第4章__集成运算放大器

第四章集成运算放大器 4 1零点漂移4 2差动放大电路4 3电流源电路4 4集成运算放大器介绍4 5集成运放的性能指标 图4 1集成运放框图 4 1零点漂移 图4 2零点漂移 4 2差动放大电路 4 2 1基本形式 图4 3差动放大电路的基本形式 1 共模信号及共模电压放大倍数Auc 图4 4月差动电路的两种输入信号 2 差模信号及差模电压放大倍数Aud 是V1管的电压放大倍数 是V2管的电压放大倍数 因为电路完全对称 所以 4 2 2长尾式差动放大电路 图4 5长尾式差动放大电路 静态时 输入短路 由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和 且电路对称 IE1 IE2 故 1 静态工作点的稳定性 2 对共模信号的抑制作用 图4 6长尾式差放共模交流通路 3 对差模信号的放大作用 图4 7长尾电路差模信号工作状况 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Uid1 Uid2 两管的发射极差模电流Ie1d Ie2d 所以流过Re的差模电流Ied为 4 2 3差动放大器的主要指标 2 共模电压放大倍数Auc 1 差模电压放大倍数Aud 3 共模抑制比CMRR 或者 4 差模输入电阻rid 5 差模输出电阻rod 6 共模输入电阻ric 例1 设图4 5所示长尾式差动电路绝对对称 求其Aud Auc CMRR rid rod和ric 解 由图4 7 b 所示差模交流通路得 因为电路对称 所以在共模输入信号作用下 因此 由差模交流通路可注意到Ib1d Ib2d 则 若共模输入信号的接入方式如图6 8 a 则 因为 在共模信号作用下 Ib1c Ib2c 所以 若共模输入信号的接入方式如图4 8 b 则 利用外加电源法 可以求得该电路的差模输出电阻rod和共模输出电阻roc 它们分别为 图4 8两种共模信号接入方式 6 2 4具有调零电路的差动放大器 图4 9具有调零电路的差动电路 差模放大倍数Aud 差模输入电阻rid 共模输入电阻ric 对应图6 8 a 或者为 对应图6 8 b 4 2 5恒流源差动放大电路 图4 10恒流源的电流 电压特性 图4 11恒流源差动放大电路 设 80 rce 100k rbe 1k R1 R2 6k R3 5k 则ro3 4 5M 用如此大的电阻作为Re 可大大提高其对共模信号的抑制能力 而此时 恒流源所要求的电源电压却不高 即 对应的静态电流为 4 2 6一般输入信号情况 例2 在图4 5电路中 已知差模增益为48dB 共模抑制比为67dB Ui1 5V Ui2 5 01V 试求输出电压Uo 解 因为20lg Aud 48dB 故Aud 251 而CMR 67dB 故 CMRR 2239 所以 4 2 7差动放大电路四种接法 1 双端输入 双端输出 差模电压放大倍数为 其中 差动输入电阻rid和输出电阻rod为 共模电压放大倍数为 共模抑制比为 图4 12差动放大电路的四种接法 2 双端输入 单端输出 3 单端输入 双端输出 4 单端输入 单端输出 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 只要是双端输出 它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同 如为单端输出 它的差模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3 电路如图4 13所示 设UCC UEE 12V 1 2 50 Rc1 Rc2 100k RW 200 R3 33k R2 6 8k R1 2 2k Rs1 Rs20 10k 1 求静态工作点 2 求差模电压放大倍数 3 求RL 100k 时 差模电压放大倍数 4 从V1管集电极输出 求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR 设rce3 50k 图4 13例3电路图 解 1 静态工作点 设UBE3 0 6V 则 所以 所以一般估算时 认为UB 0 2 差模电压放大倍数 其中 3 当RL 100k 时 4 当单端输出时 从V1管c1极输出 其中 单端输出时 共模电压放大倍数为 式中 而 所以 故 其共模抑制比为 4 3电流源电路 4 3 1镜像电流源电路 图4 14镜像电流源及等效电路 因为V1管的集电极和基极之间短路 所以V1管仅仅相当于一个由其发射结构成的二极管 将其记作VDE1 因此 图6 14 a 可以等效为图6 14 b 由第一章公式 1 1 可知 PN结的伏安特性方程为 所以流过V1管与V2管发射结的电流分别为 当 2时 又因为 所以当UCC UBE2时 当 2 UCC UBE2时 则 4 3 2威尔逊电流源 图4 15威尔逊电流源及等效电路 当 2 2 2 2时 当 20时 威尔逊电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是 而图4 14的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是 4 3 3比例电流源 图4 16比例电流源 由于V1与V2的发射结都处于导通状态 其伏安特性曲线十分陡峭 因为发射区都是重掺杂的 发射结正偏压的微小变化 就会导致发射极电流的显著变化 所以 当IE1与IE2相差不大 小于10倍 时 对应的发射结正偏压UBE1与UBE2相差十分微小 因此 在的范围内 可以近似认为UBE1 UBE2 代入公式 4 47 得 4 47 当 1时 所以在的范围内 当时 上式不再成立 可用下式估算 4 3 4微电流源 图4 17微电流源 由电路图可知 调节Re2的值 使UBE2 1 所以 因为IB2 IE2 IE1 所以 把Io IE2 IR IE1代入IE2 IE1得Io IR 正确地选取Re2的值 可以使Io达到微安量级 而此时IR仍然很大 所以限流电阻R UCC UBE1 IR不会太大 可见 该电路能够在R不太大的条件下 获得微小的输出电流 定量分析如下 式中UT是温度电压当量 IS1与IS2分别是V1与V2发射结的反向饱和电流 由于V1与V2特性相同 所以 4 54 代入公式 6 54 得 因为IE2 Io IE1 IR 代入上式得 由电路图可得 4 55 4 56 例4 在图4 17电路中 UCC 15V IR 1mA Io IC2 10 A 常温下 UT 26mV 请确定Re2及R的值 由公式 4 56 得 解 由公式 4 55 得 4 3 5多路电流源 图4 18多路电流源 4 3 6作为有源负载的电流源电路 图4 19有源负载共射放大器 例5 图4 20是集成运放F007中的一部分电路 它们组成电流源电路 各元器件的编号均与F007电路图中的编号相同 试计算各个管子的电流 其中V12和V13是横向PNP管 12 13 2 V10和V11是NPN型管 解 流过电阻R5的电流就是参考电流IR 即 V10 V11构成微电流源 根据式 4 55 得 即 IC10的单位为微安 利用作图法或试探法求得IC10 28 A V12和V13组成镜像电流源 由于 较小 则利用式 4 40 得 图4 20 F007中的电流源电路 4 4集成运算放大器介绍 集成运放是一种高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的直接耦合放大电路 为了抑制零点漂移 所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路 为了提高放大倍数 中间级一般采用有源负载的共射放大电路 输出级为功率放大电路 将在第九章中讲述 为提高此电路的带负载能力 多采用互补对称输出级电路 图4 21F007的电路原理图 4 4 1偏置电路 图4 22 F007的偏置电路 4 4 2输入级 图4 23的输入级 F007 V8和V9不仅是镜像电流源 而且还与V10 V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1 IC2 从而提高整个电路的共模抑制比 其过程如下 4 4 3中间级 图4 24 F007的中间级 4 4 4输出级和过载保护 图4 25 F007的输出级 4 5集成运放的性能指标 1 开环差模电压放大倍数Aod Aod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 对于集成运放而言 希望Aod大 且稳定 目前高增益集成运放的Aod可高达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 图4 26集成运放的传输特性 rid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 要求rid愈大愈好 一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧 故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid F007的rid 2M 认为理想集成运放的rid为无穷大 3 差模输入电阻rid ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力 有时只用最大输出电流Iomax表示它的极限负载能力 认为理想集成运放的ro为零 4 输出电阻ro 5 共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力 其定义同差动放大电路 CMRR愈大愈好 理想集成运放的CMRR为无穷大 从集成运放输入端看进去 一般都有两个或两个以上的发射结相串联 若输入端的差模电压过高 会使发射结击穿 NPN管e结击穿电压仅有几伏 PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏 如F007的Uidmax为 30V 6 最大差模输入电压Uidmax 输入端共模信号超过一定数值后 集成运放工作不正常 失去差模放大能力 F007的Uicmax值为 13V 7 最大共模输入电压Uicmax 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压 去掉外接调零电位器 它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易 对集成运放我们要求输入信号为零时 输出也为零 但实际中往往输出不为零 将此电压折合到集成运放的输入端的电压 常称为输入失调电压UIO 其值在1 10mV范围 要求愈小愈好 8 输入失调电压UIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极 栅极 偏置电流 用表示 而将IB1 IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIO 即 IIB和IIO愈小 它们的影响也愈小 IIB的数值通常为十分之几微安 则IIO更小 F007的IIB 200nA IIO为50 100nA 9 输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO 它们可以用来衡量集成运放的温漂特性 通过调零的办法可以补偿UIO IIB IIO的影响 使直流输出电压调至零伏 但却很难补偿其温度漂移 低温漂型集成运放可做到0 9 V 以下 可做到0 009 A 以下 F007的 10 输入失调电压温漂和输入失调电流温漂 在第三章 频率特性 中我们已讲过 随着输入信号频率上升 放大电路的电压放大倍数将下降 当Aod下降到中频时的0 707倍时为截止频率 用分贝表示正好下降了