模擬電路(6)修改

第五章集成運算放大器恒流源復合管差動放大電路集成運算放大器習題解答5.1集成放大器的符號和外形(a)(b)(a)國家標準符號(b)原符號運算放大器外形圖5.2.集成運放的主要技術指標運算放大器靜態(tài)參數(shù)運算放大器動態(tài)參數(shù)（1）運算放大器靜態(tài)參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓Vio：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。2.輸入失調(diào)電流

Iio：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。3.輸入偏置電流IB：(inputbiascurrent)運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。運算放大器靜態(tài)參數(shù)6.輸入失調(diào)電壓溫漂

dVio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。7.輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.最大差模輸入電壓Vidmax

：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。5.最大共模輸入電壓Vicmax

：(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。（2）運算放大器動態(tài)參數(shù)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。2.差模輸入電阻rid：(inputresistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd與共模電壓增益Avc之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)4.－3dB帶寬

fH：(-3dBbandwidth)運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH。運算放大器動態(tài)參數(shù)5.單位增益帶寬

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd下降到1時所對應的頻率，定義為單位增益帶寬fc。6.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)—(slewrate)反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為：7.等效輸入噪聲電壓Vn——(noisevoltage)輸入端短路時，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對應5.3集成運放結(jié)構集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖所示。

輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點?；パa輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。5.3集成運放的基本組成部分5.3.1偏置電路偏置電路的作用是向各放大級提供合適的偏置電流，確定各級靜態(tài)工作點。在集成運放中，常用的偏置電路有以下幾種：1、鏡像電流源2、比例電流源3、微電流源1.鏡象電流源優(yōu)點：只要T1和T2的構造相同，IC1≈IR，結(jié)構簡單，具有一定的溫度補償作用;缺點：輸出電流太大，且受電源電壓、RO和VBE的影響。RL2.比例電流源因兩三極管基極對地電位相等，于是有:

IC2與IR成比例關系。優(yōu)點：結(jié)構簡單，溫度補償作用好。缺點：當直流電源VCC變化時，輸出電流幾乎按同樣規(guī)律變化，不適用于直流電源在大范圍內(nèi)變化的集成電路。若輸入級要求提供微安級的偏置電流，則所用電路將達到兆歐級，在集成電路中無法實現(xiàn)。

3.微電流源IC2與IR的關系（當VBE1>>VT時）：RL微電流源一般有IS1=IS2，所以：因為ΔVBE小，所以IC2<<IR；同時IC2的穩(wěn)定性也比IR好。RL5.3.2差分式放大輸入級差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構成的。對稱的含義是兩個三極管的特性一致，電路參數(shù)對應相等。即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RC12-VEE2.差分放大電路的輸入輸出方式差分放大電路一般有兩個輸入端：同相輸入端：根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個輸入端加上一定極性的信號，如果所得到的輸出信號極性與其相同，則該輸入端稱為同相輸入端。反相輸入端：反之，如果所得到的輸出信號的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。12-VEE差分放大電路的輸入輸出方式差分放大電路可以有兩個輸出端，一個是集電極C1，另一個是集電極C2。從C1和C2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或C2

對地輸出稱為單端輸出。信號的輸入方式：

若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；若信號僅從一個輸入端對地加入，稱為單端輸入。12-VEE3.差模信號和共模信號

差模信號vid是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相反的信號。vid=vi1–vi2

共模信號vic是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。

12-VEE差分放大電路能放大差模信號，抑制共模信號。差模信號和共模信號溫度和電源電壓的波動對三極管電路的影響（零漂）相當于在兩個輸入端加入了共模信號4.差分放大電路的靜態(tài)計算靜態(tài)時，vi1=vi2=0，由于電路完全對稱，vBE1=vBE2=0.7V所以靜態(tài)時，vid=0，vo=012-VEE5.差分放大電路的差模動態(tài)計算差分放大電路的差模工作狀態(tài)分為四種:1.雙端輸入、雙端輸出（雙----雙）2.雙端輸入、單端輸出（雙----單）3.單端輸入、雙端輸出（單----雙）4.單端輸入、單端輸出（單----單）主要討論的問題有：差模電壓放大倍數(shù)：差模輸入電阻Rid輸出電阻Ro(1)雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)純差模輸入時，流過Re的動態(tài)電流大小相等方向相反，其和為0，所以其上的動態(tài)壓降也為0。這時的Re相當于虛短或虛斷。而流過負載RL的電流大小相等方向一致，所以這時接在兩輸出端的負載相當于原來的一半。虛短(2)雙端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù)雙端輸入單端輸出因只利用了一個集電極輸出的變化量，所以它的差模電壓放大倍數(shù)是雙端輸出的二分之一。虛短(3)單端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)從圖中看出，虛短(4)單端輸入單端輸出差模電壓放大倍數(shù)~~~~從圖中看出，虛短(5)差模輸入電阻和輸出電阻差模輸出電阻：

單端輸出：

Ro=RC

雙端輸出：

Ro=2RC差模輸入電阻：不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。Rid=2r

be虛短6.差分放大電路共模分析：共模放大倍數(shù)Avc和共模抑制比KCMR計算共模放大倍數(shù)Avc時，由于兩個輸入信號相等，Re等效為2Re。Avc的大小，取決于差分電路的對稱性，雙端輸出時等于零。單端輸出時交流通路如圖所示。2Re6.差分放大電路共模分析：共模放大倍數(shù)Avc和共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR：或雙端輸出時由于Avc等于零，KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：為了提高共模抑制比應加大Re。但Re加大后，為保證工作點不變，必須提高負電源，這是不經(jīng)濟的。7.恒流源差分放大電路可用恒流源T3來代替Re。恒流源電流數(shù)值為：IE=(VZ

-VBE3)/Rero≈(1+β)rce恒流源動態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。同時恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提高負電源之值。這種電路稱為恒流源差分放大電路，電路如圖所示。恒流源差分放大電路指標8.場效應管組成的差分放大電路電路Rd110kRd210kRg21MRg11MR32.7kR120kR23.3kVDD12V-VSS-12Vvidvo2T1T2T3T4比例電流源9.差分放大電路的輸出電壓vo輸入信號：vi1，vi2共模輸入：vid=vi1–vi2差模輸入：例如：vi1=10mV，vi2=15mv則：vid=10-15=-5mVvic=(10+15)/2=12.5mVvi1=12.5+(-5/2)=10mVvi2=12.5-(-5/2)=15mV差分放大電路例題1vi1vi2vo例1:=50，求(1)靜態(tài)工作點(2)Ad,Ro和差模輸入電阻Rid例題1靜態(tài)分析例題1動態(tài)分析差分放大電路例題2v+VCCT1T2+RRR_-V+_RCviLe6oEEe3T3T4T5T6C4R6805.1K35015010K10V-10V第一級第二級例1：=100，rbb‘=100，靜態(tài)時vo=0V(1)計算靜態(tài)電流(2)計算差模放大倍數(shù)例題2靜態(tài)分析例題2動態(tài)分析§6.4集成運算放大器集成運放結(jié)構集成放大器的符號和外形運算放大器靜態(tài)參數(shù)運算放大器分類集成運放電路分析1.集成運放結(jié)構集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖所示。

輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。互補輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。2.集成放大器的符號和外形(a)(b)(a)國家標準符號(b)原符號運算放大器外形圖3.運算放大器參數(shù)運算放大器靜態(tài)參數(shù)運算放大器動態(tài)參數(shù)（1）運算放大器靜態(tài)參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓Vio：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。2.輸入失調(diào)電流

Iio：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。3.輸入偏置電流IB：(inputbiascurrent)運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。運算放大器靜態(tài)參數(shù)6.輸入失調(diào)電壓溫漂

dVio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。7.輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.最大差模輸入電壓Vidmax

：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。5.最大共模輸入電壓Vicmax

：(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。（2）運算放大器動態(tài)參數(shù)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。2.差模輸入電阻rid：(inputresistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd與共模電壓增益Avc之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)4.－3dB帶寬

fH：(-3dBbandwidth)運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH。運算放大器動態(tài)參數(shù)5.單位增益帶寬

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd下降到1時所對應的頻率，定義為單位增益帶寬fc。6.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)—(slewrate)反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為：7.等效輸入噪聲電壓Vn——(noisevoltage)輸入端短路時，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對應4.運算放大器分類為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，發(fā)展了適應不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術指標上比較突出。根據(jù)運算放大器的技術指標可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。通用型運算放大器高速型和寬帶型高精度(低漂移型）高輸入阻抗型低功耗型和功率型通用型運算放大器通用型運算放大器的技術指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741(A741)為例，輸入失調(diào)電壓1～2mV、輸入失調(diào)電流20nA、差模輸入電阻2M，開環(huán)增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75、共模輸入電壓范圍13V、轉(zhuǎn)換速率0.5V/s。高速型和寬帶型

用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357高精度(低漂移型）

用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。例如：OP177

CF714

高輸入阻抗型

用于測量設備及采樣保持電路中。

例如：AD549

CF155/255/355

低功耗型和功率型低功耗型用于空間技術和生物科學研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36W。OP290在0.8

V電壓下工作，功耗為24W。CF7612在5

V電壓下工作，功耗為50W。功率型這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個安培以上。例如：LM12TP14655.集成運放電路分析差分放大電路復合管電流源互補對稱輸出電路運放的輸出級結(jié)構T1、T2補對稱分別組成射極跟隨器vivo交越失真RLT2T1vO+VCC-VEEvI運放的輸出級結(jié)構無交越失真互補對稱功率電路RLT2T1vO+VCC-VEED1D2Rb1vIRb2集成運算放大器電路分析741的電路原理如P246圖6.3.3(a)T1~T4：共集-共基差放；T16、T17：復合管組成共射放大電路；T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)。T10、T11組成微電流源，T10集電極為T3、T4提供基極偏置電流；T5~T7：鏡像電流源，作有源負載；T12、T13構成雙輸出的鏡像電流源，T13B為復合管T16、T17提供集電極電流，并作為有源負載；T13A為輸出級提供工作電流，使T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)。T8、T9組成鏡像電流源，為T1、T2提供集電極電流；R6起分流作用R6起分流作用T18、T19：組成VBE倍壓電路，相當于兩個二極管，為T14、T20提供起始偏壓；T24組成射極跟隨電路，起緩沖作用，以減小輸出級對中間放大級的負載效應。T15、T21、T22、T23：組成過流保護電路T15、T21、T22、T23：組成過流保護電路。當正向電流（流過T14發(fā)射極電流）過大時，T15導通使T14基極電流減小；當負向電流（流過T20發(fā)射極電流）過大時，T21導通，同時T22、T23均導通，降低T16、T17的基極電壓，使T17的集電極和T24的發(fā)射極電位上升，從而時T20截止以達到保護目的。集成運算放大器電路分析輸入級：T1~T4：共集-共基差放；T5~T7：鏡像電流源，作有源負載；偏置電路：T10、T11組成微電流源，T10集電極為T3、T4提供基極偏置電流；T8、T9組成鏡像電流源，為T1、T2提供集電極電流；T12、T13構成雙輸出的鏡像電流源，T13B為復合管T16、T17提供集電極電流，T13A為輸出級提供工作電流，使T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)。集成運算放大器電路分析輸出級：T18、T19：組成VBE倍壓電路，相當于兩個二極管，為T14、T20提供起始偏壓；T24組成射極跟隨電路，起緩沖作用，以減小輸出級對中間放大級的負載效應。T15、T21、T22、T23：組成過流保護電路。當正向電流（流過T14發(fā)射極電流）過大時，T15導通使T14基極電流減小；當負向電流（流過T20發(fā)射極電流）過大時，T21導通，同時T22、T23均導通，降低T16、T17的基極電壓，使T17的集電極和T24的發(fā)射極電位上升，從而時T20截止以達到保護目的。中間級：T16、T17：復合管組成共射放大電路；R6起分流作用；T13B：為T16、T17提供集電極電流的同時做有源負載；集成運算放大器結(jié)構集成運算放大器電路分析T10、T11組成微電流源T8、T9組成鏡像電流源T12、T13構成雙輸出的鏡像電流源T18、T19：組成VBE倍壓電路T5~T7：鏡像電流源，作有源負載；理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)(負反饋）下工作。6.理想運算放大器的特性(1)虛短由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在10V～14

V。因此運放的差模輸入電壓不足1

mV，兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等?！疤摱獭笔侵冈诜治鲞\算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。理想運算放大器的特性

(2)虛斷由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1M以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1

A，遠小于輸入端外電路的電流。故通常可把運放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。7.運放應用實例實例1：有一理想運算放大器組成的電路如圖所示，試求輸出電壓的表達式和電壓放大倍數(shù)。

解：根據(jù)虛斷I'i0，故V+0。且IiIf根據(jù)虛短，V+V-

0

Ii=

(Vi－V-)/R1Vi/R1

Vo

－IfRf=－ViRf/R1電壓增益

Avf=Vo/Vi=－Rf/R1根據(jù)上述關系式，該電路可用于反相比例運算。運放應用實例實例2：有一理想運算放大器組成的電路如圖所示，試求輸出電壓的表達式和電壓放大倍數(shù)。解：根據(jù)虛斷，Vi=V+根據(jù)虛短，Vi=V+V-

V+=Vi=VoR1/(R1+Rf)

Vo

Vi[1+(Rf/R1)]

電壓增益Avf=Vo/Vi=1+(Rf/R1)根據(jù)上述關系式，該電路可用于同相比例運算。例3：電路如圖，靜態(tài)時，Vo=0。求R=？T5T6T3T4R83.6KR95.1KR310KR410KR51.8KR21MR66KR76KRvi+15V-12VT1T2R11Mvo解：(1)靜態(tài)分析：IC3=IC4=2mAVR5=2IC4R5=7.2VVR3=VR4=VR5+VBE3=7.9V例3靜態(tài)分析ID1=ID2=0.79mAVR8=VR