第三章差分放大器.ppt

第三章集成运算放大器 1 差分放大器2 集成运算放大器的基本单元电路3 集成运算放大器的典型电路和参数 集成运算放大器 高增益的直接耦合的集成的多级放大器 集成电路的工艺特点 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特别有利于实现需要对称结构的电路 2 集成电路的芯片面积小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大电阻 需要大电阻时 往往使用有源负载 4 只能制作几十pF以下的小电容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大电容 只有外接 5 不能制造电感 如需电感 也只能外接 什么是集成运算放大器 集成运放的外型封装结构 集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装 如上图所示 金属壳封装有8 10 12管脚等种类 双列直插式有8 14 16管脚等种类 双列直插式以缺口为辨认标记 由器件顶上向下看 标记朝向自己 标记右方第一根引线为引脚1 然后逆时针围绕器件 依次数出其余引脚数 直接耦合放大电路的特殊问题 零点漂移 零漂现象 产生零漂的原因 零点漂移的衡量方法 由温度变化引起的 当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时 这种变化量会被后面的电路逐级放大 最终在输出端产生较大的电压漂移 因而零点漂移也叫温漂 输入ui 0时 输出有缓慢变化的电压产生 将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算 例如 若输出有1V的漂移电压 则等效输入有100uV的漂移电压 假设 第一级是关键 3 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差分 动 放大电路 等效100uV 漂移1V 3 1差分 动 放大器 3 1 1基本差分 动 放大器 1 结构 该电路采用两个相同参数的BJT 其外围电路完全相同 即电路两边完全对称 2 抑制零点漂移的原理 Vo VC1 VC2 0 当vi1 vi2 0时 当温度变化时 VC1 VC2 设T Ic1 Ic2 Vc1 Vc2 Vo Vc1 Vc2 0 3 静态工作点的计算 4 电路特性的分析 两个基本概念 共模信号和差模信号 1 共模信号 大小相等 极性相同的按共同模式变化的信号 主要指不希望放大的漂移信号或干扰信号 用vic 输入共模信号 voc 输出共模信号 表示 2 差模信号 大小相等 极性相反的信号 主要指希望放大的有用信号 用vid 输入差模信号 vod 输出差模信号 表示 实际上 对于任何输入信号和输出信号 都是差模信号和共模信号的合成 1 差模放大倍数 双端输入 双端输出 单管共发射极基本放大器 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 双端输入 双端输出 单管共发射极基本放大器 Rc Rc T1 T2 差模输入时的交流通路 双端输入 单端输出 2 共模放大倍数 双端输入 单端输出 3 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 其值越大 对共模信号抑制能力越强 放大器性能越好 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 4 输入电阻和输出电阻 差模输入电阻和输出电阻 双端输入 双端输出 共模输入电阻和输出电阻 双端输入 单端输出 等效很大的交流电阻 直流电阻并不大 恒流源使共模放大倍数减小 而不影响差模放大倍数 从而增加共模抑制比 恒流源的作用 3 1 2带恒流源的差分 动 放大电路 加大RE 可以提高共模抑制比 为此可用恒流源T3来代替RE 共模抑制比 静态工作点 动态 恒流源等效电阻 带恒流源的差 分 动放大电路 等效很大的交流电阻 3 2集成运算放大器的基本单元电路 集成电路是20世纪60年代初发展起来的一种新型器件 它采用半导体集成工艺 把众多晶体管 电阻 电容及连线制作在一块硅片上 做成具有特定功能的独立电子线路 与分立元件电路相比 集成电路具有性能好 可靠性高 体积小 耗电少 成本低等优点 因此在很短时间内得到飞速发展并获得了广泛应用 集成运算放大器是一种模拟集成电路 由于早期主要用于模拟计算机 实现各种数学运算 由此而得名 并沿用至今 今天 集成运放的应用已远远超出模拟运算 一 集成电路的分类 按集成度分类 SSI 含有十几到几十个元 器件 硅片面积约十平方毫米 MSI 含有一百到几百个元 器件 硅片面积约几平方毫米 LSIVLSI 集成度已突破1亿元 器件 片 按功能分类 模拟集成电路 集成运放 集成功放 集成稳压器等数字集成电路 二 集成运放的总体结构 国际符号 国内符号 原理电路 通用型集成运放uA741 F007 特点 1 输入阻抗高 2 T3 T4为横向PNP管 可承受几十伏的反向电压 3 2 1 差分输入级 IC IC1 IC2 hfe1IB hfe2 1 hfe1 IB hfe1 hfe2 1 hfe1 IB 为减小IB 提高输入电阻 T1 T2采用复合三极管 hfe IC IB hfe1 hfe2 1 hfe1 hfe1hfe2 第4级 互补对称射极跟随器 第3级 单管放大器 集成运放内部结构 示例 极性判断 3 2 2 中间级 T3 T4组成镜像电流源 作T1 T2的负载 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益 1 镜像电流源 基准电流 无论T2的负载如何变化 IC2的电流值将保持不变 电流源电路 因为 所以 2 微电流源 1 电流小 因为 UBE小 微电流源的特点 2 电流稳定 电流负反馈 3 多路电流源 工作原理 ui为正半周时 T1管工作 T2管截止 输出uo为正 ui为负半周时 T2管工作 T1管截止 输出uo为负 两管交替工作 在负载电阻RL上得到完整的正弦波 1 互补对称射极输出电路 3 2 3 中间级 输入输出波形图 死区电压 2 克服交越失真的互补对电路 静态时 T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 以消除交越失真 电路中增加D1 D2 工作原理 3 3集成运算放大器的典型电路和参数 分析 1 偏置电路 T12 R5和T11构成了主偏置电路 产生基准电流 其他偏置电流都与基准电流有关 T10 T11和R4组成微电流源 通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流 T12和T13管构成多支路电流源 T13管是多集电极三极管 其集电极电流和的大小比例为3 1 B路作为中间级的有源负载 A路为输出级提供偏置 2 输入级 T1 T2和T3 T4管组成共集一共基复合差动输入电路 其中T1和T2管作为射极输出器 输入电阻高 T3和T4管是横向PNP管 发射结反向击穿电压高 可使输入差模信号达到30V以上 T5 T6 T7和R1 R2 R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源 作为差动输入级的有源负载 可以提高输入级的增益 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能 3 中间级 T16和T17是复合管组成的共射放大电路 T13B作这一级的集电级有源负