06集成运算放大器

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1、返回第六章集成运算放大器运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路。由丁该电路最初是用丁数的运算，所以称为运算放大器。虽然运算放大器的用途早已不限丁运算，但仍沿用此名称。把整个运算放大电路集成起来，成为集成运算放大器，简称集成运放。目前，集成运放的放大倍数可高达107倍(140dB),集成运放工作在放大区时，输入与输出成线性关系，乂称线性集成电路。模拟集成电路按其特点可分为：运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路以及其它种类的集成电路。也可将几个集成电路和一些元件组合成具有一定功能的模块电路。集成运放和分立元件组成的具有相同功能的电路相比具有以下特点：由丁集成工艺不能制作大容量的电

2、容，所以电路结构均采用直接耦合方式。为了提高集成度和集成电路的性能，一般集成电路的功耗要小，这样集成运放各级的偏置电流通常较小。集成运放中的电阻元件是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围有一定的限制，一般是几十欧姆到几万欧姆，电阻阻值太大或太小都不易制造。在集成电路中，制造有源器件(晶体三极管、场效应管)比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不麻烦，因此在集成电路中大量使用有源器件来组成有源负载，从而获得大电阻。提高放大电路的放大倍数；还可以将有源器件组成包流源，以获得稳定的偏置电流。二极管常用三极管代替。集成电路中各元件的绝对精度差，但相对精度高，故对称性好，特别适宜制

3、作对称性要求高的电路。集成电路中，采用复合管的接法，以改变单管的性能。集成运放的原理框图如右下图所示，由4个主要部分组成输入级：短路保护电路等有两个输入端，一个输入端与输出端成同相关系，一个输入端同输出端成反相关系。温度漂移要小。中间级：主要完成电压放大任务输出级功率放大偏置电路向各级提供稳定的静态的工作电流。另外还有一些辅助电路：电平偏移电路1零点漂移输入交变信号为0时的输出电压值被称为放大器的零点。0点不一定为0,但希望它为0零点漂移的原因：直接耦合使得各级Q点互相影响，如果前级Q点发生变化，则会影响到后级的Q点。由丁各级的放大作用,第一级微弱变化将经过多级放大器的放大,使输出端产生很大的

4、变化。环境温度的变化而引起工作点的漂移。由丁上述原因，当输入短路时，输出将随时间缓慢变化，这种输入电压为0,输出电压偏离零点的变化称为零点漂移。零点漂移的危害：测量误差、淹没真正信号、使自动控制发生错误动作。零点漂移的衡量：零点漂移一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。怎样克服零点漂移，最有效的措施之一就是采用差动放大电路2差动放大电路-、基本形式差动放大电路的基本形式差动放大电路的基本形式如图所示。对电路的要求：两个电路的参数完全对称，两个管子的温度特性也完全对称。该电路是靠电路的对称来消除零漂的。该电路对输入信号的放大作用乂如何呢？输入信号可有两种类型：共模信号和差模信号1. 共模信号及共

5、模电压放大倍数Auc共模信号：Uici=Uic2o共模信号通常都是无用信号O共模信号对两管的作用是同向的,共模放大倍数Auc=0=0Uic说明当差动放大电路对称时，对共模信号的抑制能力特强。2. 差模信号及差模电压放大倍数Aud差模信号：指放大器两个输入端的信号电压之差TT+&(b)差模信号Uid=UiiUi2当电路对称时1Uidi=Uid2=1Uid2所以有时把差模信号定义为幅度相等而极性相反的一对信号。据图推导差模电压放大倍数：UA=oi设：1Uii是Vi管的电压放大倍数，因电路全对称，所以有、f=A单Uo=UoiU2=AuiUii一Au2Ui2=Au单(Ui-Ui2)Ui2是V2管的电压

6、放大倍数。该式说明，当两个输入信号有差别时，有信号电压输出；当两个输入信号完全相同时，输出电压为00由些可见，完全对称的差动放大器只能放大差模信号，不能放大共模信号，这正是差动放大器名称的来由。差模放大电压放大倍数：UoA单(U“Um)阻A=Aj单由一UidUUi2RsReRl=Rc/(Rl/2)基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极C1、C2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而实际电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂，所以，基本差动电路存在如下问题。 由丁电路难丁绝对对称，所以输出仍然存在零漂。 由丁每一个管子没有采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分大时

7、，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。 在实际工作中，常常需要对地输出，即从C1或C2对地输出(单端输出)，而这时的零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。对此，我们提出长尾式差动放大电路。二、长尾式差动放大电路长尾式是动放大电路Rs1=R，=Rs长尾式放大电路，乂称为发射极耦合差动放大电路。如图所示，两管通过发射极电阻Re和UEE耦合。1. 静态工作点的稳定性静态时，输入短路，由丁流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和，且电路对称，Ie1=Ie2,故UeE-UbE=2匕&yRs1乂IIB1一11UEE_UbEUEE一UbeUEEIE=IE。=122R2Re2Re所以1：由上

8、式可以，V1与V2的发射极静态电流与V1及V2的参数几乎无关，所以认为当V1与V2的参数随温度变化时，IE1与IE2基本不变。可见该电路的静态工作点要比基本差动电路稳定得多。这是因为Re引入了直流电流负反馈，其反馈强度等丁V1管及V2管的发射极支路中各接入一个2Re电阻产生的负反馈强度。2. 对共模信号的抑制作用差动放大器对共模信号的抑制能力可以用共模电压放大倍数Auc的大小来衡量，Auc越小，共模抑制能力越强。长尾式差动放大电路共模交流通路长尾式差动放大电路仍具有对称性，当绝对对称时，若采用双端输出方式，Auc=0o由上图还可以看出：Vi管的发射极共模电流lelc和V2管的发射极共模电流Ie

9、2c以相同方向流过Re,在Re两端形成较大的共模电压降，所以Re对共模信号能产生很强的申联电流负反馈。由丁负反馈会使放大倍数下降，因此，即使电路不完全对称或采用单端输出方式，长尾式差动放大电路的共模电压放大倍数也很小。可见，长尾式差动放大器对共模信号的抑制能力要比基本差动电路高的多。每个单管的情况：因为在共模信号的作用下，Vi与V2的发射极共模电压Ue共=。知+1GRe=21cRe=21e2CRe，所以，在Vi与V2的发射极公共支路接入的电阻Re,可以等效地看作在每一个管子的发射极支路中，各接入一个2Re的电阻。如上图（b）所示。由丁2Re的负反馈作用，使每一个单管放大器的共模放大倍数大大下降

10、，共模输出大大减小，共模抑制能力大大提高。由丁差动放大器输出端的零点漂移可以等效地看作在输入端加了一对共模信号，并在输出端产生共模输出，所以共模抑制能力提高，同时也表明抑制零点漂移的能力提高。（a）差模电流情况（b）差模交流E路长尾电路差模信号工作情况长尾式差动电路，既能有效地抑制共模信号，乂能有效地克服零点漂移。3. 对差模信号的放大作用在差模信号的作用下，长尾电路的工作状况如图所示，图中标出的各电流、电压的指向是规定正方向。在此规定正方向下，若电路绝对对称，则两管的差模输入电压Uidi=-Uid2，两管的发射极电流leid=-Ie2d,所以流过期作废Re的差模电流为Ied=Ie1d+Ie2

11、d=Ie1dIe1cF0所以Re两端无差模电压降。因此，在画差模交流通路时，应当把Re视为短路。由丁Re两端无差模电压降，所以Re对差模信号不产生反馈。可求得Aud=-Rsrbe三、差动放大器的主要指标1.差模电压放大倍数Aud差模电压放大倍数Aud是在差模输入信号的作用下，产生输出电压Uod与差模输入电压Uid之比，即U如A-od气d_UUid2.共模电压放大倍数Auc共模电压放大倍数Auc是在共模输入信号的作用下，产生输出电压Uoc与差模输入电压Uic之比，即A=oc%U.ic在Aud不变的条件下，Auc越小，共模抑制能力越强，零点漂移越小。3.共模抑制比CMRRCMRR=CommonMo

12、deRejectionRatio共模抑制比共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数是差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的绝对值之比，即CMRR=CMR=20lgAudAuc鱼Auc(dB)CMRR可以更确切地表明差动电路的共模抑制能力。4. 差模输入电阻ridrid是差动放大器对差模信号呈现的等效电阻。在数值上等丁差模输入电压Uid与差模输入电流Iid之比。r一Uidrf5.差模输出电阻rodrod是在差模信号作用下差动放大器相对丁负载电阻Rl而言的代文宁电源的内阻；或者说是要差模信号作用下从Rl两端向放大器看去的等效电阻。在数值上等丁在差模输入信号的作用下，输出开路电压与输出短路电流之比

13、。二dIo0d6.共模输入电阻ricric是差动放大器对共模信号源呈现的等效电阻，在数值上ric等丁共模输入Uicric电压Uic与共模输入电流Iic之比，即Iic【例】如图所示的长尾式差动电路绝对对称，求其Aud,Auc,CMRR,rid,rod和象。id=Aj所单Uoi-IbiRL一：Rl1-(Rc/zRl)AucUiiocUicIb1(Rsrbe)RsrbeRsrbeUidUii1idUic0=0UicCMRR=Aud-Ui2Ibid(Rsrbe)-Ib2d(Rsrbe)Ibid1bdIbid(Rs屁)Ibid(Rs辰)=2(Rs辰)ricUicIbic(Rsrbe)(i-)(IbicI

14、b2c)ReIIIbicIb2cIIIbicIb2cIbic=Ib2c,所以iric=：（Rs辰）（i）Re2若共模输入信号的接入方式如下图（b）,则因为，在共模信号的作用下,ricUicIic(Rsbe)2(i：)IicReIicIIIb)cIb2c%=Rs而2(i)Re利用外加电源法，可求得rod=2Rc(a)两输入端连在一起(b)输入端分开两种共模信号接入方式roc=2Rc四、具有调零电路的差动放大器为了克服半导体三极管Vi、V2和电路元件参数不对称所造成的输出直流电压Uo0的现象，电路中常增加调零电路。(a)为发射极调零电路，(b)为集电极调零电路。要注意RW的接入对指标参粗)发射极调

15、零也)集电极调零具有调零电路的差动放大电路数的影响。对发射极调零电路:A/AudpRs凶（12id=2Rsf（1两输入端连在一起时的共模输入电阻1_ric=2【Rs府(1两输入端分开时的共模输入电阻（1：）ReRs顷（号球五、包流源差动放大器长尾式差动放大电路，由丁接入Re,提高了共模信号的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈强。若Re增大，则Re上的直流压降增大，为了保证管子的正常工作，必须提高电源电压，这是不合算的。为此希望有这样一种器件，它的交流电阻r大，而直流电阻R小。包流源就有此特性。恒流源的电流.电压特性UUr=：R=IIA-&T（a）电路（b）恒流源等效电路恒流源差动放大电路将长尾式

16、中的Re用包流源代替，即得包流源差动放大电路，如下图所示。包流源电路的等效电阻，与放大电路的输出电阻相同，其等效电路也如下图所示，按输入短路，输出加电源Uo,求出Io,则包流源的等效电阻为r=%o3IoUo=(Io-Ib3)rce(IoIb3)R3、(晶R1/R2)(IoIb3)氏=0_R33一一而R3R1/&*r03R3Uo=(1)rceR3(beR1/R2)rbeR3Ri/R2R3_)rcerbeR3Ri/R2六、-=80rce=100rbe=1Rr-4.5PJ。3UEE=UBE2Uce3Ie3R31E1=IE21E3I223=R2=6R3=55般输入情况如果差动放大电路的输入信号，既不是

17、共模信号也不是差模信号，即Ui1Ui-12Q,乂应如何处理呢？此时可将输入信号分解成为一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输入端。设差动放大电路的输入为Ui1和Ui2,则差模输入电压Uid是二者之差，即Uid=Ui1Ui2Uid1=Uid2-Ui2)共模输入电压Uic为二者的平均值UiiUi22Uh斗Uid1icUi2=Uic-Uid1按叠加原理，输出电压为U。=AudUidAucUic七、差动放大电路的四种接法由丁差动放大电路有两个输入端和两个输出端,下四种方式。1.双端输入，双端输出所以信号的输入、输出有以+Ucc玦差模电压放大倍数为a-U。_RLdUiRsrbeR；=

18、巳/色其中Lc2差模输入电阻和输出电阻扇=2(Rs+g)命财2氏共模电压放大倍数功Io-+1-0戏1A-4双端输入,双端输出每一管的差动信号为Auc共模抑制比为CMRRT82. 双端输入、单端输出双端输入、单端输出由丁只从V1的集电极输出，所以输出的电压只有双端的一半，即差模电压放大倍数为AUo1R.Aud单=Ui2尺rbe此处R.=RRl如果从V2管输出，仅是Uo的相位与前者相反，即去掉负号。3. 输入电阻为rid=2（尺rbe）输出电阻为rod：、Rc共模电压放大倍数为双端输入、单端输出单rbeRs2（1：）Re共模抑制比为-ReRsrbeAd|Rsbe2（1：）Re1（1：）尺CMRR|

19、Auc2（Rsrbe）2Rsrbe单端输入、双端输出单端输入，双端输出如图所示，Ui仅加在V1管输入端，V2管输入端接地;或者Ui仅加在V2管输入端，V1管输入端接地，这种输入方式称为单端输入。Uid=Ui1-Ui2=UiUi1%=1u2Udid2Uid2Uic.1.Ui1=UicUid121Ui1=UicUid22Ui2S1 1UiUi2 21 1二Ui=Ui2 2单端输入，双端输出当忽略电路对共模信号的放大作用，单端输入就可等效为双端输入情况，故双端输入，双端输出的结论均适用单端输入，双端输出。这种接法的特点是：可把单端输入的信号转换成双端输出，作为下级的差动输入，适用丁负载两端任何一端不

20、接地，而且输出正负对称性好的情况。4. 单端输入、单端输出单端输入、单端输出按前面同样的方法，可得出它与双端输入、单端输出等效。这种接法的特点是：它比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力，而且可根据不同的输出端，得到同相或反相关系。综上所述，差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输单端输入.单端输出出，它的差模放大倍数与单管基本放大电路相同；如为单端输出，它的电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半，输入电阻都是相同的。例：电路如图所示，设Ucc=Uee=12V,Pi=E2=50,Rci=Rc2=100kD,Rw=20g,R3=33kQ,R2=6.8kQ,Ri=2.2kQ,Rs

21、i=Rs2=10o(1) 求静态工作点。(2) 求差模电压放大倍数。求rl=100g时，差模电压放大倍数。(4)从Vi管集电极输出，求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设点=50骸)解：(1)静态工作点UriRl(UccUEE)=-224=5.87Vcc2.26.8R2设瞄3=0创，则Ur3=5.87-0.6=5.27VIE=妲=芭：0.16mA=160AE3R3331,Ie=IE2=IE3=80二AI223IEiICiIEIc2Uci=Uc2=UccTciRci=12-0.08100=4VIIT血IC180Ir=Ib2=1.6A1i50%=Ub2=-匕饵0”oL-mVO.OW所以一般估算

22、时，认为Ub：、0UE1斗2=-雌1UB1)=-(0.6V0.016V)=-0.616V=UCe2=UC1_Ue1=4_0.616Y.4VE2uceCE1(2)差模电压放大倍数Aud膈=rbbRe262626=305116.9k1I0.08AjdEl50100-1561016.9510.1-、Rl当RL=100kQ时:Rl=RC1/：=100/50：33.3k15033.3Aud=-521016.9510.1(4)当单端输出时(从V1管集电极输出)2R&rbe(1-：)号=RC/RL=50k5050RlAud单=-391016.9510.1单端输出时，共模电压放大倍数为Auc单=Rs%(12r

23、o3)RL=RC/RL=50k”R3ro3=(1r.RR)cerbe3R3R1R2:2626rbe=rbb，(1)4=300518.6k1勺bbIe30.165033ro=(1)501.961061038.6331.750501016.9513800-0.013390.013=3000CMR=20lg=20lg300069.5dB3电流源电路一、镜像电流源电路113)镜像电流源(b)镜像电流源等鼓电路电路如下图所示根据二极管的伏安特性方程qUId=Is(/-1)流过V1管发射结的电流qUBE11dei=1(ekT1-1)流过V2管发射结的电流qUbe2Ide2=l&(ekT2-1)由丁两管特性

24、相同，所以有1s1=1s2Ti=T2UBE1=UBE21DE1=1E2由上图(b)得：1R=1DE11B2=1E21B2=1C21B21B222=W2EC2=(1”C2当62时l:?l1RIC2乂因为当UCCAAUBE2时UCCCCRR所以我们得出，当62,UccUbe2时Io=IC2该电路的输出动态电阻约为：0ce2该电路的缺点：受电源的影响大。难丁做成小电流的电流源。电流源的输出电阻还不够大。Io与Ir近似相等，精度不高。二、威尔逊电流源(a)威尔逊电流源(b)咸尔逊等效电路威尔逊电流源是为了在低的情况下仍能获得较好的镜像特性而设计的。电路如下图：图中Vi、V2、V3的特性完全相同。V1与

25、V3工作在放大状态；V2相当于个由发射结构成的二极管。Rl是后级电路的等效电阻。由上面可知:I=IDE2Eii=ii=ii=iIIIE31B1IDE21B11E11B11B11C1.221B1IC1:IC1乂因为PIc一Ie一1eC3e31E3_:2：_2-1C3-1I，I，1C1-1：1C1乂由图可见1Ci=Ir_|b3=Ir_3lIC3=IR(仁)-222当(62+26+2)2时1。=1C3UCC-UBE3-UBE2比例电流源pr。,rce3三、比例电流源上面讨论的都是I。等丁Ir的镜像电流源，但是在模拟集成电路中也常常需要I。不等丁Ir的包流源。其常用电路如右图所示，它是在基本镜像电流源

26、的两个三极管的发射极上分别申接了两个电阻。由丁Vi与V2的特性完全相同，所以有UBE1一吨Ucc-i电R庞R匕如不在此范围内用下式估算E1Re1=UBE21E2RE2当lE1与电相差不大（小丁10倍）时，可以近似地认为UBEi=UBE21E吨=1E2RE2当61时匕=G岫6=扁1E=1R一1B21R所以有：Ir%1屈I。UCC_UBE1UCC-UBE1RReRR,0.1：%10I。在M的范围内%：UT：IRr。要比V2的本身的输出电阻rce21IRlRRe2RRe2Io由丁Re2引入了电流负反馈，所以输出电阻大的多，可以求得为：R2Re2rbe2四、微电流源为了得到微安量级的输出电流，而乂不使

27、限流电阻过大，可采用如右图所示的电路。R为限流电阻，凡2用来控制I。的大小。由图可知UBE2=UBE1_1E2Re2调节Re2的值，使Ube2UBEiIe2i所以：Rl微电流源IB21E21lE2k=亳2=1E2一21E2因为Ib2Ie2：Ie1,所以I=IIIIRIE1IB2iE1可见，10I1R定量分析如下:由电路图可知IE2Re2-UBE1-UBE2由二极管的伏安方程可得Ubei：UTln产Ube由丁Vi与V2特性相同，所以Isi=IS2,可得:UTln弟1S2IUBE1一UBE2=UTlnEiE2代入上面公式得IElE2Re2=UTln1IE2因为Ie2女1。IeIr=ic：也InR2

28、Re2io由电路图可得UCC-uBEiUcc1R、ccRR当参考电流Ir和所需的输出电流Io确定后，可求出Re2及限流电阻R的值五、多路电流源用一个参考电流去控制多个输出电流，就构成了多路电流源，如下图所示。图中，Vi与V2,V2与V3分别构成微电流源，V2与V4构成基本镜像电流源。可见V2为参考电流。多路电流源常用丁集成电路中作偏置电路,同时给多个放大器提供偏置电有源负载共射极放大器多路电流源流。六、作为有源负载的电流源电路包流源在集成电路中除了设置偏置电流外，还可以作为放大器的有源负载，以提高电压放大倍数。我们知道，放大电路的电压放大倍数正比丁负载电阻RlRL=Rc/Rl可见，提高Rc可提

29、高放大倍数。但Rc增大,会影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替电阻Rc,将有效地提高该级的电压放大倍数。4集成运算放大器介绍5集成运放的性能指标1、开环差模电压放大倍数AodAod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数，即：Uid对丁集成运放而言，希望Aod大，且稳定。目前可达到140dB（107倍），理想集成运放认为Aod为无穷大2、最大输出电压Uop-p最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。F0073、差模输入电阻ridrid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。的rid=2MQ,理想运放的rid认为无穷大。4、输出电阻roro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力，理想运放的r。为零。5、共模抑制比CMRRCMRR=0。CMRR反映了集成运放对共模信号的抑制能力，理想运放的Ibid若共模输入信号的接入方式如下图（a）,则