模电课件第六章集成运放

第六章集成运算放大器 6 1差动放大电路集成运算放大器中的电流源 6 2差分放大电路 6 3集成电路运算放大器 6 4集成运算放大器中的主要参数 集成运算放大器 高增益的直接耦合的集成的多级放大器 一 什么是集成运算放大器 第六章集成电路运算放大器引言 二 集成电路的分类数字集成电路 如74LS00 模拟集成电路 如运算放大器 功率放大器 集成稳压电路 数 模混合集成电路 如A D D A转换器 专用集成电路 如某些专用特殊功能的集成电路 三 模拟集成电路的特点 P 227 1 元件对称性 常用于运算放大器的输入端 2 常用有源器件代替无源元件因为电阻电容占用硅片面积大且精度不高 3 极间耦合采用直接耦合方式 4 采用复合管结构的电路作为运算放大器的输出端 5 常用BJT的发射结代替电路中的二极管 6 1集成电路运算放大器中的电流源 在集成电路中常用电流源代替电路中的各类电阻 如集电极负载电阻RC用电流源代替 称为有源负载 偏置电阻Rb用电流源代替 称为有源偏置 射极电阻Re用电流源代替 称为有源负载射极电流源等 因此电流源在集成电路中应用广泛 一 镜像电流源电路 IC2 IREF 两边的电流象镜子一样对称 称为 镜像电流源 从上式可知 值越大 镜像效果越好 为提高镜像效果 要求IB尽可能小 使IREF尽可能等于IC1 IC2 改进电路如P 229图6 1 2所示 改进型镜像电流源电路图 二 微电流源 因两管特性基本一致 VBE VBE1 VBE2很小 故IE2很小 只有 A级 其作用是 电源VCC波动或温度变化引起电路参数变化 但 VBE相对变化量小 IE2变化也小 达到稳定电路的作用 P 230图6 1 4多路微电流源 例1多路比例电流源电路如图所示 已知各三极管的参数 VBE数值相同 求各电流源IC1 IC2及IC3与基准电流源IREF的关系式 解 由于图中各三极管的基极连在一起 故 可见 改变RE1 RE2和RE3的大小 即可获得不同数值的输出电流 多路电流源在集成电路中应用很广 它能同时给多个放大电路提供偏置电流 三 电流源用作有源负载 举例 P 2316 1 3定性分析图中所示电路 说明T1 T2在电路中的作用 T1 共集电极放大电路 射极输出器 T2 为T1射极恒流源 6 2差分式放大电路 功能 放大两个输入信号之差 在电路完全对称的情况下 有 vo AVd vi1 vi2 式中 AVd 差分式放大电路的差模电压放大倍数 它表示对两个信号之差的放大能力 差模信号 两输入端对地的输入信号大小相等 极性相反时 称差模输入 即vid1 vid2 差模输入信号为 vid vid1 vid2 2vid1 2vid2 共模信号 加在差放两输入端的大小相等 极性相同的信号 即vic vic1 vic2 一般加在两输入端的信号是任意的 但都可以分解为差模信号和共模信号 即 vi1 vid1 vic1 vi2 vid2 vic2 如下图所示的零漂 当ui 0 u0 0时 相当于拆算到输入端的等效漂移电压 即为共模输入信号 设ui1 10mvui2 6mv 分解 ui1 8 2ui2 8 2 共模分量 Uic1 uic2 8mv 差模分量 Uid1 2mvuid2 2mv 所以 任意两个输入信号都可分解为差模信号和共模信号 其中 差模信号是两个输入信号之差 即 vid vid1 vid2 vi1 vi2 共模信号是两个输入信号的算术平均值 vic vi1 vi2 2 当用共模信号和差模信号共同表示输入信号时 有 差放的输出电压 vo AVdvid AVcvic式中 AVd 为差模电压放大倍数 表示对差模信号的放大力 AVc 为共模电压放大倍数 表示对共模信号的放大能力 2020 4 6 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 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 6 2 1差动放大电路 即 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 1 静态分析 静态时 vi1 vi2 0 电路对称 VBE1 VBE2 VBE RC1 RC2 RC 所以 vE VBE VCE1 VCE2 VC1 VE VCC IC1RC VBE输出电压 Vo VC1 VC2 0 2 抑制零点漂移的原理 零漂现象 输入ui 0时 输出有缓慢变化的电压产生 产生零漂的原因 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 特点 变法缓慢 漂移信号在直接耦合放大电路中能逐级放大 差放对零漂抑制作用 原理 因电路对称 IC1 IC2 VC1 VC2所以 VC VC1 VC2 差模特性 差放输入为差模信号 即vi1 vid1 vi2 vid2 vid1 双端输入 双端输出 差模信号的交流通路 由于vi1 vi2 IB1 IB2 IC1 IC2 VE IE1 IE2 r0 0所以r0对差模信号相当于交流短路 RL 因为RL两端的电压 vC1 vC2 所以RL中点电位为零 相当于接地 各三极管所带负载为RL的一半 即RL 2 差模电压放大倍数 单边等效电路如图 若负载开路 即RL 则 所以 双端输出时 电路的电压放大倍数等于单边等效电路的电压放大倍数 差模输入电阻 为两个单边等效电路的输入电阻之和 即 Rid Rid1 Rid2 2Rid1 2rbe 差模输出电阻 双端输出时 即 Rod 2Rod1 2RC 双端输入 单端输出 即 从T1管取输出 反相输出 单端输出时 电压放大倍数等于单边等效电路电压放大倍数的一半 从T2管取输出 同相输出 输入电阻Ri 与输出方式无关 Ri 2rbe 输出电阻Ro Rod Rod1 RC 单端输入 vi1 vid vi2 0 可分解为差模信号和共模信号 单端输入时与双端输入完全相同的特性 归纳 差放电路的各项性能指标 AVd Rid Rod 只与输出方式有关 与输入方式无关 双端输出时 AVd AVd1 Rod 2Rod1 单端输出时 AVd AVd1 2 Rod Rod1 输入电阻Rid与输入 输出方式都无关Rid 2Rid1 共模特性 1 共模信号的交流通路 r0 i0 iE1 iE2 2iE1 vE i0r0 2iE1r0 iE1 2r0 RL 电路对称vC1 vC2流过RL的共模信号电流为零 RL对共模信号相当于开路 得交流通路 作业 P 269 T6 1 2 T6 2 2 2 共模电压放大倍数 双端输出 因电路的对称 voc voc1 voc2 0 单端输出 一般 1 2r0 rbe 1 3 共模输入电阻 4 共模输出电阻 双端输出时 ROC 2Roc1 2RC单端输出时 ROC Roc1 RC 5 共模抑制比KCMR 也用分贝 dB 数来表示 定义 P 236 KCMR AVd AVC 它是衡量放大器对抑制共模信号的能力的大小 要求KCMR越大越好 集成运放的KCMR至少 70dB 103 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 6 如何提高共模抑制比KCMR1 简单差放存在的问题 差分电路两边的元器件参数 性能不可能完全一致 双端输出时 AVC 0 才能使KCMR 如是单端输出 AVC1 RL 2RE 而工程上又往往要求输出信号有一端接地 即采用是单端输出 简单的差放不能使KCMR 2 解决的办法 只有加大RE RE称为射极等效电阻 在两个差分管的射极处加接 长尾电阻 Re 当然 Re越大越好 如P 271 T6 2 5 6 2 6 Re太大 不便集成 采用恒流源代替Re 如P 271 T6 2 3 6 2 7 例1 电路如右图所示 已知 1 2 50 VCC VEE 15V RC RL 10K RE 20K RB 5 1K 求 1 静态工作点 2 双端输出时的差模电压放大倍数AVd 差模输入电阻Rid及输出电阻Rod 3 当RL接在T1的集电极与地之间时的差模电压放大倍数AVd 共模电压放大倍数AVc及共模抑制比KCMR 4 vi1 5mV vi2 1mV时 求T1管输出时的输出电压vo1 解 1 静态分析确定静态工作点 静态时vi1 vi2 0 由基极回路可列出 因 VEE VBE 1 RE RB 所以 画出单边差模信号微变等效电路如图 双端输出时 单端输出时 画出单边共模信号微变等效电路如图所示 当vi1 5mV vi2 1mV时 例2 P 271 6 2 3电路如图题6 2 3所示 Re1 Re2 100 BJT的 100 VBE 0 6V 求 1 Q点 IB1 IC1 VCE1 2 当ui1 0 01V ui2 0 01V时 求输出电压uO uO1 uO2的值 3 当C1 C2间接入负载电阻RL 5 6k 时 求uO的值 4 求电路的差模输入电阻Rid 共模输入电阻Ric和输出电阻Ro 解 1 求Q点 IC1 IC2 IO 2 2 2 1mAIB1 IB2 IC 1mA 100 10 A静态时 Vi1 Vi2 0 VB1 0 VBE1 0 6V VCE1 VCC IC1 RC1 VBE1 5V 2 求输出电压VOrbe 200 1 26 IEQ 2 8k uO AVD uid AVD ui1 ui2 0 87V 3 求uO uO AVD uid Aid ui1 ui2 0 29V 4 求Rid RiC RO Rid 2 rbe 1 Re1 2 2 8 1 100 0 1 25 8k RiC rbe 1 Re1 2 1 ro 2 2ro 1 2 ro 1 100 1 100 10M RO 2RC 2 5 6 11 2k 6 3集成电路运算放大器 一 集成运放的总体结构 二 简单的集成运放 原理电路 三 集成运算放大器符号 极性及瞬时极性法 国际符号 国内符号 集成运放的特点 电压增益高 输入电阻大 输出电阻小 三 通用型集成运算放大器 741简介 P 247图6 3 3 6 4集成电路运算放大器的主要参数 为了正确挑选和使用集成运放 必须搞清它的参数的含义 见P 249 253 理想运放 P 253 1 开环差模电压增益AVO 2 开环差模输入电阻rid 3 开环输出电阻ro