第六章 直流放大电路及运放.ppt

第6章 直流放大电路及运放,6.1 零点漂移,前面已经讲述，多级放大电路的耦合方式有三种形式，其中直接耦合方式克服了阻容耦合和变压器耦合无法实现集成化以及不能传输缓慢变化的信号的缺点，将前级放大电路的输出端直接或通过电阻接到后级放大电路的输入点。但直接耦合方式带来的主要问题是零点漂移现象。,假设一个直接耦合电路的输入端对地短接，并调整输出电压也等于零。从理论上讲，输出电压应一直为零，但人们在实验中发现，在直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出电压，其输出电压也会有缓慢的、不规则的变化，如图6.1.1所示，我们称这种现象为零点漂移或称为温度漂移，简称为零漂。,（a）测试电路,（b）输出电压的漂移 图6.1.1 零点漂移现象,零点漂移产生的原因：在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化等，都将产生输出电压的漂移。零点漂移对直接耦合放大电路的影响：在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前级电路的静态工作点发生缓慢变化时，前一级的漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，使放大电路不能正常工作。,为了抑制零点漂移，常用的措施有以下几种：第一：引入直流负反馈以稳定静态工作点第二：利用热敏元件补偿放大管的零漂。第三：将两个参数对称的单管放大电路接成差分放大电路的结构，使输出端的零漂相互抵消。最常用的抑制零漂的方法是差动放大电路。,6.2 差动放大电路,差动放大电路常见的电路形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。,6.2.1 基本形式及信号类型 1）电路组成 差动放大电路的基本形式如图6.2.1所示，该电路的特点是：左右两个放大电路的参数完全对称，两个三极管 和 温度特性等参数也完全相同。有两个输入端和两个输出端。而且元件左右对称，如图6.2.1所示。,图6.2.1 差动放大电路基本形式,在理想情况下，电路中左右两部分三极管的特性和电阻参数完全相同。则当输入电压等于零时， ,故 ，若温度升高使 增大， 减小，则 也增大， 也减小，而且两管的电压变化幅度相等，因而，两管的集电极输出电压 和 的温漂可以互相抵消，所以，减小了放大电路总的零点漂移。但是，因为基本形式差分放大电路的电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同，且基本形式差分放大电路存在的问题是单边输出（由一个集电极到地输出）的零点漂移毫无改善，所以在实际工作中很少被采用。,2）差模输入电压和共模输入电压差动放大电路有两个输入端，可以分别加上两个输入电压 和 。如果两个输入电压的大小相等，而且极性相反，这样的输入电压称为差模输入电压。如图6.2.2（a）所示。差模输入电压用 来表示。,(a)差模输入电压,图6.2.2 差模输入电压和共模输入电压,如果两个输入电压的不仅大小相等，而且极性相同，这样的输入电压称为共模输入电压，如图6.2.2（b）所示，共模输入电压用 来表示。,(b)共模输入电压图6.2.2 差模输入电压和共模输入电压,实际工作中，在差动放大电路的输入端加上的电压为任意大小、任意极性的输入电压 和 ，我们可以将它们认为是某个差模输入电压与某个共模输入电压的组合，其中差模输入电压 和共模输入电压 的值可写成：,因此，只要分清楚差模输入电压和共模输入电压对放大电路的影响，在小信号的情况下，利用叠加定理即可完整地描述任何类型的输入信号对差动放大电路的作用。,6.2.2 主要技术指标差动放大电路的主要技术指标有差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、共模抑制比差模输入电阻等。放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用符号 表示，即 放大电路对共模输入电压的放大倍数称为共模电压放大倍数，用符号 表示，即,通常希望差动放大电路的差模电压放大倍数越大越好，而共模电压放大倍数越小越好差动放大电路的共模抑制比用 来表示，它的定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为dB，即,共模抑制比能够描述差动放大电路对零漂的抑制能力。越大，说明电路抑制零漂的能力越强。以下分析基本形式差动放大电路的差模电压放大倍数，根据图6.2.1，假设每一边单管共射放大电路的电压放大倍数为 ，则两个三极管的集电极输出电压的变化量分别为,则放大电路的输出电压的变化量为 所以差动放大电路的差模电压放大倍数为 上式表明，差动放大电路的差模电压放大倍数和单管电压放大倍数相同，可以看出，差动放大电路的特点是，多用了一个放大管后，电压放大倍数没有增加，但抑制零漂的能力增强了。,差模输入电阻用 来表示，它的定义是差模输入电压 与相应的输入电流 的变化量之比即 用以衡量差动放大电路向信号源索取电流的大小。,6.2.3 长尾式差放电路为了减小每个管子输出端的零点漂移，引出了长尾式差分放大电路。在基本形式差分放大电路的基础上，在两个放大管的发射极接入一个电阻 ，这个电阻即称为“长尾”，见图6.2.3。长尾电阻的作用是引入一个共模负反馈，降低了共模电压放大倍数，减小每个管子输出端的零漂，这实际上就是稳定静态工作点的电路。但对差模电压放大倍数却没有影响，因此提高了共模抑制比。,图6.2.3 长尾式差动电路,电阻 的值愈大，则共模负反馈愈强，抑制零漂的效果愈好。但随之而来的问题是，由于长尾电阻 上的直流压降愈来愈大，这使得输出电压的最大值越来越小，为了补偿电阻 上的直流压降，常采用双电源供电，但随着 增大，要求负电源的电压值也愈来愈高。,6.2.4恒流源式差放电路恒流源式差分放大电路用一个恒流三极管代替长尾电阻 ，恒流三极管基极回路的接法很多，一般可将电源电压通过两个电阻分压后接到恒流管的基极，如图6.2.4(a)所示，为了画图的方便，有时用简化的符号来表示恒流源电路，见图6.2.4 (b)。,(a) 恒流源式差分电路,图6.2.4 恒流源式差动放大电路,(b) 恒流源式差分电路的简化画法 图6.2.4 恒流源式差动放大电路,6.2.5差动放大电路的估算及四种输入方式1）静态工作点的估算已经知道，估算电路的静态工作点应该根据放大电路的直流通路。但是，对于上述几种不同形式的差动放大电路，估算Q点的具体过程不完全相同。,(1)基本形式差分放大电路假设图6.2.1所示的基本形式差分放大电路的左右两部分不仅结构对称，三极管和电阻的参数也相同，即 ， ， ，且三极管的 ， ，则可以对此电路取其一半，如同单管放大电路一样来估算静态工作点。,估算Q点时应从基极回路出发，先求出 ，然后根据 来求 ，即估算的步骤为求 时，可利用戴维宁定理将基极回路简化，见图6.2.5，图中由此可求得：,图6.2.5 基本形式差分电路基极回路的简化,(2)长尾式差动放大电路对于图6.2.3所示的长尾式差分放大电路、估算Q点也应从基极回路出发，即估算的步骤也是 。假设电路的结构和参数均对称，则当输人电压等于零时，两个管子的静态电流和电压也都相等，此时，流过长尾电阻 的静态电流为 。,则 （对地）在图6.2.6的接有调零电位器的长尾式差分放大电路中，设调零电位器 的滑动端调在中间，由基极发射极回路可得 和 的估算方法与前面的相同,图6.2.6 有调零电位器的长尾式差动放大电路,(3)恒流源式差分放大电路无论何种形式的恒流源式差分放大电路，估算静态工作点的过程通常都从确定恒流管的电流开始。例如，对于图6.2.4 (a)，估算Q点时可首先确定电阻 两端的电压 ，然后按以下步骤估算其他静态电流或电压：,如忽略 基极电流。则 的基极外接电阻 上的电压为： (对地),2）差模电压放大倍数以及差模输人电阻和输出电阻的估算前已说明，基本形式差分放大电路的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。对于长尾式和恒流源式的差分放大电路，其中长尾电阻和恒流管引入一个共模负反馈，它们对差模信号没有影响，在交流通路中，长尾电阻和恒流管都相当于短路，因此，上述三种形式的差分放大电路的差模电压放大倍数都相等，即,在一上式中，设基本形式差分放大电路中的 ，故可么忽略基极电阻 对 的影响。上述三种差分放大电路的差模输人电阻和输出电阻分别为如果在以上三种差分放大电路中，三极管的发射极回路接有调零电位器 ，例如，像图6.2.6中的电路，则因为 的只流过一个三极管的电流，所以将影响差模电压放大倍数，使 减小。当 的滑动端调在中间时，可求得,当发射极接有调零电位器 时，将影响差分放大路的差模输入电阻，使 增大。此时，差模输入电阻成为但输出电阻不变，仍为 。,3）差动放大电路四种不同的输入、输出方式差动放大电路的输人、输出端可以有四种不同的接法，即双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出和单端输入单端输出，分别如图6.2.7 (a)、(b)、(c)和(d)所示。,图6.2.7 差分放大电路的四种输出、输入接法,图6.2.7 差分放大电路的四种输出、输入接法,图6.2.7 差分放大电路的四种输出、输入接法,图6.2.7 差分放大电路的四种输出、输入接法,不同接法时，放大电路的差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻和共模抑制比等不尽相同。总起来说，有以下几点：(1)差模电压放大倍数 双端输出时, 基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同，即单端输出时， 约为双端输出时的一半，即,输出电阻 双端输出时， 单端输出时，,(2)共模抑制比 双端输出时，因两管集电极电压的温漂互相抵消，理想情况下 单端输出时，因通过长尾电阻或恒流三极管引人很强的共模负反馈，故也能得到很强的共模抑制比，但不如双端输出时高。(3)差模输入电阻 差分输人时， 单端输人时，,(4)单端输人时，输人信号只加在一个三极管的基极回路，而另一个三极管的基极接地，差分放大电路的两个放大管是否工作在差动状态?假设加上一个正的输人电压 ，则 的集电极电流 将增大，于是：,即两管的集电极电流将一管增大，另一管减小。由于 ，引入一个共模负反馈，它具有稳定 中电流的作用，当共模负反馈很强时，可认为流过 的电流基本不变，即 ，说明此时两个三极管得到的输入电压幅度近似相等，但极性相反，即 ，即输人电压实际上仍相当加在两个三极管的基极之间，也就是说，单端输人时，差分放大电路的两个放大管仍然工作在差分状态。,(5)单端输入、单端输出时，从不同管子的集电极输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。 如果从某一个三极管的基极输人，然后从同一个管子的集电极输出，则 与 反相;如果从某一个三极管的基极输人，但是从另，一个管子的集电极输出， 与 同相。,6.3 电流源电路,由前所述，恒流源差分电路中用恒流源代替电阻 ，使得电路的性能大大改善。同时看到恒流源电路还有两方面的问题：一是电路中用了三个电阻，但在集成工艺中则希望电阻越少越好；二是由于作为恒流源的是三极管，它的 还要受温度变化的影响，因此抑制温漂的能力还不理想。以下介绍在集成电路中常见的恒流源电路。常见的恒流源电路有镜像电流源、比例电流源和微电流源等。这三种电流源在集成电路中应用都很广泛,6.3.1 镜像电流源上述三种电流源中，镜像电流源是最简单、最基本的电流源，而比例电流源和微电流源都是在镜像电流源的基础上，稍加变化、发展而得到的。镜像电流源的特点是电路中左右两个三极管不仅工艺、结构和参数一致，而且接法也对称，如图6.3.1所示。,图6.3.1 镜像电流源,由于VT1，和VT2,是做在同一芯片上的两个相邻的三极管，而且二者的发射结并接在一起，即URE1=UBE2=UBE因此在理想情况下两个管子的基极电流和发射极电流都相等，即可以认为 镜像电流源的基准电流为IREF，由 这一个支路产生。由图6.3.1可得,因为 所以电流源的输出电流为 当2时，上式可以简化为 即输出电流 与基准电流 基本相等。镜像电流源由此得名。,镜像电流源的优点是电路结构简单，而且有一定的温度补偿作用。例如，当温度升高使电流源的输出电流 增大时，基准电流 将随之增大，于是 在电阻 R上的压降升高，因 ，而 是一个固定不变的电压源，故 将降低，则 和 也减小，从而使输出电流 基本不变。以上过程可简单表示如下：,由上可知，镜像电流源的输出电流 的大小总是与基准电流 基本相等，但是，在实际工作中，有时要求电流源的输出电流与基准电流的数值不同，此时可以考虑采用比例电流源。,6.3.2 比例电流源比例电流源是在镜像电流源的基础上稍加改变而得到的。即在镜像电流源中两个三极管VT1，VT2之的发射极回路分别接人两个电阻 、 即可。见图6.3.2。由于两个三极管的基极接在一起，则两个基极与地之间的电压相等，即,图6.3.2 比例电流源,因 和 是做在同一芯片上的两个相邻的三极管，工艺、结构和参数都一致，可以认为 ， 故：若忽略三极管的基流，可得 则 即电流 、 的大小之比与电阻 、 的阻值成反比，因而称为比例电流源。在这种电流源电路中，只需改变电阻 、 阻值之比，即可灵活地改变电流源的输出电流与基准电流的比例，十分方便。,比例电流源的主要优点与镜像电流源一样:结构简单，有一定的温度补偿作用。这两种电流源也有共同的缺点其一，受电源电压变化的影响比较大，当直流电源 波动时，电流源的输出电流 基本上按同样的比例变化，因此不适于电源电压允许大幅度变化的集成运放。其二，如果要求得到微安级的偏置电流，则要求电路中的电阻达到兆欧数量级。例如要求 ，当 时, R约为 ，此阻值已超出集成工艺能够实现的范围。,集成运放的输人级通常要求微安级的偏置电流，但又希望不使用阻值太大的电阻，为此可以考虑采用微电流源。,6.3.3 微电流源微电流源也是在镜像电流源的基础上稍加变化而得到的。但是，与比例电流源的电路不同，微电流源只在三极管 的发射极接人一个电阻 ，如图6.3.3所示。,图6.3.3 微电流源,这样的接法为什么能够得到一个微安级的小电流呢？由图6.3.3 可见，接入 后，两个三极管的发射结电压 和 不再相等，而是 ，由此可知， 总是小于 ，但是 能否达到微安量级呢？由图7.3.4可得 或 可知电流源的输出电流 为,式中 本身均为零点几伏，而二者之差 （ ）的值则仅为几十毫伏的数量级，因此由上式可知，只需选 为几千欧的电阻，即可得到微安量级的输出电流 。为了对 的阻值进行估算，可利用已经学过的二极管方程。已经知道发射结的电流 与发射结电压 之间存在以下关系：即,式中 为反向饱和电流， 为温度的电压当量，在常温下 。将此式代入上面( )的表达式，可得 因 和 是做在同一芯片上的两个相邻的三极管的工艺、结构和参数都一致，可以认为 于是可得 如果给定 和 ，即可由上式求得 。,6.3.4 电流源应用举例1)有源负载由于电流源具有交流电阻大的特点（理想电流源的内阻为无穷大），所以在模拟集成电路中被广泛用作放大电路的负载。这种利用双极型三极管或场效应管充当负载电阻称为有源负载。,在第二章放大电路中，我们求出了各种放大电路的电压放大倍数，根据结果可知，电压放大倍数正比于负载电阻 ,而 ,其中 为所带的负载，所以，要提高 的值，可以通过提高 来实现，但是考虑到增大 将影响到静态工作点，使得放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻比较大。直流电阻小的特点，所以用电流源电路来代替电阻 ，从而有效提高电路的电压放大倍数，如图6.3.5所示。,图6.3.4中，VT1是共发射极放大电路的放大管，在其集电极不再接电阻 ，而是由VT2、VT3组成的镜像电流源来代替集电极电阻 。因为恒流源等效电阻无穷大，可认为是开路，所以三极管VT1的电流全部流向RL，从而提高电压放大倍数。,图6.3.4 有源负载共射放大电路,图6.3.5（p199图18）是采用有源负载的差分放大电路。其中NPN三极管VT1、VT2为放大三极管，PNP三极管VT3、VT4组成镜像电流源，分别作为VT1、VT2的有源负载。由图6.3.5可见，此放大电路采用双端输入、单端输出的集电极的恒流源决定放大管的工作电流。,图6.3.5 采用有源负载的差分放大电路,当输入电压为零时，可认为两个放大管的静态电流相等，各等于 ，如果加入差模输入电压，设极性为正，则 将增大， 将减小，而且可以认为 。当VT3、VT4的足够大时，可忽略VT3、VT4的基极电流，认为 。而VT3、VT4又组成镜像电流源，则 ，于是可得 ，而输出电流 等于 与 之差，所以,可见，电路采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。这种采用有源负载的差分电路在集成运放中应用十分广泛。,例6.3.1：图6.3.6是集成运放F007中的一部分电路，其中VT12、VT13是横向的PNP管，12=13=2，VT10、VT11是NPN管。试计算各个管子的电流。,图6.3.6 例6.3.1电路图,解：流过电阻R5的电流是参考电流IREF，即因VT10、VT11构成微电流源，则利用前面所得的 可得即 ,利用试探法可求得,VT12、VT13组成的是镜像电流源，由于较小， 则利用 可得,2）威尔逊电流源为了在值较低的情况下获得较好的镜像特性，特设计了威尔逊电流源，电路图如图3.6.7所示。在（a）图中，VT1、VT2、VT3是特性完全相同的管子，VT2的发射极和基极短路，所以其相当于一个由发射结构成的二极管，VT1、VT3工作在放大状态，其等效电路如图（b）所示。,（a）威尔逊电流源 （b）威尔逊等效电路图3.6.7 威尔逊电流源及其等效电路,分析（b）图可得 又因为 带入上式可得：又由图可得：,所以得： 当 时， 由于 要比 更容易满足，所以威尔逊电流源比图6.3.1所示的镜像电流源具有更好的镜像特性。即使在值很低的情况下，威尔逊电流源输出电流IO的与参考电流IREF之间的差别也十分微小。,经分析，在=20时，威尔逊电流源的输出电流IO的与参考电流IREF之间的相对误差是0.45%，而镜像电流源的输出电流与参考电流之间的相对误差是9.1%。可见，威尔逊电流源的镜像精度远远高于图6.3.1所示的镜像电流源的镜像精度。且由于威尔逊电流源的输出电阻远大于图6.3.1所示的基本像电流源的输出电阻，威尔逊电流源具有更好的恒流特性，读者可以自行分析之。,6.4 集成运放简介,1）集成运放的组成部分集成运放的内部实质上是一个电压放大倍数很高的、直接耦合的多级放大电路，具有较高输入电阻、较低输出电阻。它通常包含四个组成部分，即偏置电路、输入级、中间级和输出级，如图6.4.1所示。,图6.4.1 集成运放的基本组成部分,集成运放中常用的偏置电路，如镜像电流源、比例电流源和微电流源等；集成运放的输人级大都采用各种形式的差分放大电路，具有很好的抑制零漂的能力。为了提高电压放大倍数，集成运放的中间级常常采用三极管作为有源负载的共射极大电路，而且中间级的放大管有时采用由两个或两个以上三极管组成的复合管。集成运放的输出级几乎都采用各种形式的互补对称电路，以此提高电路的带负载能力。本节以通用型集成运放F007为例分析集成运放的各个组成部分,图6.4.2 F007的电路原理图,（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载。（4） 输出级：T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,2）集成运放的重要技术指标 为了描述集成运放的性能，提出了许多项技术指标，本节介绍集成运放几项常用的、主要的技术指标。 集成运放的符号如图6.4.3所示。由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。两个输入端中，