第6章 集成運算放大器

1、第六章 集成運算放大器 集成電路：把元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。集成電路的特點:1 同一片內(nèi)元件參數(shù)與其標(biāo)稱值之間的絕對誤差較大，但元件參數(shù)的比值有良好精度，溫度均勻性好。2 電阻元件由硅半導(dǎo)體的體電阻組成，阻值為幾十幾十千歐。高阻值電阻由恒流源代替。3 電容用結(jié)電容或 sio2介質(zhì)電容，容量小，集成電路中大都采用直接耦合電路。4 三極管多用硅管，二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)。5 多用復(fù)合結(jié)構(gòu)和組合電路。集成運算放大器是一種直接耦合的高增益的多級放大電路。6-1 集成運算放大器中的恒流源電路恒流源電路：提供恒定輸出電流的電路。 特點：輸出電流的精度高， 溫度穩(wěn)定性好， 電流不

2、隨輸出端電壓變化而變化。 (等效交流輸出電阻大) 作用：為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流， 作放大器的有源負(fù)載。 1 鏡像恒流源電路鏡像恒流源電路 電路特點：T1 ,T2兩管參數(shù)完全相同。 VBE1=VBE2 IB1=IB2 IC1=IC2 IR=(VCC-VBE)/R IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC2/ IC2 =IR/(+2)當(dāng)2時,IC2IR= (VCC-VBE)/R VCC/RT1VCCRRCIRIC12IBIC2T2T3減小IB的分流，提高鏡像精度。Re3VCCT1RIRIC1IBIC2T2T32 微電流源微電流源VBE1=VBE2+IE2Re2IC2IE2=(VBE1-VB

3、E2)/Re2=VBE/Re2 VBE很小，用不大的Re2可得到微小的電流。 IR IE1=IES1eVBE1/VT IC2IE2=IES2eVBE2/VT VBE= VBE1-VBE2=VTln(IR/IES1)-ln(IC2/IES2)=VTln(IR/IC2)IC2=(VT/Re2)ln (IR/IC2)T1VCCRRe2IRIC12IBIC2T23 比例恒流源電路比例恒流源電路VBE1+IE1RE1=VBE2+IE2RE2VBE1- VBE2 =IE2RE2 -IE1RE1VBE1= VTln(IE1/IES)VBE2= VTln(IE2/IES)VBE1-VBE2= VTln(IE1

4、/IE2)VTln(IE1/IE2)= IE2RE2 -IE1RE10.1IE1/IE210|VTln(IE1/IE2)|0 , iC1, vC1 設(shè)增量為-v vi20, iC1 , vC1 增量為viC2 , vC2 理想對稱時，增量仍為vvo=vC1-vC2=0電路的對稱性及恒流偏置使共模增益很小。理想情況共模增益為零。差分式放大電路放大差模信號，抑制共模信號。vovi2VCCRCRCvi1I0ro-VEEiC1iC2且iC1+iC2=I0 iC1、iC2的變化極小。（理想恒流源iC1、iC2變化為0）vi1 0 vi2 0 vo 0 vo1 0 VC1 vo1 0 VC1 iE1 0

5、IE1 iE1 0 IE1 vovi2VCCRCRCvi1I0ro-VEEiC1iC2r0相當(dāng)于相當(dāng)于2r0 iE = 2 iE1 = 2 iE2零點漂移零點漂移：放大器無輸入時，（輸入端短路）輸出電壓仍然有緩慢的變化。（漂移）在直接耦合放大器中，前級漂移將被逐級放大。產(chǎn)生漂移的主要原因：溫度變化導(dǎo)致工作點變化。溫漂指標(biāo)：溫度每升高1度，輸出端的漂移電壓折算到輸入端的等效輸入電壓。在差分式電路中，溫度的變化、電源的波動會使兩管的集電極電流、集電極電壓產(chǎn)生相同方向的變化，相當(dāng)于在差分管的兩輸入端加入共模信號。由于差分放大器有很強的抑制共模信號的能力，零點漂移很小，特別適合作多級直接耦合放大器的輸

6、入級。2 抑制零點漂移的原理3 主要技術(shù)指標(biāo)的計算差模輸入交流通路vovi2VCCRC1RC2vi1I0ro-VEEIC1IC2(1)差模電壓增益設(shè): vi1=-vi2vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1RCvi1差模輸入單邊交流通路vovi2RCRCvi1iC1iC2vo1vo2iiA 雙端輸入、雙端輸出雙端輸入雙端輸出的差模電壓增益與單邊共射放大電路的增益相同。如果在輸出端接負(fù)載RL,則負(fù)載的中點相當(dāng)于交流接地Ri=vid/ii=2vi1/ii=2rbeRo=2RC2211ibeCoibeCovrRvvrRvbeLCbeLVDrRRrRA)2/()(2121iibeCooovvrRv

7、vvbeCiioVDrRvvvA21B 雙端輸入、單端輸出雙端輸入單端輸出差模增益是單邊共射放大電路增益的一半。在輸出端接負(fù)載RLRi=(vi1-vi2)/ii=2vi1/ii=2rbeRo1= Ro2=RC2211ibeCoibeCovrRvvrRvvo1vi2RCRCvi1iC1iC2vo2iibeLCbeLVDbeLCbeLVDrRRrRArRRrRA2)/(22)/(221beCiioVDbeCiioVDrRvvvArRvvvA2221222111C 單端輸入vi1vevbe2ic2vBE1=vi/2vBE2= -vi /2等效輸入電路單端輸入時，差模增益與雙端輸入近似相同。iE1+i

8、E20可以 近似認(rèn)為ro是交流開路的。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevirbe1rbe2EB1B2 vBE1=-vBE2=vi /2=vid/2差模輸入電阻與輸入輸出方式無關(guān)：ic1Ri=2rbeAVD= -RC/rbe (雙端輸出)AVD1=-RC/2rbe (單端反相輸出)AVD2=RC/2rbe (單端同相輸出)vi1= vi/2+ vi/2vi2 = -vi/2+ vi/2vid= vi1- vi2= vivic=vi/2在忽略共模增益時，單端輸入差模增益與雙端輸入近似相同。差模增益只與輸出方式有關(guān)。viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevi1vi2利用疊加求單

9、端輸入差模增益輸出電阻也只與輸出方式有關(guān)。雙端輸出：Ro=2RC單端輸出： Ro1=Ro2=RCvo=AVD vid+ AVC vic AVDvid= AVD vi(2) 共模電壓增益viiC1 iC2 iro=2 iC1共模輸入單邊等效交流電路viRC1RC2vo1vo2iC1iC2roevivi1vi2雙端輸出：viiC1 iC2 vo1 vo2 vo= vo1 - vo2 =0單端輸出：viRC1vo1iC12roevi1Ric=(1/2)rbe+(1+)2ro rooCobeCVCrRrrRA22)1(1AVC=0表征差分放大電路放大差模信號，抑制共模信號的能力。 KCMR=|AVD/

10、AVC| 或 KCMR (dB)= 20lg |AVD/AVC|雙端輸出: KCMR=單端輸出: KCMR(單)= (RC/2rbe)/ (RC/2ro )=ro/rbe差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，放大電路的性能越好。(3) 共模抑制比KCMR)1 (idCMRicidVDicVCidVDovKvvAvAvAv4. 具有電流源的差分放大電路具有電流源的差分放大電路6.2.1 基本差分式放大電路基本差分式放大電路（RL 均為均為10k ）先求先求Q點點： 比例電流源比例電流源1.875mA)6V(0.6V021REF RRI0.375mA12REFE3 RRII0.1875mA21E3C

11、2C1 III 8.66kbe2be1rr2100k)/(14213be33ce3o3berRRRrRrr T1 +6V vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 T3 T4 IREF R2 480 R3 2.4k Rs 50 R1 2.4k + vo 200 6V RP + vo2 ro3 T1 +6V vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 200 6V RP + vo2 IE3 ro3 例題例題1已知：已知： =60、VBE=0.6V、rce= 100k 。設(shè)調(diào)零電位器設(shè)調(diào)零電位器RP的動端在中間位置。的動端

12、在中間位置。 (1) 雙端輸出的雙端輸出的AVD、KCMR ； (2) 單端單端vo2輸出的輸出的AVD2、KCMR2 ； (3) Rid 、Ric ； 4.4kbe3r求：求： 解：解： (1) 雙端輸出的雙端輸出的AVD、KCMR ； T1 +6V vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 200 6V RP + vo2 IE3 ro3 0=ico2o1icoVC vvvvvA CMRK交流通路交流通路 T1 +6V vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 200 6V RP + vo2

13、IE3 ro3 VS1s1o1s2s1o2o1idoVD=Av2v2vvvvvvA 解：解： 2162RP/1rRR21Rs.)()/(beLc1 例題例題1 T1 vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 100 RP/2 + vo2 100 RP/2 差模交流通路差模交流通路 T1 vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 100 RP/2 + vo2 2ro3 100 RP/2 2ro3 共模交流通路共模交流通路 T1 vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50

14、Rs 50 + vo 100 RP/2 + vo2 100 RP/2 差模交流通路差模交流通路例題例題1解：解： (2) 單端單端vo2輸出的輸出的AVD2、KCMR2 ； T1 vs1 RC1 20k + vs2 T2 RC2 20k Rs 50 Rs 50 + vo 100 RP/2 + vo2 2ro3 100 RP/2 2ro3 共模交流通路共模交流通路VS2s2o2s2s1o2idoVD221=Av2vvvvvvA 5132RP1rRRR21s./)()/(beLc2 VS2s2o2icoVC2=AvvvvA )/)()/(beLc3osr22RP1rRRR 33o1061r2RR

15、./Lc).(VCVDCMRdB6788500AAK 29.5k/)(be2RP1r2Rid )/)(21o3ber22RP1rRic M128 T3 RL 20k +15V Rc 20k vo IC5 T4 + vs1 + vs2 Rp100 IC1, 3 + T1 T2 Rc 20k Rs 100k Rs 100k Re3 5.4k R2 4k 15V R1 6k IREF T5 例題例題2 =50、VBE=0.6V、rce5=200k 。求：求： (1) 差模輸入電阻差模輸入電阻Rid、輸出電阻輸出電阻Ro、差模電、差模電壓增益；壓增益； (2) 共模輸入電阻共模輸入電阻Ric和和共模抑

16、制比共模抑制比KCMR。 5. 幾種接法性能對比幾種接法性能對比VDAVCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出idRicRoR5. 幾種方式指標(biāo)比較幾種方式指標(biāo)比較輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR6-2-2 FET差分式放大電路T2vo2iD2iD1VDD12VVSS-12VR120KR23.3KRd110KRd

17、210KRg21MR32.7KRg11MIREFI0iE3vidT1T3T4IREF=(VDD-VSS-VBE)/(R1+R2)=1mAI0=IREFR2/R3=1.2mAID1=ID2=I0/2=0.6mA 單端輸入同相單端輸出T3,T4,R1,R2,R3組成比例恒流源電路,為T1,T2提供直流偏置.。RdsgRgdAVD1=vo2/vid=gmRd/26-2-3 差分式放大電路的傳輸特性輸出電流iC1,iC2隨差模輸入電壓vid的變化曲線.用來確定差分式放大器的線性區(qū)TBETBEVvESECVvESECeIiieIii212211 Vid VT線性區(qū)VT Vid 4VT限幅區(qū)0212121

18、IiieiiCCVvvCCTBEBETidTidVvCVvCeIieIi/02/0111差分放大器除放大小信號外，還可以作整形電路、電壓比較器、限幅電路等。6.3.1 簡單的集成電路運算放大器簡單的集成電路運算放大器集成電路集成電路 運算放大器運算放大器直接耦合直接耦合 多級放大電路多級放大電路符號：符號：特點：特點： 電壓增益高（差模）電壓增益高（差模）輸入電阻大輸入電阻大輸出電阻小輸出電阻小讀讀圖圖6.3.1 簡單的集成電路運算放大器簡單的集成電路運算放大器例題例題inout直接耦合直接耦合 多級放大電路多級放大電路差分輸入級雙差分輸入級雙入單出入單出中間放大級復(fù)中間放大級復(fù)合管共射合管共

19、射輸出級輸出級 2級共集級共集鏡像電流源鏡像電流源輸入級偏置輸入級偏置鏡像電流源鏡像電流源T5的偏置的偏置+ +- - + + +- - - -反相端反相端同相端同相端（1）放大電路的直流分析）放大電路的直流分析例例6.3.1 已知：當(dāng)已知：當(dāng)vi1 = vi2 = 0時，時，vo = 0 ； = 100；VBE = 0.7V 。1mA)(8EEBE8CCREFC7 RVVVII 差分輸入級差分輸入級5mA. 021C7C2C1 III4V)7V. 0()(2C2CCCE2 RIVV 中間放大級中間放大級1mA)2()(4BE2C2CCR4R3 RVRIVII4R43R3CCBE2R2CC3R

20、3CCE4C4CE4)()2()(3VRIRIVVRIVRIVVVV B5C3C4R3IIII )(B3C3C4R4IIII （1）放大電路的直流分析）放大電路的直流分析例例6.3.1 已知：當(dāng)已知：當(dāng)vi1 = vi2 = 0時，時，vo = 0 ； = 100；VBE = 0.7V 。1mA0)(5BE6BE53R3CCE5 RVVRIVI 輸出級輸出級5mA)(06EEE6 RVI0.96mA)(07EEDR7C9E5 RVVIII直流電平移動直流電平移動Vo = VB5- -VBE5 - -VR5 - -VBE6= VB5- -2VBE IC9R5動態(tài)分析計算增益的兩種方法 RSVSv

21、o1Ri2 RLvoRinvo2Ri1法一：計算前級時，后級的輸入電阻作為前級的負(fù)載電阻，求帶負(fù)載的增益。3212312211,VVVVooVooVioVAAAAVVAVVAVVARLRo3voo3vovo1voo1Ro1RSVSRi2vo2Ri1Ri3Ro2voo2法二：對前級只求開路增益，然后將前級視為后級的信號源，前級輸出電阻為后級信號源內(nèi)阻，對后級求源增益。3212312211,VsVsVOVoooVsooooVsiooVOAAAAVVAVVAVVA（2）放大電路的輸入、輸出電阻）放大電路的輸入、輸出電阻例例6.3.1 rbe1= rbe2=5.45k ，rbe3 =262k ，rbe

22、4= rbe5=2.8k ，rbe6=725 =100rce=200k Rid=Ric=Ro2=Ri2 =19.9M Ro1= rbe3 + (1+ )rbe4 +(1+ )R4 Ri3 =10.6M 0.41ko3R763559ce6611RrRrrR )/(/bebe2rbe1 =10.9k 0.5rbe1 +(1+ )2rce7 =20M R2=14.3k R3=5.1k = rbe5 + (1+ )R5 + rce9 / rbe6 +(1+ )R6 （3）放大電路的總增益）放大電路的總增益例例6.3.1 V3V2VDc4oc2c4i2i1c2VAAAvvvvvvvA 129=)/(=b

23、e2bei22 r2Rr2RR Ri2 =19.9M R2VT2i2c2i2i1c2VD21=Av2vvvvA )()(/)(4be4be3i33V2R1r1riRRi1iA3b43b33b3 2.6i23 RR43 335 VA1 3VARi3 =10.6M 動態(tài)分析計算增益的兩種方法 RSVSvo1Ri2 RLvoRinvo2Ri1法一：計算前級時，后級的輸入電阻作為前級的負(fù)載電阻，求帶負(fù)載的增益。3212312211,VVVVooVooVioVAAAAVVAVVAVVARLRo3voo3vovo1voo1Ro1RSVSRi2vo2Ri1Ri3Ro2voo2法二：對前級只求開路增益，然后將前級視為后級的信號源，前級輸出電阻為后級信號源內(nèi)阻，對后級求源增益。3212312211,VsVsVOVoooVsooooVsiooVOAAAAVVAVVAVVARi3=rbe5+(1+5)R5+rbe6+(1+6)R