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第四章集成運(yùn)算放大器電路1集成電路:60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型器件,把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作在一塊半導(dǎo)體芯片(如:硅片)上,做成具有特定功能的獨(dú)立電子線路。外型一般用金屬圓殼或雙列直插結(jié)構(gòu)。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(diǎn)。集成運(yùn)放:是一種模擬集成電路,早期實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算,主要用于模擬計(jì)算機(jī);現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中。24―1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)1.級(jí)間只能采用直接耦合方式(集成工藝不能制作大電容和電感);2.盡可能采用有源器件代替無(wú)源器件(避免使用大電容、大電阻);3.利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改善電路性能

(采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的差動(dòng)放大器,抑制工作點(diǎn)漂移,解決零漂現(xiàn)象)。3圖4―1集成運(yùn)算放大器組成框圖差動(dòng)放大器負(fù)載為有源負(fù)載的共射放大器射隨器或互補(bǔ)射隨器提供各級(jí)偏流和有源負(fù)載44―2電流源電路1、為各級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流2、可用為有源負(fù)載代替集電極電阻RC。電流源的作用:5一、單管電流源電路IC0IBUCER1R2ICR3-UEEICRo

(a)晶體管的恒流特性(b)電流源電路(c)等效電流源表示法圖4―2單管電流源電路6圖4―3鏡像電流源二、鏡像電流源IB1IB22IB17圖4―4多路鏡像電流源IB5IE5IC18IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC圖4―5多集電極晶體管鏡像電流源(a)三集電極橫向PNP管電路(b)等價(jià)電路集成電路中多路鏡像電流源的實(shí)現(xiàn)9三、比例電流源圖4―6比例電流源10室溫下,當(dāng)兩管的射極電流相差10倍時(shí):若β>>1,則IE1≈Ir,IE2≈IC2僅為此時(shí)兩管UBE電壓(>0.7V)的10%。因此,UBE1≈UBE2。11四、微電流電流源RrIrIC2V2V1UCCR2圖4―7微電流電流源當(dāng)β1>>1時(shí),

IE1≈Ir,IE2≈IC2已知Ir=1mA,要求IC2=10μA時(shí)12五、負(fù)反饋型電流源圖4―8威爾遜電流源13若三管特性相同,則β1=β2=β3=β,利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻Ro為:較大的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻;輸出電流受β的影響也大大減小優(yōu)點(diǎn)14六、有源負(fù)載放大器UCCV3V2uoV1uiRr圖4―10有源負(fù)載放大器(a)共射電路(b)具有倒相功能的共射電路UCCV3V2ΔIC1V1iΔIC3ΔIC2uoIu154―3差動(dòng)放大電路

4―3―1零點(diǎn)漂移現(xiàn)象對(duì)直接耦合放大電路,在輸入信號(hào)為零(靜態(tài))時(shí),由于溫度變化,電源波動(dòng)等因素的影響,會(huì)使工作點(diǎn)電壓(即集電極電位)偏離設(shè)定值而緩慢地上下飄動(dòng)。16圖4―11放大器的零點(diǎn)漂移等效輸入漂移電壓輸出漂移電壓等效輸入漂移電壓限制了放大器所能放大的最小信號(hào)。零點(diǎn)漂移衡量指標(biāo):等效輸入漂移電壓ΔUip

UCCRCΔUCRBΔUip=+_17

4―3―2差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析+UCCRCRBUBBREuouiRC+UCCuouiUBBREE18RC+UCCuouiUBBREERC1RC2RB1RB2UBBUBBui1ui2RE1RE2+UCC(C)19RB2RB1RC1RC2-UEEui1ui2REuoV2V1+UCCRC1RC2RB1RB2UBBUBBui1ui2RE1RE2+UCCuoV2V120UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo圖4―12基本差動(dòng)放大器令Ui1=Ui2=0時(shí)則流過(guò)RE的電流I為故有靜態(tài)分析21UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo結(jié)論:靜態(tài)時(shí),差動(dòng)放大器兩輸出端之間的直流電壓為零。22UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo一、差模放大特性+Uid1Uid2--Uid=Uid1-Uid2+RE上只有靜態(tài)電壓,而不產(chǎn)生差模信號(hào)電壓。雙端輸出時(shí),負(fù)載RL的中點(diǎn)電位為0。23圖4―13基本差動(dòng)放大器的差模等效通路-+Uod1+-Uod2+-RL2RL2V2V1++Uid1Uid2--Uid=Uid1-Uid2+-RCRCUod24

1.差模電壓放大倍數(shù)所以在雙端輸出時(shí)式中:結(jié)論:雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)等于單邊共射放大器的電壓放大倍數(shù)。25UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo單端輸出時(shí):信號(hào)只從一端輸出。26或RCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REV1V2-+UodUid=Uid1-Uid2式中:27RCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REV1V2-+UodUid=Uid1-Uid2結(jié)論:?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)的差模電壓放大倍數(shù)為單邊共射電路電壓放大倍數(shù)的一半,且兩輸出端信號(hào)的相位相反。282.差模輸入電阻-+Uod1+-Uod2+-RL2RL2V2V1+-RCRCUodUid1Uid2Iid29-+Uod1+-Uod2+-RL2RL2V2V1+-RCRCUodUid1Uid2Iid

3.差模輸出電阻雙端輸出時(shí)為單端輸出時(shí)為30二、共模抑制特性UCCRCUC2RLRCUC1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo+Uic1--+Uic2Ui1UiC31 雙端輸出時(shí),負(fù)載RL上的電流為零,相當(dāng)于RL開(kāi)路。 對(duì)共模信號(hào)而言,每個(gè)管子的射極相當(dāng)于各接有2RE的電阻共模等效通路32RCUoc2RCUoc1UicV1V2-+Uoc+-2RE圖4―14基本差動(dòng)放大器的共模等效通路R2E331.共模電壓放大倍數(shù)Auc單端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)通常滿(mǎn)足(1+β)2RE>>rbe,所以上式可簡(jiǎn)化為雙端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)34結(jié)論:由于射極電阻2RE的存在,使單端輸出時(shí)的共模電壓放大總倍數(shù)大為減小。即差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)不是放大而是抑制,且RE↑→抑制作用越強(qiáng)。差動(dòng)電路能夠克服零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的根本原因: 共模信號(hào)一般指由于外界影響(β,T,UCC),引起工作點(diǎn)的漂移,折算到輸入端就是一種共模信號(hào),雙端輸出時(shí),只要對(duì)稱(chēng)性好,則UOC=0,可以完全抑制外界的干擾。單端輸出時(shí),由于RE的調(diào)節(jié)作用使輸出大為減少。35

2.共模輸入電阻

3.共模輸出電阻雙端輸出時(shí)為單端輸出時(shí)為RCUoc2RCUoc1UicV1V2-+Uoc+-2RER2E36三、共模抑制比KCMR差模:需要放大的有用信號(hào),盡可能的放大。共模:無(wú)用的干擾信號(hào),需要抑制。為了衡量差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,通用共模抑制比來(lái)衡量。37

KCMR實(shí)質(zhì)上是反映實(shí)際差動(dòng)電路的對(duì)稱(chēng)性。 理想情況下:在雙端輸出理想對(duì)稱(chēng)的情況下,Auc=0,KCMR→∞。 為了定量分析,通常用單端輸出的KCMR。38四、對(duì)任意輸入信號(hào)的放大特性UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo++~~3940UCCRCUC2RLRCUC1RE-UEEV1V2-+Uo+~~+~~4142在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)只有一路信號(hào)源接到差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端時(shí):如兩端都不接地,這種接法稱(chēng)為雙端輸入;如信號(hào)源一端接地,這種接法稱(chēng)為單端輸入。43

4―3―3具有電流源的差動(dòng)放大電路基本差動(dòng)放大器,存在兩個(gè)缺點(diǎn):一是共模抑制比做不高若UEE=15V,則室溫下,KCMR(單)的上限約為300,而與RE的取值無(wú)關(guān)。UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo44二是不允許輸入端有較大的共模電壓變化。公共射極電位變化差放管的靜態(tài)工作電流變化rbe改變UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE-UEEV1V2-+Uo45RCRCUi1V1V2-+UoUi2-UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2-+Uoc-UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC圖4―15具有電流源的差動(dòng)放大器電路(a)用單管電流源代替RE的差動(dòng)電路(b)電路的簡(jiǎn)化表示恒流源46靜態(tài)工作點(diǎn)的估算:RCUC2RCUC1Ui1V1V2-+Uoc-UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC47一、共模抑制比可做的非常高;二、允許輸入端有較大的共模電壓變化。Auc≈0、Auc(單)≈0KCMR、

KCMR(單)高電流源的輸出電阻非常大rbe幾乎不變48 上述章節(jié)討論的電壓增益往往是小信號(hào)情況下的分析,在大信號(hào)情況下,差動(dòng)電路的工作情況又如何?4―3―4差動(dòng)放大器的傳輸特性

傳輸特性定義:差動(dòng)放大器輸出電流或輸出電壓與差模輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。49圖4―16簡(jiǎn)化的差動(dòng)放大器RCRCuidV1V2-+uo-UEEIUCC-+iC2iC150圖4―16簡(jiǎn)化的差動(dòng)放大器RCRCuidV1V2-+uo-UEEIUCC-+iC2iC151——電流傳輸特性52——電壓傳輸特性53iC1,iC2IiC1iC2iC1iC2-6UT/-4UT-2UT02UT4UT6UTuidQI2(a)電流傳輸特性曲線RCRCuidV1V2-+uo-UEEIUCC-+iC2iC154(b)電壓傳輸特性曲線uoIRC-6UT/-4UT-2UT02UT4UT6UTuid-IRCRCRCuidV1V2-+uo-UEEIUCC-+iC2iC11、兩管集電極電流之和恒等于I2、傳輸特性具有非線性特性55一、兩管集電極電流之和恒等于I二、傳輸特性具有非線性特性當(dāng)uid=0時(shí),差動(dòng)電路處于靜態(tài),這時(shí)iC1=iC2=ICQ=I/21.在靜態(tài)工作點(diǎn)附近,當(dāng)|uid|≤UT,即室溫下,uid在26mV以?xún)?nèi)時(shí),傳輸特性近似為一段直線。2.當(dāng)|uid|≥4UT,即uid超過(guò)100mV時(shí),傳輸特性明顯彎曲,而后趨于水平。56(RB)(RB)V1V2RR-UEEI(a)串接R(RB)的線性區(qū)擴(kuò)展電路圖4―18擴(kuò)展差動(dòng)電路的線性區(qū)范圍57iC1,iC2I①②I/2R↑(RB↑)0uid圖4―18擴(kuò)展差動(dòng)電路的線性區(qū)范圍(b)線性區(qū)擴(kuò)展后的電流傳輸特性曲線58三、差動(dòng)放大器可以實(shí)現(xiàn)模擬乘法器RCRCuidV1V2-+uo-UEEIUCC-+iC2iC1若差模輸入電壓uid<<2UT≈50mV,則:如果電流源I由某一輸入電壓uy控制59三、差動(dòng)放大器可以實(shí)現(xiàn)模擬乘法器若差模輸入電壓uid<<2UT≈50mV,則:ux+-uyRrI-+60

4―3―5差動(dòng)放大器的失調(diào)及溫漂一、差動(dòng)放大器的失調(diào)當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí),由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對(duì)稱(chēng),因而使得輸出不為零。這種現(xiàn)象,稱(chēng)為差動(dòng)放大器的失調(diào)。輸入失調(diào)電壓——UIO

輸入失調(diào)電流——IIO。補(bǔ)償方法:人為的在輸入端加補(bǔ)償電壓或電流,61RC+ΔRCRCUiV1V2-+Uo-UEEIUCCIB2+--+I(xiàn)IO2IIO2UIOIB1圖4―19差動(dòng)電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電流RSRS62(1)失調(diào)電壓UIO主要由RC和發(fā)射結(jié)的失配引起,并與溫度成正比。(2)電阻的失配約為1%,發(fā)射結(jié)反向飽和電流的失配約為5%,即,影響失調(diào)電壓的因素 室溫下,按典型值計(jì)算得的UIO約等于1.5mV——UIO的典型值63影響失調(diào)電流的因素電阻的失配約為1%,β失配約為10%失調(diào)電流IIO主要由β的失配大小決定,約為0.1IB

64RCRCV1V2-+Uo-UEEIUCCRWRSRSRCV1V2-+Uo-UEEIUCCRWRSRSRC圖4―20差動(dòng)放大器的調(diào)零電路

(a)射極調(diào)零(b)集電極調(diào)零65

二、失調(diào)的溫度漂移 調(diào)零電路可在某一特定溫度下,使輸出為0。但失調(diào)會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生變化,所以仍存在零點(diǎn)的溫度漂移現(xiàn)象。 調(diào)零電路可以克服失調(diào),但不能克服溫漂。66UIO的溫漂與該溫度下的UIO的大小成正比。IIO的溫漂主要取決于β的溫度系數(shù)和IIO本身。674―4集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路UCCUoV1V2RL-UCC-++Ui-圖4―21互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)型射極68圖4―22交越失真產(chǎn)生的原因及波形硅管導(dǎo)通電壓,約為0.5V,在0.5~-0.5V之間,兩管的輸出電流近似為零。69RCVD1VD2V1V2V3UCCUi+-RL-UEERCV1V2V3UCCUi+-AI1I2R1R2BRL-UEEV4圖4―23克服交越失真的互補(bǔ)電路(a)二極管偏置方式(b)模擬電壓源偏置方式70+UCC–UEEuou–u+集成運(yùn)放的電路符號(hào)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端“+”表示同相輸入端“-”表示反相輸入端714―5集成運(yùn)放電路舉例4―5―1集成運(yùn)算放大器F00772V8V92V1V23V3V4V7ΔIC3ΔIC4ΔIC5V5V6ΔIC61R11kR350kR21k5R43.2kV10V12V13V114.5kC30pR539kR7R67.5kV16V17V15VD1VD2V19V18R850R925V147(+15V)64(-15V)ΔI0圖4―24F007電路原理圖7374

4―5―2專(zhuān)用型集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介一、高輸入電阻型集成運(yùn)放二、高精度集成運(yùn)放三、高速寬帶型集成運(yùn)放四、高壓型集成運(yùn)放五、低功耗型集成運(yùn)放754―6MOS集成運(yùn)算放大器圖4―25CMOS結(jié)構(gòu)示意圖764―6―1MOS集成運(yùn)放中的基本單元電路一、MOS有源負(fù)載放大器

77V2UDD+-V1UoUi+-V2UDD+-V1UoUi+-EGUDD+-V1UoUi+-V2圖4―26三種MOS有源負(fù)載放大器(a)E/E型NMOS電路(b)E/D型NMOS電路(c)CMOS電路78gm1Uirds1rds21gm21gmB2+-Uo+-Uigm1Uirds1rds21gmB2+-Uo+-UiUigm1rds1rds2+-Uo+-Ui圖4―27三種MOS放大器的交流等效電路(a)E/E型(b)E/D型(c)CMOS79E/E型NMOS電路80E/D型NMOS電路CMOS電路81二、MOS管鏡像電流源圖4―28MOS管鏡像電流源82三、MOS管差動(dòng)放大器圖4―29CMOS差動(dòng)放大器83四、MOS管輸出級(jí)電路1.源極輸出器84V1UDD+-V2UoUGGUi+-Ugs1gm1rds1rds2+-Uo+-Ui1gmB1Ugs1+-G1S1D2D1G2S2圖4―30NMOS源極輸出器(a)電路(b)交流等效電路85圖4―325G14573運(yùn)放電路原理圖4―6―2CMOS集成運(yùn)算放大器5G14573864―7集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)一、輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO二、失調(diào)的溫漂

三、輸入偏置電流IIB四、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

五、共模抑制比KCMR87六、差模輸入電阻Rid七、共模輸入電阻Ric八、輸出電阻Ro九、輸入電壓范圍十、帶寬

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