第五章+集成运算放大器的单元电路

1 第五章集成运算放大器的单元电路 2 5 1引言 3 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路 原理方框图 运算放大器方框图 5 2 1集成运放的组成 5 2集成运算放大器概述 4 1 输入级 一般采用双端输入高性能的差分放大电路 要求输入电阻大 差模放大倍数大 抑制共模信号的能力强 静态电流小 4 偏置电路 为各级放大电路提供合适的静态工作点 3 输出级 多采用PNP和NPN两种极性的晶体管或复合管构成的互补对称输出电路 输出级应具有输出电压范围宽 输出电阻小 带负载能力强 非线性失真小等特点 2 中间级 提供高的电压增益 以保证运算放大器的运算精度 中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大电路 各部分的作用 5 5 2 2集成运放的符号和电压传输特性 运算放大器的符号 a 国标符号 b 常用符号 同相输入端 反相输入端 输出端 6 集成运放的电压传输特性 集成运放是双端输入 单端输出 具有高差模放大倍数 高输入电阻 低输出电阻 能很好抑制温漂的直接耦合放大电路 集成运放符号 Uom Uom 集成运放的电压传输特性 非线性区 线性放大区uO Aod uP uN Aod差模放大倍数 非线性区 当uP uN时 uO UOM 当uP uN时 uO UOM 此时 集成运放工作在非线性区 或饱和区 0 7 理想集成运放的电压放大倍数无穷大 输入电阻无穷大 输出电阻为零 通频带的上限大于工作信号频率的上限 失调电压等于0 理想集成运放的电压传输特性 Uom Uom 理想运放的电压传输特性 0 理想运放符号 线性放大区Aod 8 基本放大电路的放大倍数通常只能达到几十倍至一 二百倍 在要求放大倍数更高时 就要由多个单元电路级联成多级放大电路 多级放大电路的级与级之间 信号源与放大电路之间 放大电路与负载之间的连接均称为耦合 常见的耦合方式有四种 1 直接耦合 2 阻容耦合 3 变压器耦合 4 光电耦合 5 3 1多级放大电路的耦合方式 5 3多级放大电路 9 将前一级的输出端直接接到后一级的输入端 或者级间通过电阻连接的耦合方式 称为直接耦合方式 直接耦合放大电路各级的静态工作点互相影响 将基本放大电路去掉耦合电容 前后级直接连接 直接耦合放大电路 集电极电位随着放大级数的增加而逐级提高 1 直接耦合 10 两级阻容耦合放大电路 将放大器前级的输出端通过电容接到后级的输入端 称为阻容耦合 第一级为共射放大电路 第二级为共集放大电路 2 阻容耦合 11 5 3 2 零点漂移 输入电压为零 而直接耦合放大电路静态工作点的输出电压随时间缓慢变化的现象 称为零点漂移 零点漂移的特点是缓慢变化 无规则 且趋向一个方向变化 零点漂移的测试电路 输出电压的漂移 12 1 电压源不稳定 2 电路元器件老化 3 器件特性随温度变化 主要原因 温漂 零点漂移现象产生的原因 13 克服零点漂移现象的方法 1 在电路中引入直流负反馈 例如静态工作点稳定电路中的Re 随着温度升高 UE IERe升高 而UB基本不随温度变化 所以UBE下降 IE增加受到抑制 2 采用温度补偿的方法 例如利用热敏元件Rb2来抵消晶体管参数的变化 随温度升高 Rb2减小 UB减小 所以UBE下降 IE增加受到抑制 克服零点漂移方法举例 温度升高 14 3 采用特性相同的晶体管 使它们的温漂相互抵消 例如差分放大电路 电路的输出是从两个特性一致的晶体管的集电极取出 而不是从集电极对地取出 随着温度变化 两集电极电位同步增加或减少 故输出为0 利用特性一致抑制零点漂移 温度升高 温度下降 15 NPN PNP的多级放大电路 电流源电位移动电路 采用NPN PNP管的组合来实现电位移动 也常采用一种电流源电位移动电路 不致引起集电极电位逐级升高 电流源IO在电路中的作用相当于有源负载 其直流电阻较小 与R1分压后 使输出端的直流电位UO较低 有源负载的交流电阻很大 R1上的交流信号损失较小 采用恒流源既实现了直流电位的合理移动 又保证了信号的有效传输 UC1 UB2 5 3 3直接耦合放大电路的电位移动 16 在计算总放大倍数时 必须考虑前后级的相互影响 一般有两种处理方法 1 将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑 称为输入电阻法 设多级放大电路的电压放大倍数为Au 而每一级的电压放大倍数为Au1 Au2 Aun 则总电压增益为 5 3 4多级放大电路电压放大倍数的计算 17 多级放大电路输入电阻就是其第一级的输入电阻 即 多级放大电路输出电阻就是其末级的输出电阻 即 2 将前级作为后级的信号源来考虑 信号源的电压为前级的开路电压 信号源的内阻为前级的输出电阻 称为开路电压法 输入电阻 输出电阻 18 两级放大电路的分析实例 两级放大电路 例03 01 已知晶体管的 1 2 100 UBE1 UEB2 0 7V rbb 300 求电路的电压放大倍数 VCC 19 1 静态分析在输入端用戴文宁定理计算开路电压和等值内阻 20 21 输入电阻法 2 电压放大倍数一 输入电阻法 1 将第二级用输入电阻Ri2代替 并联在第一级的输出端 2 将Ri2作为第一级的负载电阻 计算第一级的电压增益 3 再计算第二级的电压增益 最后计算总电压增益 VCC 22 例求图03 02 01所示电路的电压放大倍数 已知晶体管的 1 2 100 UBE1 UBE2 0 7V rbb 300 23 二 开路电压法 开路电压法 1 将第二级开路 即RL1 Ri2 2 计算第一级的开路输出电压u o1和内阻Ro1 3 将u o1和Ro1作为一个新的信号源加到第二级的输入端 求解第二级的电压增益及总增益 VCC 24 开路电压法 例求图03 02 01所示电路的电压放大倍数 已知晶体管的 1 2 100 UBE1 UBE2 0 7V rbb 300 等效电路图 25 等效电路图 26 用开路电压法推导 可见 两种方法所导出的计算公式一致 所以结果相同 用输入电阻法推导 27 如果求从us算起的电压源增益 需计算第一级的输入电阻 计算结果 28 1 镜像电流源 若 2 则IC IR 所以IC2和IR是镜象关系 镜象电流源电路的特点是两晶体管的集电极电流相等 设集成工艺制作的VT1和VT2对称 于是有 1 2 UBE1 UBE2 UBE IB1 IB2 镜像电流源 则有 5 4集成运放中的电流源 29 2 微电流源 微电流源电路 为了提供很小的静态电流 又不使用大电阻而设计的 通过接入Re得到一个比基准电流小许多倍的微电流源 适用微功耗的集成电路中 由图可得 若Re为几千欧 则IC2为几十微安 且 微电流源 由VT1的集电极回路可得 如果已知VCC和电流值 很容易确定电阻R和Re 3 多路电流源 根据所需静态电流 来选取发射极电阻的数值 UBE0 IE0Re0 UBE1 IE1Re1 UBE2 IE2Re2 UBE3 IE3Re4 因为UBE相差不多 故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 集成运放是多级放大电路 因而需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流 可以利用一个基准电流IR获得多个不同的输出电流IC1 IC2和IC3 多路电流源 31 差分放大电路 简称差放 能放大两个输入信号之差 差放只对输入信号的差有响应 由于它具有优异的抑制零点漂移的特性 因而成为集成运放的基本单元电路 5 5 1差分放大电路的组成 差分放大电路 5 5差分放大电路 2020 4 21 差分放大电路是由对称的两个共射基本放大电路 通过射极电阻Re耦合构成的 晶体管VT1 VT2 特性一致 即 1 2 UBE1 UBE2 UBErbe1 rbe2 rbe电路参数 对应相等 即Rc1 Rc2 RcRs1 Rs2 Rs 差分放大电路 2020 4 21 5 5 2差分放大电路的输入和输出方式 信号从晶体管的两个基极加入称为双端输入 信号从晶体管的一个基极加入称为单端输入 差分放大电路可以有两个输出端 集电极c1 c2 从集电极c1和c2输出称为双端输出 仅从集电极c1或c2对地输出称为单端输出 差分放大电路的四种接法 1 双端输入双端输出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 34 交直流信号 直流信号 差模信号 若uI1 uI2为两个幅度相等 极性相反的信号 称其为差模信号 分别用uId1 uId2表示 则有 1 差模信号 设uI1 uI2为差分放大电路的两个输入信号 uI1 uI2 差模信号可以是直流信号 交流信号 也可以是交直流混合信号 若输入信号任意时 差模输入电压为 5 5 3差模信号和共模信号 35 2 共模信号 直流信号 交直流信号 若uI1 uI2为两个幅度相等 极性相同的信号 称为共模信号 分别用uIc1 uIc2表示 则有 共模信号 uI1 uI2 共模信号可以是直流信号 交流信号 也可以是交直流混合信号 共模输入信号 36 5 5 5差分放大电路差模动态分析 因为Re中的电流ie1增加 ie2减少 且增量和减量相等 所以 Re中的电流不变 即交流电位为零 ue 0 中点交流地 差模输入时 RL的中点相当于零电位点 等效地 对VT1 VT2各占 1 双入双出差分放大电路 双入双出差放的差模工作方式 0 2020 4 21 当有差模信号输入时差分放大电路的一个集电极电位升高 RL的中点相当零电位 差分放大电路对差模信号才有放大能力 双入双出差放RL的中点零电位 38 双入双出差放的微变等效电路 微变等效电路 双入双出差分放大电路的微变等效电路与共射放大电路Re接有旁路电容Ce的情况相同 而集电极对地的负载电阻是RL的一半 39 在求双入双出差分放大电路的差模电压放大倍数时 因电路的对称性 只采用半边微变等效电路即可 差模电压放大倍数Aud 40 差模输入电阻Rid 求双入双出差放的差模输入电阻 41 差模输出电阻Rod 求双入双出差放的差模输出电阻 根据输出电阻的定义 应将源输入电压短路 保留内阻RS 将负载电阻RL开路 从微变等效电路即可看出输出电阻 从微变等效电路即可看出输出电阻 42 2 双入单出差分放大电路 a 集电极c1输出 b 集电极c2输出 双入单出差分放大电路 双入单出差分放大电路的负载电阻可从c1输出 也可以从c2输出 双入单出差分放大电路的差模工作状态与双入双出差放差别不大 只是单端输出只获取了两集电极之间输出变化量的一半 故电压增益比双入双出差放减半 43 双入单出差放电路差模电压放大倍数 双入单出差放的微变等效电路 双入单出差放的微变等效电路对应从c1输出 可得差模电压放大倍数 差模输入电阻和输出电阻如下 c1 从c1输出为负 44 双入单出差放的微变等效电路 双入单出差放对应从c2输出 可得出电压放大倍数 差模输入电阻和输出电阻如下 c2 从c2输出为正 45 3 单入双出差放电路 单端输入双端输出差分放大电路及其等效 单端输入双端输出差分放大电路 由于单端输入可以等效为双端输入 所以 图 a 的差分放大电路可按双入双出差分放大电路来进行分析 a b 1 输入信号的变换 46 单端输入双端输出差分放大电路及其等效 将图 b 的输入改变一下 两个基极加的信号视为差模信号 两差模信号的公共端接地的信号视为共模信号 见图 c 根据图 b 和图 c 可得 b c 47 单入双出差放的微变等效电路 2 差模微变等效电路 单入双出差分放大电路的微变等效电路 发射极交流电位为0 集电极对地的负载电阻是RL的一半 48 在求单入双出差分放大电路的差模电压放大倍数时 因电路的对称性 只采用半边微变等效电路即可求出电压放大倍数 3 差模电压放大倍数Aud 49 4 差模输入电阻Rid 求单入双出差放的差模输入电阻 50 5 差模输出电阻Rod 求单入双出差放的差模输出电阻 根据输出电阻的定义 应将源输入电压短路 保留内阻RS 将负载电阻RL开路 从微变等效电路即可看出输出电阻 从微变等效电路即可看出输出电阻 51 4 单入单出差分放大电路 单入单出的差分放大电路可以等效为双入单出的差分放大电路 它的输出只是从一个集电极取出 只利用了双端输出的一半 所以 它的电压放大倍数只是双端输出的二分之一 其他动态技术指标见表 单端输入单端输出差分放大电路 52 双入双出双入单出单入双出单入单出 输入双端输入双端输入单入可转单入可转换为双入换为双入输出c1和c2c1对地或c1和c2c1对地或之间输出c2对地输出之间输出c2对地输出发射极交流电位UeUe 0集电极双出RL 2单出RL双出RL 2单出RL负载电阻RL中点交流0RL中点交流0 差分放大电路动态差模工作状态 差模电压增益 差模输入电阻 输出电阻 53 5 5 6差分放大电路共模动态分析 共模输出电压 共模电压放大倍数 T和VCC的变化相当共模输入 温度和电源电压等因素的变化相当共模输入 使两只晶体管的集电极电流同时增加或减小 于是两晶体管的集电极电位同时减小或增加 双端输出差放的共模工作方式 1 双入双出 54 双入双出差分放大电路的共模抑制比 差分放大电路很难做到完全对称 零点漂移也不能完全被克服 但将受到很大的抑制 差分放大电路抑制共模信号的能力 抑制零漂的能力 用共模抑制比来衡量 即 若双入双出差分放大电路完全对称 则 在共模信号输入时 差分放大电路的两集电极电位同时升高或同时下降 两集电极之间无输出 差分放大电路对共模信号放大近似为0 如果改为单端输出情况就不同了 55 2 双入单出差分放大电路共模动态分析 共模输入下的双入单出差分放大电路 差分放大电路所以能够抑制共模信号 一是电路的对称性 二是依靠发射极电阻Re的反馈作用 对于双端输出差放 这两个因素都得到利用 对于单端输出差放电路就不能利用电路的对称性来抑制共模信号 所以 单端输出的共模抑制能力比双端输出的差放要低 单端输出差放电路可以从c1输出 也可以从c2输出 二者共模放大倍数一样 为了了解差放电路对共模信号的抑制能力 需要求解共模电压放大倍数和共模抑制比 56 共模电压放大倍数 共模输入下的双入单出微变等效电路 差放共模微变等效电路 因两只晶体管的电流是同时增加或减小 所以用2Re来代替Re 这一点与差分放大电路静态计算时一样 57 双入单出差分放大电路的共模抑制比 Re越大 KCMR越大 共模抑制能力越强 提高共模抑制比 是提高差分放大电路抑制零点漂移 温漂 能力的有效手段 1 差分放大电路的对称性 2 增大Re 共模抑制比KCMR的定义是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数绝对值之比 有时也采用分贝数来表示 58 3 长尾式差分放大电路 长尾式差分放大电路 长尾式差分放大电路 根据提高共模抑制比 需要增大发射极电阻Re而设计的 Re的增大 为了保证工作点不变 就需要加大负电源的绝对值 为了解决增大Re与负电源的矛盾 利用电流源的直流压降小 而动态电阻又大的特点 采用电流源 取代Re 这就是长尾式差分放大电路 图中VT3 VDz R和Re构成电流源 IE3的数值 59 3 单入双出差分放大电路共模动态分析 差分放大电路只要是双端输出 在理想的条件下 电路完全对称 它的共模输出电压等于0 共模放大倍数等于0 共模抑制比等于无穷大 单入双出差分放大电路的共模分析 共模输入 在共模信号的输入下 两集电极电位同时等量增加或减小 差分放大电路的共模输出uOc 0 60 差分放大电路很难做到完全对称 零点漂移也不能完全被克服 但将受到很大的抑制 手册给出的就是实际的共模抑制比 一般在80dB 120dB 若单入双出差分放大电路完全对称 则 共模输出电压 共模电压放大倍数 61 4 单入单出差分放大电路共模动态分析 单入单出差分放大电路的共模工作状态 共模放大倍数和共模抑制比与双入单出差分放大电路一样 见表 单入单出差分放大电路的共模分析 共模输入 62 双入双出双入单出单入双出单入单出 输入双端输入双端输入等效双端输入等效双端输入输出c1和c2c1对地或c1和c2c1对地或之间输出c2对地输出之间输出c2对地输出发射极电阻Re按2Re计算集电极接c1和c2接c1对地接c1和c2接c1对地负载电阻之间或c2对地之间或c2对地 差分放大电路动态共模工作状态 共模电压双端输出Auc 0单端输出增益 共模双端输出KCMR 单端输出抑制比 63 恒流源式差分放大电路 恒流源式差分放大电路 根据提高共模抑制比 需要增大发射极电阻Re而设计的 Re的增大 为了保证工作点不变 就需要加大负电源的绝对值 为了解决增大Re与负电源的矛盾 利用电流源的直流压降小 而动态电阻又特别大的特点 采用电流源 取代Re 这就是电流源 长尾式 差分放大电路 图中VT3 VDz R和Re构成电流源 IE3的数值 5 5 7具有恒流源的差分电路 64 导通角 360 效率 50 导通角 180 效率 78 5 导通角稍大于 180 效率 接近乙类 导通角 180 5 6 1概述 晶体管的工作状态 晶体管的工作状态 根据晶体管在输入信号的一个周期内导通时间的多少来定义晶体管的工作状态 导通时间常用导通角 表示 5 6互补功率放大电路 65 功率放大电路 简称功放 能够向负载提供足够的输出功率 功率放大电路必须考虑效率问题 为了降低静态时的工作电流 晶体管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态 但同时产生了失真问题 必须解决乙类工作状态下的失真问题 乙类工作状态才能实用 平均电流下降 静态功耗虽然减小 但失真严重 图04 05 02晶体管乙类工作状态失真严重 66 5 6 2互补输出级基本电路的特点 为了解决乙类状态下的失真问题 常采用乙类互补输出电路 如图04 05 03所示 它是由一对特性一致的NPN和PNP晶体管 按射极输出器的电路形式组合而成 两管的基极相连作为输入端 两管的发射极相连作为输出端 以RL为负载电阻 NPN管用 VCC供电 PNP管用 VCC供电 射极输出器具有输出电阻小 负载能力强的优点 图04 05 03乙类互补输出级 67 a b c 图04 05 04正负半周波形合成的原理 正负半周波形的合成见图04 05 04 在负载RL上就得到合成的正负半周正弦波 以解决失真问题 见图04 05 05 图04 05 05正负半周合成的波形图 68 互补输出级基本电路的交越失真 因晶体管存在死区 若输入信号小于开启电压 则晶体管不导通 所以乙类互补输出电路在输入信号正 负半周交替过零处 因晶体管存在死区 导致集电极电流为0 从而形成的非线性失真 称为交越失真 见图04 05 07 uo 图04 05 07交越失真 死区 69 图04 05 07交越失真示波器波形图 为消除交越失真 可给晶体管稍稍加一点偏置 使之处于微导通状态 消除死区 即工作在甲乙类 只要一加入信号 晶体管立刻导通 70 消除交越失真的互补输出级 为消除交越失真 使晶体管处于微导通状态 消除死区 即工作在甲乙类 只要一加入信号 晶体管立刻导通 图04 05 08甲乙类互补输出极放大电路 因为二极管的正向压降与发射结的死区电压差不多 用二极管提供偏置可消除交越失真 晶体管的导通角稍大于 这种甲乙类互补功率放大电路 见图04 05 08 71 为了便于调节甲乙互补电路的导通角 用电压倍增电路取代二极管 见图04 05 09 由图可知 UCE4正好等于VT2加VT3的偏压 而UCE4取决于UBE4和电阻R1 R2 因晶体管VT4的发射结压降UBE4基本不变 调整电阻R1 R2可使UCE4增大或减小 即调节了VT2和VT3的偏置 以达到甲乙类工作状态 图04 05 08UBE倍增甲乙类互补电路 72 2 参数计算 2 1输出功率 输入 输出均为正弦波 负载上的最大不失真功率 忽略晶体管的饱和压降时 73 2 2输出功率与晶体管的功率损耗 1 输出功率 2 电源功率 3 晶体管的管耗 晶体管的管耗等于电源输出功率与向负载提供功率之差 具有非线性的关系 图04 05 06最大管耗曲线 74 可对晶体管管耗的表达式求微分 得出当Uom 0 64VCC时 可求出管耗的最大值 对互补输出级的一只晶体管 图04 05 06最大管耗曲线 75 当Uom VCC时效率最大 2 3效率 76 5 6 3单电源互补功率放大电路 77 5 6 4复合管 为了增大输出电流 输出级可采用复合管结构 既提高电流放大系数 又减小前级驱动电流 其次 大功率晶体管难于得到特性一致的NPN PNP互补对管 而同极性的大功率容易获得特性一致的对管 采用复合管则容易解决NPN PNP互补对管特性一致的问题 图04 05 09采用复合管的准互补输出级 78 采用复合管的准互补输出级 静态时 动态时 79 5 7集成运放的参数和种类 80 5 7 1集成运放的主要参数 1 开环差模电压放大倍数Aud 集成运放在无外加反馈时 输出电压的变化量与输入电压的变化量之比称为开环差模电压放大倍数Aud 通用型集成运放的Aud大都在80dB 100dB左右 2 差模输入电阻rid rid是集成运放在输入差模信号时的输入电阻 3 共模抑制比KCMR 共模抑制比等于差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比的绝对值 也常用分贝数来表示 81 4 输入失调电压UIO及其温漂dUIO dT 由于集成运放的输入级电路参数不可能完全对称 输入电压为零时 输出电压不为零 输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压 输入失调电压的温漂是指温度每变化1C 时 输入失调电压的变化量 5 输入失调电流IIO及其温漂dIIO dT 反映集成运放的输入级差分对管输入电流的不对称程度 6 输入偏置电流IB 输入级差分对管输入电流的基极 栅极 偏置电流的平均值 即 82 8 最大差模输入电压UIdmax UIdmax是不至于使输入级差分管反向击穿损坏的最大差模输入电压 9 3dB带宽 当频率升高使Aud下降3dB时的信号频率 11 单位增益带宽fc 使Aud下降到1时所对应的信号频率 7 最大共模输入电压UIcmax UIcmax为输入级能正常放大差模信号时 容许输入的最大共模信号 83 主要参数CF741典型值理想值开环差模增益Aod106dB 差模输入电阻rid2M 共模抑制比KCMR90dB 输入失调电压UIO 1mV0UIO的温漂dUIO dT 几 V 0输入失调电流IIO IB1 IB2 20nA0UIO的温漂dUIO dT 几nA 0最大共模输入电压UIcmax 13V最大差模输入电压UIdmax 30V 3dB带宽fH10Hz 转换速率SR duO dt max 0 5V s 2 集成运放CF741的主要参数 84 一 集成运放的种类 1 按工作原理 电压放大型 输入量与输出量均为电压电流放大型 输入量与输出量均为电流跨导型 输入量为电压 输出量均为电流互阻型 输入量为电流 输出量均为电压 2 按可控性 可控增益 利用外加控制电压控制增益的大小选通控制 输入为多通道 利用输入的逻辑信号控制某个通道的信号放大 5 7 2集成运放的种类及选择 85 3 按性能指标 通用型运算放大器 通用型运放的技术指标比较适中 价格低廉 通用型运放也经过了几代的演变 早期的通用 型运放已不使用了 目前多使用 型 型运放 以典型的通用型运放CF741 A741 为例 输入失调电压1 2mV 输入失调电流20nA 差模输入电阻2M 开环增益100dB 共模抑制比90dB 输出电阻75 共模输入电压范围 13V 转换速率0 5V s 其他通用型运放还有四运放CF124 224 324等多种 型号中CF124为军品 CF224为工业品级 CF324为民品级 通常情况下用通用型运放 特殊情况下用专用型运放 86 高精度型 低失调 低温漂 低噪声 高增益 Aod高于105dB 用于微弱信号的测量与运算 高精度设备 例如 OP177CF714低功耗型 工作电源电压低 静态功耗小 在100 200 W 用于空间技术 军事科学和工业中