《集成运放放大电路》PPT课件.ppt

第8章集成运算放大电路 8 1集成运算放大电路简介 8 3集成运放中的电流源 8 4集成运放的主要技术指标和集成运放的种类 8 2差分放大电路 8 5集成运放的使用注意事项 8 1集成运算放大电路简介 集成运算放大电路 IntegratedOperationalAmplifier 简称集成运放 8 1 1集成运放的电路特点 很难制作大电容和大电感 所以集成运放电路多采用直接耦合方式 2 单个元件的精度不高 易受温度影响 但相邻元件的性能参数比较一致 对称性好 所以集成运放中大量采用差分放大电路和恒流源电路 3 尽可能用有源器件代替无源器件 利用晶体管代替较大的电阻 制作不同形式的集成电路只是掩模不同 所以集成运放允许采用复杂的电路形式 8 1 2集成运放的方框图 实质上是一个具有高增益的直接耦合多级放大电路 图8 1集成运算的基本框图 uP uN uO 集成运放各组成部分的作用 输入级提供与输出同相和反相的两个输入端 并具有较高的输入电阻和抑制干扰及零点漂移的能力 因而采用差分放大电路 中间放大级是运放的主放大器 其主要作用是提供较高的电压放大倍数 通常由二 三级直接耦合的共射极放大电路组成 另外 中间放大级还具有将双端输出转换为单端输出的作用 输出级应具有输出电压线性范围宽 带负载能力强 非线性失真小等特点 一般采用互补对称放大电路 偏置电路的主要作用是为各级放大电路提供稳定合适的静态工作电流 集成运放的偏置电路一般由各种恒流源组成 8 2差分放大电路 差分放大电路 DifferentialAmplifier 又称差动放大电路 简称差放 是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路 它具有温漂小 便于集成等特点 常用作集成运算放大器的输入级 8 2 1直接耦合放大电路的零点漂移现象 零点漂移现象及其产生的原因直接耦合放大电路在输入信号为零时 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现象 称为零点漂移 简称零漂 图8 2零点漂移现象的测试电路 产生零点漂移的因素 电源电压波动 器件参数的改变 温度的变化等都可以产生零点漂移 其中温度的变化是产生零点漂移的主要原因 因此零点漂移又被称为温度漂移 简称温漂 在阻容耦合放大电路中 缓慢变化的零漂电压被电容等隔直元件阻隔 不会被逐级放大 因此影响不大 在直接耦合放大电路中 各级的零漂电压被后级电路逐级放大 以至影响到整个电路的工作 显然第一级的零漂影响最为严重 电源电压的波动可以通过采用高精度的稳压电源来解决 电阻 电容等元件可选用高质量的产品 半导体三极管参数受温度的影响产生的零漂是主要的因素 2 抑制零点漂移的方法 1 选用高稳定性的元器件 2 元器件要经过老化处理再使用 以确保参数的稳定性 3 采用稳定性高的稳压电源 减少电源电压波动的影响 4 采用温度补偿电路 利用热敏元件来抵消放大管的变化 5 在电路中引入直流负反馈 6 采用差分放大电路 这是目前应用最广的电路 它常用作集成运放的输入级 图8 2温度补偿电路 8 2 2基本差分放大电路 即 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 图8 4基本差分放大电路 2020 2 10 1 差动放大电路一般有两个输入端 双端输入 从两输入端同时加信号 单端输入 仅从一个输入端对地加信号 2 差动放大电路可以有两个输出端 双端输出 从C1和C2输出 单端输出 从C1或C2对地输出 几个基本概念 3 差模信号与共模信号 差模信号 共模信号 差模电压增益 共模电压增益 总输出电压 抑制零漂的原理 Uo UC1 UC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 UC1 UC2 设T ic1 ic2 uc1 uc2 uo uc1 uc2 0 1 差模输入 两个输入端的信号电压大小相等而极性相反 即ui1 ui2 ui1 1 2 ui ui2 1 2 ui ui1 ui2 ui 由于电路结构对称 故Au1 Au2 A uo1 Au1ui1 Aui1 1 2 Aui uo2 Au2ui2 Aui2 1 2 Aui uo uo1 uo2 1 2Aui 1 2Aui Aui 对输入信号的作用 图8 5差模输入的基本差分放大电路 用两个晶体管组成的差动放大电路对差模信号的电压放大倍数 称差模放大倍数Ad 与单管放大电路的电压放大倍数相同 实际上这种电路是牺牲一个管子的放大作用来换取对零点漂移的抑制 图8 5差模输入的基本差分放大电路 2 共模输入 两个输入信号大小相等且极性也相同 即ui1 ui2 uic 图8 6共模输入的基本差分放大电路 共模电压放大倍数 由于电路结构对称 两管集电极电位的变化量相等且极性相同 因而双端输出电压uoc 0 1 温度对电路的影响相当于在电路输入端加入共模信号 因此差分放大电路对温度的影响有很强的抑制能力 2 在理想情况下 差分放大电路双端输出时共模电压放大倍数Ac等于零 即差分放大电路对共模信号无放大作用 如果电路的对称性不好 则在输出端会有输出电压 使共模电压放大倍数不为零 即uo 0 Ac 0 共模抑制比 为了综合考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力 引入了一个指标参数 共模抑制比KCMR 差分放大电路的差模电压放大倍数Ad越大 共模电压放大倍数Ac越小 抑制温漂能力就越强 在电路参数理想对称情况下 KCMR 3 任意输入信号 当ui1 ui2 uic时 输入信号即为共模信号 当ui1 ui2时 输入了差模信号的同时 还可能输入了共模信号 uo1 Adui1 uo2 Adui2uo uo1 uo2 Ad ui1 ui2 可见 输出电压与输入电压之差成正比 图8 4基本差分放大电路 长尾式差分放大电路 1 在差模信号作用下Re中的电流变化为零 即Re对差模信号无反馈作用 也就是说电阻Re对差模信号相当于短路 2 为了便于调节工作点 使电源和信号源能够 共地 可将原接地端改为负电源 VEE 长尾式差分放大电路的基本工作原理 1 静态工作点的计算 忽略Ib 有 Ub1 Ub2 0V 1 加入差模信号 ui1 ui2 uid 2 2 电路的动态分析 所以 Re对差模信号相当于短路 若ui1 ui2 ib1 ib2 ie1 ie2 IRe不变 UE不变 uic 0 图8 8差分放大电路加差模信号 求差模电压放大倍数 因为ui1 ui2 设ui1 ui2 uo1 uo2 电路对称 uo1 uo2 uo uo1 uo2 2uo1 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 思考 如果输出端接负载电阻RL 则以上求得的参数如何变化 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 2 加入共模信号 ui1 ui2 uic uid 0 设ui1 ui2 uo1 uo2 因ui1 ui2 uo1 uo2 uo 0 理想化 共模电压放大倍数 8 2 3具有恒流源的差分放大电路 根据共模抑制比公式 加大Re 可以提高共模抑制比 为此可用恒流源T3来代替Re 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 带恒流源的差动放大电路的计算 静态工作点 动态 恒流源等效电阻 8 2 4差分放大电路的四种接法 差分放大器共有四种接法 1 双端输入 双端输出 双入双出 2 双端输入 单端输出 双入单出 3 单端输入 双端输出 单入双出 4 单端输入 单端输出 单入单出 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 1 双端输入双端输出 1 差模电压放大倍数 2 共模电压放大倍数 3 差模输入电阻 4 输出电阻 2 双端输入单端输出 1 静态时输出端的直流电位不为零 2 输出信号只从一管的集电极取出 所以电压放大倍数仅为双端输出电路的一半 3 电路的零漂和共模抑制比KCMR指标要低于双端输出电路 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号 1 差模电压放大倍数 2 差模输入电阻 3 输出电阻 4 共模电压放大倍数 ui1 ui2 uic 设ui1 ui2 ie1 ie1 iRe 2ie1 画出共模等效电路 图8 11双端输入单端输出电路对共模信号的等效电路 求共模电压放大倍数 3 单端输入双端输出 图8 12单端输入双端输出电路 单端输入等效双端输入 因为Re 从T2发射极看进去的等效电阻 故Re可视为开路 于是有 ui1 ui2 ui 2 计算同双端输入双端输出 4 单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号 设从T1的基极输入信号 如果从uo1输出为负号 从uo2输出为正号 计算同双入单出 1 差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 差分放大器动态参数计算总结 双端输出时 单端输出时 2 共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 双端输出时 单端输出时 3 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 单端输出时 双端输出时 4 输出电阻 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 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 例8 1电路如图8 8 a 所示 已知Rb 1k Rc 10k Re 5 3k VCC 12V VEE 6V 晶体管的 100 rbe 2k 1 求晶体管发射极静态电流IEQ和静态管压降UCEQ 2 计算Ad Ri和Ro 3 将负载电阻RL 5 1k 接于输出端 计算 2 中各参数 解 1 2 3 由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变 相当于接地 所以RL被分成相等的两部分 分别接在T1管和T2管的c e之间 其差模等效电路如图8 14所示 图8 14带负载的差模等效电路 例8 2图8 15所示电路中 已知VCC VEE 9V Rc 10k Rb Rw 100 I 1 2mA Rw的滑动端位于中点 晶体管 50 rbe 2 5k 求 1 静态工作电流 2 差模电压放大倍数Ad 解 1 电路为恒流源差分放大电路 晶体管射极电流之和为I 1 2mA 故IEQ ICQ I 2 0 6mA IBQ IEQ 1 12 A 2 Rw的中点在差模信号作用下相当于接地 等效电路如图8 15 b 所示 从图中可求得差模电压放大倍数 图8 15 8 3集成运放中的电流源 电流源电路不仅能输出比较稳定的电流 而且具有较大的交流等效电阻 在集成电路中常常用它给放大电路提供偏置电流或作为有源负载 在集成运算放大电路中 根据对称性的设计特点 常用的集成电流源有如下几种形式 1 基本电流源电路镜像电流源 比例电流源 微电流源2 多路电流源3 改进型电流源 1 镜像电流源 基准电流 所以 当满足 2时 则 图8 16 由于输出恒流IC1和基准电流IR基本相等 它们之间如同是镜像的关系 所以这种恒流源电路称为镜像电流源 优点 结构简单 具有一定的温度补偿作用 8 3 1基本电流源电路 2 比例电流源 由图可得 UBE0 IE0Re0 UBE1 IE1Re1 由于由于晶体管特性完全对称 UBE1 UBE0 0 所以 由此可得 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比 故称为比例电流源 图8 17比例电流源 3 微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻Re 引入Re使UBE1 UBE0 且IC1 IC0 即在Re值不大的情况下 得到一个比较小的输出电流IC1 图8 17微电流源 当 1时 这是一个超越方程 不可能解出IC1 但对于微电流源电路的设计是有用的 在实际应用中常常采用图解法或试凑法解出电流IC1 实际设计电路时 在IR和要求的IC1的数值给定时 可以选择Re 即就可以得到要求的电流IC1 8 3 2多路电流源 由于集成运放是多级放大电路 需要给多个放大管提供偏置电流和有源负载 因此常用到多路电流源 多路电流源是用同一个基准电流 同时产生几路输出电流的电流源电路 图8 19基于比例电流源的多路电流源 当IR确定后 改变各电流源射极电阻 可获得不同比例的输出电流 图8 19基于比例电流源的多路电流源 8 3 3改进型电流源 1 加射极输出器的电流源 所以 2 威尔逊电流源 图8 21威尔逊电流源 8 3 4以恒流源作为有源负载的差分放大电路 T1 T2是放大管 T3 T4构成镜像电流源作为T1 T2集电极的等效负载电阻Rc 设电路两边的参数完全对称 对于差模信号来说 T1 T2集电极电流大小相等且方向相反 即 iC1 iC2 若忽略T3 T4的基极电流 则 iC3 iC1 iC4 io iC4 iC2 iC1 iC1 2 iC1 可见 输出电流是单端输出的两倍 负载上得到如同双端输出的电流 对于共模信号 输出电流为零 可见 用镜像电流源作差分放大电路的有源集电极负载电阻 可以使单端输出具有与双端输出相同的差模放大倍数及共模抑制比 图8 22有源负载共射放大电路 8 4集成运放的主要技术指标和集成运放的种类 集成运算放大器的符号 一 开环差模电压增益Aod 一般用对数表示 定义为 单位 分贝 Aod是决定运放精度的重要因素 理想情况Aod为无穷大 实际情况Aod为100 140dB 8 4 1集成运放的主要技术指标 二 输入失调电压UIO 三 输入失调电压温漂 UIO 定义 为了使输出电压为零 在输入端所需要加的补偿电压 它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易 要求愈小愈好 一般运放 UIO为1 10mV 高质量运放 UIO为1mV以下 定义 一般运放为每度10 20 V 高质量运放低于每度0 5 V以下 表示失调电压在规定工作范围内的温度系数 是衡量运放温漂的重要指标 四 输入失调电流IIO 五 输入失调电流温漂 IIO 当输出电压等于零时 两个输入端偏置电流之差 即 定义 一般运放为几十 一百纳安 高质量的低于1nA 定义 一般运放为每度几纳安 高质量的每度几十皮安 用以描述差分对管输入电流的不对称情况 代表输入失调电流的温度系数 六 输入偏置电流IIB 七 差模输入电阻rid 八