接耦合放大電路中顯得尤為突出放大電路中顯得尤為突出.RC1RC2+VCCT1T2ICQ2ICQ1REIEE圖

17、圖 7.14VEQVEERC1RC2+VCC+vi1T1VEET2+vi2圖圖 7.13RE+ vo 7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路二、電路結(jié)構(gòu)二、電路結(jié)構(gòu)三、工作原理三、工作原理7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路1、靜態(tài)分析、靜態(tài)分析: 如圖如圖7.14所示所示.2、動態(tài)分析、動態(tài)分析 VEQ(VEE ) VEEVBEIEE= = (7-8) RE RE IEEICQ1= ICQ2 (7-9) 2RE ICQ1( ICQ2) VCEQ1=VCCICQ1RC1+VBE1=VCEQ27.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路 +vo 差分差分放大電路放大電路 +vi1 +vi

18、2圖圖 7.15RC1RC2+VCC+vi1T1VEET2+vi2RE+ vo vi1+vi2 vi1vi2vi1= + 2 2 vi1+vi2 vi1vi2vi2= 2 2 vid=vic+ 2 vid=vic 2 vi1+vi2 vic= (7-10) 2 vid=vi1vi2 (7-11) RCRC +vod1T1T2 + vid /2 圖圖 7.16 +vid /2 + vod +vod27.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路(1) 差模輸入差模輸入vid=vi1vi2 , vidvid1= , 2 vidvid2= . 2iC1=ICQ+ic, iC2=ICQ ic, iEE=i

19、C1+iC2=2ICQIEE, RE交流接地交流接地. RL/2RC +vod1T1 vid2 +圖圖 7.17 +vid1 +vodRCT2 vod2 + +vid RL/27.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路(a) 差模電壓增益差模電壓增益單端輸出單端輸出雙端輸出雙端輸出 vod1 vod1 vod1 1 1 RL Avd1= = = = Av1 = (7-12) vid 2(vid /2) 2vid1 2 2 rbe vod2 vod2 vod2 1 1 RL Avd2= = = = Av2 = (7-13) vid 2(vid /2) 2vid2 2 2 rbe vod vod1

20、 vod2 vod1 vod2 RL Avd = = = =Avd1Avd2= vid vid vid vid rbe(7-14)7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路Avd1=Avd2= Avd/2 (7-15)(b) 差模輸入電阻差模輸入電阻Rid=2rbe (7-16)(c) 差模輸出電阻差模輸出電阻雙端輸出雙端輸出 Rod=2Ro2RC (7-17)單端輸出單端輸出 Rod= Ro RC (7-18)(2) 共模輸入共模輸入注意注意:計算計算Avd1(Avd2)和和Avd時時RL的不同的不同.7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路iC1=ICQ +ic iC2=ICQ+ ic

21、iEE=iC1+iC2=2ICQ+2icIEE+ ie vi1+vi2 vic= 2 RC1RC2+VCC+vicT1VEET2+vicRE+ vo 圖圖 7.187.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路RE在共模交流通路中等效為每邊的在共模交流通路中等效為每邊的 2RE (a) 共模電壓增益共模電壓增益 單端輸出單端輸出 voc1 (RCRL) RCRLAvc1 = = (7-19) vic rbe+2(1+)RE 2RE 2RERCRLT1圖圖 7.19+vic +voc1T2RC+vic2RERL +voc2+ vocRL7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路雙端輸出雙端輸出 vo

22、c1 voc2Avc= 0 (7-20) vic 差動放大器依靠電路結(jié)構(gòu)的對稱性差動放大器依靠電路結(jié)構(gòu)的對稱性消除了電路的干擾信消除了電路的干擾信號號,抑制了零點漂移抑制了零點漂移. 差動放大電路差動放大電路“有差則動有差則動”、“無差不動無差不動”.(b) 共模輸入電阻共模輸入電阻 1Ric= rbe+(1+)2 RE (7-21) 2(c) 共模輸出電阻共模輸出電阻7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路 單端輸出單端輸出 RocRC (7-22) 雙端輸出雙端輸出 Roc2RC (7-23)(3) 共模抑制比共模抑制比 Avd Avd KCMR= or KCMR=20lg dB (7-

23、24) Avc Avc雙端輸出雙端輸出 KCMR 單端輸出單端輸出 Avd1 REKCMR= (7-25) Avc1 rbe +vi1RCRC+VCCVEET2+vi2T1ro7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路四、恒流源差動放大電路四、恒流源差動放大電路 問題的提出問題的提出:REKCMRIEEICQrbeKCMR 圖圖 7.20+vi1RCRC+VCCT3VEET2+vi2T1R1R2R37.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路五、差動放大電路對任意輸入信號的放大能力五、差動放大電路對任意輸入信號的放大能力vid=vi1 vi2 vi1+vi2vic= 2 vicvo1=vod1+

24、voc1=Avd1vid+Avc1vic =Avd1vid (1+ ) KCMRvid vicvo2=vod2+voc2=Avd2vid+Avc2vic =Avd2vid (1 ) KCMRvidKCMR vo1 (vo2 ) vid (抑制共模信號的能力越強(qiáng)抑制共模信號的能力越強(qiáng))雙端輸出雙端輸出: vo=vo1vo2 = (Avd1Avd2) vid=Avdvid vovid單端輸出單端輸出: 7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路【例例7-2】在圖在圖7.13所示的差分放大電路中所示的差分放大電路中,已知已知VCC=VEE =12V, =100,RC=RL=10k, RE=22.6k

25、, vi1=20sint(mV) , vi2= 0. 試試 求輸出電壓求輸出電壓vo2 . 【解解】 vicvo2 = Avd2vid (1 ) 498.9sint (mV) KCMR vid vid=vi1vi2=20sint (mV), vic=(vi1+vi2)/2=10sint (mV) VEEVBE 120.7IEE= = = 0.5mA RE 22.67.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路ICQ1= ICQ2 IEE/2=0.25mA RL Avc2 0.11 2REKCMR 227.27rbe(1+)VT/ICQ 10k 1 RL Avd2= =25 2 rbe六、頻率響應(yīng)六

26、、頻率響應(yīng) 高頻響應(yīng)與單管共射放大器相同高頻響應(yīng)與單管共射放大器相同,但有極好的低頻響應(yīng)但有極好的低頻響應(yīng).七、小結(jié)七、小結(jié) P189 表表7.17.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路八、有源負(fù)載差分放大電路八、有源負(fù)載差分放大電路+vid1RL+VCCVEET2+vid2T1ro圖圖 7.21T3T4+vodI0iC3iC1iC4iC2ioICQ1=ICQ2ICQ3ICQ4=I0/2iC1=ICQ1+iC1=ICQ+iCiC2=ICQ2+iC2=ICQiCiC3=iC1iC4=iC3=iC1io=iC4iC2=iC1iC2=2iC (7-26)有源負(fù)載差分放大電路在單端有源負(fù)載差分放大電

27、路在單端輸出時具有雙端輸出的特性輸出時具有雙端輸出的特性.7.2.1 BJT差分放大電路差分放大電路圖圖 7.22Vod=(4Ib4+2Ib2) (rce4rce2RL) Vid=2Vid1=2Ib1rbe1 Ib4=Ib2 Ib1=Ib2 4=2= (rce4rce2RL) Avd=rbe11Ib1 +Vid1 +Vid2rbe1rce1re3rbe4rbe24Ib4Ib4rce4Ib1RL+Vodrce22Ib2Ib27.2.2 FET差分放大電路差分放大電路 高輸入阻抗模擬集成電路中高輸入阻抗模擬集成電路中,常采用輸入電阻高、偏置電流常采用輸入電阻高、偏置電流很小的很小的FET差分放大電

28、路差分放大電路. FET差分放大電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法與差分放大電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法與BJT差分放大電路基本相同差分放大電路基本相同,并具有相同的電路特點并具有相同的電路特點. FET差分放大電路的輸入電阻與偏置電流的特征如下差分放大電路的輸入電阻與偏置電流的特征如下:1012 (JFET)1015 (MOSFET)Rid100pA (JFET)10pA (MOSFET)I0圖圖7.23為帶恒流源的為帶恒流源的JFET差分式放大電路差分式放大電路.7.2.2 FET差分放大電路差分放大電路 1 Avd2= gmRD 2 單端輸入單端輸入單端輸出單端輸出vo2RG21M

29、 R120kvid RD110k RD210k+VDDT1VSST4T3RG11MR32.7k R23.3kIREFI0圖圖 7.23T27.2.2 FET差分放大電路差分放大電路【例例7-3】NMOSFET差分放大電路如圖差分放大電路如圖7.24所示所示,試簡述其電路試簡述其電路 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理.T2+VDDT6T7I0TREFT3T4T5T1IREF +vi1 +vi2VSS+ vo 圖圖 7.247.2.3 差分放大電路的傳輸特性差分放大電路的傳輸特性圖圖 7.25vid VTiC/I08 6 4 2 0 2 4 6 81.0 0.80.2iC1/I0iC2/I0Q線性區(qū)線

30、性區(qū)iC1 ,iC2= f (vid) 1 1 vidiC1= I0+ I0 th( ) 2 2 2VT 1 1 vidiC2= I0 I0 th( ) 2 2 2VT vidiC1iC2= I0 th( ) (7-27) 2VT7.2.3 差分放大電路的傳輸特性差分放大電路的傳輸特性1. vid= 0, iC1= iC2=I0/2, iC1/I0= iC2/I0= 0.5, iC1+iC2=I02. vidVT ， 線性線性.3. vid4VT ，非線性，非線性,呈現(xiàn)良好的限幅特性呈現(xiàn)良好的限幅特性.4. 在差分對管的射極分別串接電阻在差分對管的射極分別串接電阻RE1、RE2,可使線性區(qū)擴(kuò)大

31、可使線性區(qū)擴(kuò)大.5. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 vid T1 (T2), T2 (T1) 擊穿擊穿6. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓7.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂一、失調(diào)的概念一、失調(diào)的概念1 、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓 為了使實際的差分放大電路在零輸入時雙端輸出電壓為零為了使實際的差分放大電路在零輸入時雙端輸出電壓為零,需要人為地在輸入端加補(bǔ)償信號需要人為地在輸入端加補(bǔ)償信號,所加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電所加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓壓(Input Offset Voltage).RC1RC2+VCCT1T2I0圖圖 7.26+ VEEVO=0

32、+ VIOVIO=VBE1VBE2 (7-28) IC1 IEBS2VBE1VBE2VTln IC2 IEBS17.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂VO=0 IC1 IEBS2VBE1VBE2VTln IC2 IEBS1IC1RC1=IC2RC2RC1=RC，RC2=RC+RCIC1 RC+RC =IC2 RCIEBS1=IEBS，IEBS2=IEBS+IEBSIEBS2 IEBS+IEBS =IEBS1 IEBS X+X Xln X X RC IEBSVIOVT + RC IEBS（7-29）7.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂2 、輸

33、入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電流 對由對由BJT組成的差分放大電路，輸出端的失調(diào)還可以用輸組成的差分放大電路，輸出端的失調(diào)還可以用輸入端的電流來進(jìn)行補(bǔ)償入端的電流來進(jìn)行補(bǔ)償,這個這個補(bǔ)償電流稱為輸入失調(diào)電流補(bǔ)償電流稱為輸入失調(diào)電流(Input Offset Current).RC1RC2+VCCT1T2I0圖圖 7.27+ VEEVO=0IC1IC2 IIOIB+ 2 IIOIB 2 IB1+IB2IB= (7-31) 2 IIO= IB1IB2 (7-30)7.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂(7-32)IIO= IB1IB2 IC1 IC2= 1 2 RCIB + RC

34、 IB 3 、失調(diào)模型、失調(diào)模型 無失調(diào)無失調(diào) 差分差分放大電路放大電路RiIIO 2IIO 2 +VIORsRs圖圖 7.28 1 RsVIO=VIO +IIO 1+2Rs/Ri 1+2Rs/Ri(7-33)低阻信號源低阻信號源高阻信號源高阻信號源7.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂4、差分放大電路的調(diào)零、差分放大電路的調(diào)零圖圖 7.29 RC1RC2+VCCT1VEET2RERW+ VO (a)RC1RC2+VCCT1VEET2RERW+ VO (b) RCAvd= (7-34) rbe+(1+)RW/2 Rid=2 rbe+(1+) RW /2 (7-35)

35、7.2.4 差分放大電路的失調(diào)及其溫漂差分放大電路的失調(diào)及其溫漂二、失調(diào)的溫漂二、失調(diào)的溫漂1 、輸入失調(diào)電壓的溫漂、輸入失調(diào)電壓的溫漂 dVIO/dTVIO2 、輸入失調(diào)電流的溫漂、輸入失調(diào)電流的溫漂 dIIO/dTIIO調(diào)零電路對失調(diào)溫漂無能為力調(diào)零電路對失調(diào)溫漂無能為力.7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路一、集成運(yùn)放的組成框圖及電路符號一、集成運(yùn)放的組成框圖及電路符號 集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻、低輸集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻、低輸出電阻的多級直接耦合放大電路出電阻的多級直接耦合放大電路.其類型很多其類型很多,電路也不一樣電路也不一樣,但但結(jié)構(gòu)具

36、有共同之處結(jié)構(gòu)具有共同之處,圖圖7.30示出了集成運(yùn)放的組成原理框圖示出了集成運(yùn)放的組成原理框圖.差分輸入級差分輸入級中間增益級中間增益級輸出級輸出級偏偏 置置 電電 路路vivoCC圖圖 7.307.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 此外此外,還有一些輔助環(huán)節(jié)還有一些輔助環(huán)節(jié),如電平移動電路如電平移動電路,過載保護(hù)電路及過載保護(hù)電路及高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等. 集成運(yùn)放的電路符號如圖集成運(yùn)放的電路符號如圖7.31所示所示.vNvPvo+NPOA圖圖 7.31二、雙極型運(yùn)放二、雙極型運(yùn)放7417.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 自自1966年以來年以來,741運(yùn)放已被許多

37、半導(dǎo)體器件制造商生產(chǎn)出運(yùn)放已被許多半導(dǎo)體器件制造商生產(chǎn)出來來.從那以后從那以后,運(yùn)算放大器的設(shè)計有了很大的進(jìn)步運(yùn)算放大器的設(shè)計有了很大的進(jìn)步,但但741仍然被仍然被廣泛地用于一般的運(yùn)算放大器電路中廣泛地用于一般的運(yùn)算放大器電路中.雖然雖然741是一個相當(dāng)是一個相當(dāng)“古古老老”的設(shè)計的設(shè)計,但它對于描述一般電路的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)仍能提供有用但它對于描述一般電路的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)仍能提供有用的實例的實例. 圖圖7.32(a)給出了給出了741的原理電路的原理電路,圖圖7.32(b)給出了其簡化電給出了其簡化電路路.與大多數(shù)運(yùn)放一樣與大多數(shù)運(yùn)放一樣,它包括差分輸入級、電壓增益級、輸出它包括差分輸入級、電壓增益級

38、、輸出級和偏置電路幾部分級和偏置電路幾部分,為了便于分析為了便于分析,將整個電路分割成幾個基將整個電路分割成幾個基本電路介紹本電路介紹.7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路89圖圖 7.32 (a)2T3T4T1T2 +T12+VCC+15VT7R11k3T13T16T17R927R45k R539kVEE15VR7100R6 R31kIREF T5T615T8T9T11T1050kT22T23R850kT18T19ABT24R1022T21T20T14T15746輸入級輸出級中間級偏置電路50kRWCC30pF7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路圖圖 7.32 (b)T3T4

39、T1T2+VCC+15VT7 R11kT16T17VEE15VR750R6 R31k + vi/2 T5T6IE850kT23T20T1450kR2+VCCI3,4iC3iC5iC4iC6iO1 + vi/2 IC13Brce13IC13AT18T19 vO7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路1、偏置電路、偏置電路 主偏置電路主偏置電路: +VCCVT12R5VT11VEE. VCCVEB12VBE11+ VEE 150.70.7+15 IREF= = 733A R5 39 主偏置電路中的主偏置電路中的T11和和T10組成微電流源組成微電流源,由由IC10供給輸入級供給輸入級中中 T3

40、、T4的偏置電流的偏置電流. VT IREFIC10= ln R4 IC10 IC1020A IC10 IREFT8和和T9為一對橫向為一對橫向PNP型管型管,組成鏡像電流源組成鏡像電流源,若忽略各管若忽略各管7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路的基極電流的基極電流.則可得輸入級的偏置電流為則可得輸入級的偏置電流為: I0=IC8=IC9=IC1020A T1到到T4的靜態(tài)集電極電流為的靜態(tài)集電極電流為: IC1=IC2IC3 =IC4 =IC10/210A 注意注意:輸入級的偏置電路本身構(gòu)成反饋環(huán)輸入級的偏置電路本身構(gòu)成反饋環(huán),可減小零漂可減小零漂.T(oC) (IC3+IC4) I

41、E8 IE9 IC9 ( IB3,IB4 )IC9+(IB3+IB4)=IC10常數(shù)常數(shù)(IC3+IC4)T12和和T13組成雙端輸出的鏡像電流源組成雙端輸出的鏡像電流源.一路輸出為一路輸出為T13B的集的集7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路電極電極,作為中間放大級的有源負(fù)載作為中間放大級的有源負(fù)載. IC17=IC13B=0.75IREF550A 另一路輸出為另一路輸出為T13A的集電極的集電極 ,供給輸出級的偏置電流供給輸出級的偏置電流.從從而使而使T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)工作在甲乙類放大狀態(tài). IC13A=0.25IREF180A2 、 差分輸入級差分輸入級 輸入級由

42、晶體管輸入級由晶體管T1T7組成組成. T1、T3和和T2、T4組成共集組成共集-共共基組合差分放大電路基組合差分放大電路, 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出. T5 、T6、T7和和R1、R2、R3組成的電流源電路作為其有源負(fù)載組成的電流源電路作為其有源負(fù)載, T7用來為用來為T5、T6提提供偏置供偏置. 輸入級具有較大的差模輸入電阻和較高的電壓增益輸入級具有較大的差模輸入電阻和較高的電壓增益.7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路雖然為單端輸出雖然為單端輸出,卻具有雙端輸出的功能卻具有雙端輸出的功能.iC6= iC5= iC3= ICQ3+ ic3 iC4=ICQ4ic4 ic3

43、=ic4=iciO1=iC4iC6 =2ic T3、T4為橫向為橫向PNP型晶體管型晶體管,雖然雖然較小較小,但擊穿電壓較但擊穿電壓較大大.為輸入差動放大器提供了必要的擊穿保護(hù)為輸入差動放大器提供了必要的擊穿保護(hù). 3 、 中間增益級中間增益級 中間級由中間級由T16、T17和和T13B組成組成.T16為射極跟隨器為射極跟隨器,因此因此,中間中間級的輸入電阻很大，可降低對差動輸入級的負(fù)載效應(yīng)級的輸入電阻很大，可降低對差動輸入級的負(fù)載效應(yīng); 7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路T17為共射放大器為共射放大器,T13B作為其有源負(fù)載作為其有源負(fù)載,故中間級可獲得很高的故中間級可獲得很高的電

44、壓增益電壓增益. 741是通過連接在中間級的輸出端和輸入端之間的反饋是通過連接在中間級的輸出端和輸入端之間的反饋電容實現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)碾娙輰崿F(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)?這種密勒補(bǔ)償技術(shù)保證這種密勒補(bǔ)償技術(shù)保證741運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器形成穩(wěn)定的反饋電路形成穩(wěn)定的反饋電路.4 、 輸出級及保護(hù)電路輸出級及保護(hù)電路 輸出級是由輸出級是由T14和和T20組成的甲乙類互補(bǔ)對稱電路組成的甲乙類互補(bǔ)對稱電路.T18、T19和和R8組成組成VBE倍增電路倍增電路,用來克服交越失真用來克服交越失真; T23組成共集電組成共集電極電路極電路,作為隔離級作為隔離級,用來減小輸出級對中間級的負(fù)載效應(yīng)用來減小輸出級對中間級的負(fù)載效應(yīng),

45、保保證中間級的高增益證中間級的高增益.7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 為了防止輸入級信號過大或輸出短路而造成的損壞為了防止輸入級信號過大或輸出短路而造成的損壞,電路電路內(nèi)設(shè)有過流保護(hù)元件內(nèi)設(shè)有過流保護(hù)元件. R9、R10和和T15、T21、T24、T22組成保護(hù)組成保護(hù)電路電路.iE14 VR9 T15 iB14 iE14iE20 VR10 T21T24, T22iB16 iE20 RW為靜態(tài)調(diào)零電位器為靜態(tài)調(diào)零電位器.【例例7-4】電路如圖電路如圖7.33所示所示,設(shè)所有三極管的設(shè)所有三極管的=100,VBE=0.7V, rbe1=rbe2=5.2k, rbe3=260k, r

46、be4=rbe5=2.6k, rbe6=0.25k. (1)分析電路的直流工作狀態(tài)分析電路的直流工作狀態(tài);(2)計算電路總的電壓增益計算電路總的電壓增益.7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 vi2T3T4T1T2 +voT8+VCC+10VT7D R113.4k vi1 R213.4kT5T6T9 R819.3kR41.9kR53.5kVEE10V R79.7kR62kR35.1kIREF圖圖 7.33 7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路【解解】(1) vi1=vi2=0, vo=0 VCCVBE8(VEE)IC7=IREF = =1mA, IC1=IC2 =IC7 /2=

47、0.5mA R8 VCC (IC2R2 +VBE3 +VBE4)IR3=IR4 = =1mA R4 VCCIR3R3VBE5VBE6IE5= =1mA, R5 (VEE )IE6= =5mA R6VCE1=VCE2 = VCC IC1R1 VE=4V VCE4=VC4VE4=(VCCIR3R3)(VCCIR2R2VBE3VBE4)=3V 7.3 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路VCE6=10V(2) Av= Avd1 Av2 Av3 335 1 (R1Ri2)Avd1= 129 2 rbe1Ri2= rbe3+(1+)rbe4+(1+)R4=19.9M 2(R3Ri3)Av2= 2.6 ,

48、 Av31 Ri2Ri3=rbe5+(1+) R5+ rbe6+(1+)R6=20.8M思考思考: 判斷圖判斷圖7.33所示電路的同相端和反相端所示電路的同相端和反相端.7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 為了正確地挑選和使用集成運(yùn)放為了正確地挑選和使用集成運(yùn)放,必須搞清其各項參數(shù)的含義必須搞清其各項參數(shù)的含義.一、輸入失調(diào)電壓一、輸入失調(diào)電壓VIO VIO=(VO )/ Avo (7-36) VIO :(1 10)mV VIOVI=0 它反映了運(yùn)放電路的對稱程度和電位配合情況它反映了運(yùn)放電路的對稱程度和電位配合情況.二、輸入偏置電流二、輸入偏置電流IIBIBNIBPVO +VC

49、C VEE IIB=(IBN+ IBP)/2 (7-37)IIB : (10nA1A) IIB圖圖 7.34 7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)三、輸入失調(diào)電流三、輸入失調(diào)電流IIO IIO=IBP IBN (7-38) IIO : (1nA 0.1A) IIO它反映了輸入級差分對管的不對稱程度它反映了輸入級差分對管的不對稱程度.四、溫度漂移四、溫度漂移 1 、輸入失調(diào)電壓溫漂、輸入失調(diào)電壓溫漂VIO/T 低漂移運(yùn)放低漂移運(yùn)放:(1020)V/oC. 2 、輸入失調(diào)電流溫漂、輸入失調(diào)電流溫漂IIO/T 高質(zhì)量運(yùn)放高質(zhì)量運(yùn)放:幾幾pA/oC.7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的

50、主要參數(shù)五五、最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓VidmaxVidmax=5V （平面（平面NPN）30V （橫向（橫向PNP）六六、最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax高質(zhì)量的運(yùn)放高質(zhì)量的運(yùn)放Vicmax可達(dá)可達(dá) 13V .7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)七七、開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益Avo圖圖 7.3520lgAvo /dB20dB/十倍頻1206020100804010102103104105106107f/Hz 0f T=1.4MHzfH7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)八八、開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BW( fH )九、單位增益帶寬九、單位增益帶寬B

51、WG( fT ) fH7Hz 741: fT =Avo fH=21057=1.4MHz十十、轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 ( SR ) 轉(zhuǎn)換速率是指放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下轉(zhuǎn)換速率是指放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下,輸入為大信號時輸入為大信號時,放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率,即即 dvO(t)SR = (7-39) dtmax轉(zhuǎn)換速率的大小與許多因素有關(guān)轉(zhuǎn)換速率的大小與許多因素有關(guān),其中主要是與運(yùn)放所加其中主要是與運(yùn)放所加7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)的補(bǔ)償電容的補(bǔ)償電容,運(yùn)放本身各級運(yùn)放本身各級BJT的極間電容、雜散電容的極間電容、雜散電容,以及放以及放大電路提供的充電電流等因素有關(guān)大電路提供的充電電流等因素有關(guān).t+VimaxVimaxt+VomaxVomax圖圖 7.36 設(shè)設(shè) vi =Vim sint ， vo =Vom sint 741+R3R1R2vivo7.4 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù) dvO(t)SR = =Vom cost =2f Vom (7-40) dtt=0t =0為了使輸出電壓波形不因為了使輸出電壓波形不因SR的限制而產(chǎn)生失真的限制而產(chǎn)生失真,必須有必須有