模電考研4集成運放

4.1集成電路運算放大器的特點4.3集成電路運算放大器典型電路4.4集成電路運算放大器的主要參數(shù)第四章集成電路運算放大器4.5理想運算放大器4.2集成電路運算放大器的組成集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的工藝特點：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。4.1集成運算放大器的特點運算放大器外形圖4.2集成運算放大器的組成輸入極放大極輸出極偏置電路直耦放大電路的特殊問題——零點漂移零漂現(xiàn)象：產(chǎn)生零漂的原因：溫漂指標：由溫度變化引起的。當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。輸入Vi=0時，，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。溫度每升高1度時，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。例如若第一級漂了100uV，則輸出漂移1V。

若第二級也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設

第一級是關鍵3.減小零漂的措施

用非線性元件進行溫度補償

采用差分式放大電路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV一、結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)對稱。4.2.1基本型差動放大器ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB2023/4/12

1.差動放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時加信號。單端輸入——僅從一個輸入端對地加信號。

2.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。雙端輸出——從C1

和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。一、幾個基本概念uo=UC1-UC2

=0uo=(UC1+uC1

)-(UC2+uC2)=0當ui1

=

ui2=0

時：當溫度變化時：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2二、抑制零漂的原理+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模輸入信號：

ui1=ui2=uC

（大小相等，極性相同）理想情況：ui1=ui2

uC1=uC2

uo=0共模電壓放大倍數(shù)：（很小，<1)但因兩側(cè)不完全對稱，uo

0三、共模電壓放大倍數(shù)ACuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2差模輸入信號：

ui1=-ui2=ud

（大小相等，極性相反）(很大，>1)設uC1=UC1+uC1

，uC2=UC2+uC2

。因ui1=-ui2，

uC1=-uC2

uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2uC1

差模電壓放大倍數(shù)：+UCC四、差模電壓放大倍數(shù)Ad當電路對稱時

差模放大電壓放大倍數(shù)：

ro=2RC例:

Ad=-200

Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR

(dB)=(分貝)五、共模抑制比(CMRR)的定義例

如前圖所示的差動電路，絕對對稱，求其Aud，Auc，CMRR，rid，rod。

利用外加電源法，可求得rod=2Rc一、結(jié)構(gòu)為了使左右平衡，可設置調(diào)零電位器:4.2.2雙電源長尾式差放特點：加入射極電阻RE；加入負電源-UEE

，采用正負雙電源供電。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE雙電源的作用：（1）使信號變化幅度加大。（2）IB1、IB2由負電源-UEE提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE二、靜態(tài)分析溫度TICIE

=2ICUEUBEIBIC1.RE的作用

設ui1

=ui2

=0自動穩(wěn)定RE具有強負反饋作用——抑制溫度漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEE2.Q點的計算直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2RE–UEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IB

UC1=UC2=UCC－IC×RC

UE1=UE2

=－IB×RB－UBE

UCE1=UCE2

=UC1－UE1三、動態(tài)分析1.輸入信號分類(1)差模(differentialmode)輸入ui1=-ui2=ud(2)共模(commonmode)

輸入ui1

=ui2=uC差模電壓放大倍數(shù):共模電壓放大倍數(shù):結(jié)論：任意輸入的信號:ui1,

ui2，都可分解成差模分量和共模分量。注意：ui1

=uC

+

ud

；ui2=uC-

ud例:ui1=20mV,ui2=10mV則：ud=5mV,uc=15mV差模分量:共模分量:(一)差模輸入均壓器RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UEERE對差模信號作用ui1ui2ib1

,ic1ib2

,ic2ic1

=-ic2iRE

=ie1+

ie2

=0uRE

=0RE對差模信號不起作用RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBRE–UEEib2ib1ic2ic1iRE差模信號通路T1單邊微變等效電路uod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E1.放大倍數(shù)單邊差模放大倍數(shù):uod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1若差動電路帶負載RL(接在

C1與

C2之間),對于差動信號而言，RL中點電位為0,所以放大倍數(shù)：即：總的差動電壓放大倍數(shù)為：差模電壓放大倍數(shù):RRuodui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2Ero=2RC

ri

ri

ro輸入電阻：輸出電阻：2.輸入輸出電阻RRuoui1+UCCRCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E思考題：電路去掉RB能正常工作嗎？RB的作用是什么？(二)共模輸入RE對共模信號有抑制作用（原理靜態(tài)分析，即由于RE的負反饋作用，使IE基本不變）

。uCic1、

ic2iRE

、uRE

+UCCuocRCT1RBRCT2RBRE–UEEuCuoc2uoc1ic1ic2iREuRE共模信號通路:uocRCT1RBRCT2RB2REuc1uoc2uoc1ic1ic2uc22RET1單邊微變等效電路RCRB2REic1uc1uc2ib1ib1ie1rbe1KCMRR

AC

0問題：負載影響共模放大倍數(shù)嗎？不影響！4.2.3帶恒流源的差動放大電路

根據(jù)共模抑制比公式：恒流源的直流電流數(shù)值為

IE3=(VZ

-VBE3)/Re

可以看出：加大Re，可以提高共模抑制比。為此可用恒流源T3來代替Re

。恒流源相當于阻值很大的電阻。恒流源不影響差模放大倍數(shù)。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比。理想的恒流源相當于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比無窮大。恒流源的作用恒流源的差動放大電路分析直流通道分析（同前）交流通道分析（交流通道）差模信號交流通道及單邊微變RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2Euod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1例設UCC=UEE=12V，1=2=50，Rc1=Rc2=100k，RW=200，R3=33k，R2=6.8k，R1=2.2k，Rs1=Rs2=10k。求：

(1)求靜態(tài)工作點。

(2)求差模電壓放

大倍數(shù)。

(1)靜態(tài)工作點

設，則

差模電壓放大倍數(shù)

？思考題1.若在基本差動放大電路中增加兩個電阻Re（如圖所示）。則動態(tài)指標將有何變化？答：雙端輸出差模增益差模輸入電阻單端輸出共模增益增加了Re增加了Re四.差動放大器的輸入輸出方式

差動放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）

2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）

3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）

4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻1.雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）輸出電阻2.雙端輸入單端輸出

這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）差模輸入電阻（3）輸出電阻（4）共模電壓放大倍數(shù)共模等效電路：共模抑制比為

?

3.單端輸入雙端輸出iiidiidiciUUUUUUU21212121212-=-=-=當忽略電路對共模信號的放大作用，單端輸入就可等效為雙端輸入情況

計算同雙端輸入雙端輸出：vi1=－vi2=vi/24.單端輸入單端輸出

注意放大倍數(shù)的正負號：設從T1的基極輸入信號，如果從C1

輸出，為負號；從C2

輸出為正號。

計算同雙入單出：

(1)差模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關：

差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)

雙端輸出時：

單端輸出時：

(2)共模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關：

雙端輸出時：

單端輸出時：(3)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。

單端輸出時，

雙端輸出時，

(4)輸出電阻(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標。，或

雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：BCE復合管ib=ib1ie1=ib2ic2icie=ie2BECT1T2ic1

ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2=1ib1+2ie1

=1ib1+2(1+1)

ib1=(1+2+12)ib1

12ib112復合管的類型與第一個晶體管T1的類型相同，與第二個晶體管T2的類型無關。ib=ib1ie1ic1=ib2ic2ic=ie2icT1T2BECBCE組成復合管的條件：前級三極管的電流方向與后級三極管的電流方向一致外電壓必須保證二個三極管處在放大區(qū)，即：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。五、互補輸出級

對輸出級的要求：帶負載能力強；最大不失真輸出電壓最大，即其峰值接近電源電壓。1、互補電路1)基本電路T1、T2特性理想對稱。靜態(tài)時T1、T2均截止，UB=UE=01、互補電路1)基本電路動態(tài)ui正半周，電流通路為+VCC→T1→RL→地，uo=uiui負半周，電流通路為地→RL→T2→-VCC，uo=ui兩只管子交替工作，兩路電源交替供電，雙向跟隨。2)交越失真消除失真的方法：設置合適的靜態(tài)工作點。2、消除交越失真的互補輸出級如果信號為零時兩只管子處于臨界導通或微導通，那么當有信號輸入時兩只管子中至少有一個導通，因而消除了交越失真。要求：有合適的Q點，且動態(tài)損失盡可能小。3、準互補輸出級輸出管為同類型晶體管。＋－u-－u+uo集成運算放大器符號－＋＋∞反相輸入端u－同相輸入端u+輸出端uo國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小4.3典型運算放大器

1.輸入失調(diào)電壓Vio

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。3.4集成運算放大器的主要參數(shù)2.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。

4.輸入失調(diào)電流

Iio

：在輸出為零時，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

：輸入電壓為零時，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。5.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。

6.最大差模輸入電壓Vidmax

7.最大共模輸入電壓Vicmax

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。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。

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。

11.－3dB帶寬

fH

：運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：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

4.4理想運算放大器開環(huán)差模電壓增益AV0=∞差模輸入電阻Rid=∞輸出電阻R0=0共模抑制比KCMR=∞電壓傳輸特性實際非線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)的兩個重要特點輸入端的電壓相等虛短U+=U-

輸入端的流入電流為零虛斷I+=I-非線性區(qū)的兩個重要特點U+>U-UO=+UCCU->U+UO=-UCC

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，還有適應不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術(shù)指標上比較突出。根據(jù)運算放大器的技術(shù)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。4.5特殊集成運算放大器

一.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