模拟电子技术江晓安第六章运放

1、第六章 集成运算放大器 第六章第六章 集成运算放大器集成运算放大器 6.1 零点漂移零点漂移 6.2 差动放大电路差动放大电路 6.3 电流源电路电流源电路6.4 集成运算放大器介绍集成运算放大器介绍 6.5 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 第六章 集成运算放大器 输入级中间级输出级偏置电路UoUi图6-1 集成运放框图第六章 集成运算放大器 UotO图6 2 零点漂移 第六章 集成运算放大器 6.2 差动放大电路差动放大电路 6.2.1 基本形式基本形式 RcUoV1V2RcUiUiRsRsRbRbUCCc1c222111122图6 3 差动放大电路的基本形式 第六章 集成运算放大器

2、1. 共模信号及共模电压放大倍数共模信号及共模电压放大倍数Auc RcUoV1V2RcRsRsRbRb UCCc1c22UiRcRcRsRsRbRb UCCc1c22(a) 共模信号UoUo1Uo2111Ui1UidUi2Uid21Uid21V2V1(b) 差模信号1221RL221图 6 4月 差动电路的两种输入信号 21icicUU0icocucUUA第六章 集成运算放大器 2. 差模信号及差模电压放大倍数差模信号及差模电压放大倍数Aud 21iiidUUUidididUUU2121222111iouiouUUAUUA，是V1管的电压放大倍数； ，是V2管的电压放大倍数。第六章 集成运算放

3、大器 因为电路完全对称, 所以单uuuAAA21)(2121221121iiuiuiuiuiuoooUUAUAUAUAUAUUU单单单besLuiiiiuidoudrRRAUUUUAUUA2121)(单单第六章 集成运算放大器 6.2.2 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 Rc UCCc1c2UoUi1V2V1RLRs2 UEEReUi2Rc12Rs1图6 5 长尾式差动放大电路 第六章 集成运算放大器 1. 静态工作点的稳定性静态工作点的稳定性 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112sBeEBEEERIRIUUeEEeBE

4、EEseBEEEEERURUURRUUII221221111EBII,sssRRR21第六章 集成运算放大器 2. 对共模信号的抑制作用对共模信号的抑制作用RcRcUi1V1Rs2ReUi2Rs1V2Ue共Ie c1Ie c2RcRcV1Rs2Rs1V22Re2Rec1c2(a) 共模信号交流通路形式之一(b) 共模信号交流通路形式之二1212图图 6 6 长尾式差放共模交流通路长尾式差放共模交流通路 第六章 集成运算放大器 3. 对差模信号的放大作用对差模信号的放大作用 RcRcRs UCCUo1Uid1V2V1RLRs2 UEEReIe d1Ie d2IedRcRcRsUo1Uid1V2V

5、1RLRs2 UEEUid2Ied0(a) 差模电流情况(b) 差模交流电路1212 UCCUid2图 6-7 长尾电路差模信号工作状况第六章 集成运算放大器 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01121dedededeedIIIIIbesLudrRRA第六章 集成运算放大器 6.2.3 差动放大器的主要指标差动放大器的主要指标1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud idodudUUA2. 共模电压放大倍数共模电压放大倍数Au

6、c icocucUUA 第六章 集成运算放大器 3. 共模抑制比共模抑制比CMRR )(201dBAAgCMRAACMRRucuducud或者第六章 集成运算放大器 4. 差模输入电阻差模输入电阻rid idIdidIUr 5. 差模输出电阻差模输出电阻rod dodoodIUr06. 共模输入电阻共模输入电阻ric icicicIUr 第六章 集成运算放大器 【例1】 设图 6 - 5 所示长尾式差动电路绝对对称, 求其Aud, Auc, CMRR , rid, rod和ric。 解解 由图 6 - 7(b)所示差模交流通路得besLcbesLbesbLbiouidodudrRRRrRRrR

7、IRIUUAUUA)21/()(1111单第六章 集成运算放大器 因为电路绝对对称, 所以在共模输入信号作用下, , 因此21ccUUucudicicccicocucAACMRRUUUUUUA0021由差模交流通路可注意到Ib1d=-Ib2d, 则)(2)()()()(111121121besdbbesdbbesdbdbbesdbbesdbdbiiidididrRIrRIrRIIrRIrRIIUUIUr第六章 集成运算放大器 若共模输入信号的接入方式如图 6 - 8(a), 则cbcbecbcbbescbcbcbicicicicIIRIIrRIIIUIUr2121121)(1 ()(因为, 在

8、共模信号作用下, Ib1c=Ib2c, 所以 ebesicRrRr)1 ()(21第六章 集成运算放大器 若共模输入信号的接入方式如图 6 - 8(b), 则ebesiceicbescbicicicicicRrRIRIrRIIUIUr)1 (2)1 (2)(1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coccodRrRr22第六章 集成运算放大器 RcRc UCCc1c2UoUicV2V1 UEEReRcRcRs1UicV2V1Rs2 UEEUic(a) 两输入端连在一起(b) 输入端分开Rs1Ib cRs2Ib cIicIicIicc1c2 UCC

9、1212Re12图 6 8 两种共模信号接入方式 第六章 集成运算放大器 6.2.4 具有调零电路的差动放大器具有调零电路的差动放大器 V2V1 UEE(a) 发射极调零c1c2 UCCUoReRWRcRcRs1V2V1Rs2 UEEUic1c2 UCCUoReRW2Ui1(b) 集电极调零12Rc1Rc2Rs1Rs2Ui1Ui2图6 9 具有调零电路的差动电路 第六章 集成运算放大器 2)1 (WbesLudRrRRA2)1 ( 2WbesidRrRreWsbeicRRRrr)1 (2)1 (21差模放大倍数Aud 差模输入电阻rideWsbeicRRRrr2)1 (2)1 (共模输入电阻r

10、ic(对应图6 - 8(a) 或者为(对应图6 - 8(b)第六章 集成运算放大器 6.2.5 恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路 OUUI 0U图6 10 恒流源的电流、电压特性IURIUr,第六章 集成运算放大器 V2V1(a) 电路c1c2 UCCUoV3R1R2R3 UEErbeR2R1IbR3Ib33brceIoUo(b) 恒流源等效电路Rc1Rc2Rs1Rs2Ui1Ui2图6 11 恒流源差动放大电路 第六章 集成运算放大器 obebbobebboceboooooIRRRrRIRIIRRrIRIIrIIUIUr21333213/0)()/()()(333333cebebecebe

11、ooorRRRrRRRrRrRRRrRIUr21332132133/1)/()/1 (3第六章 集成运算放大器 设=80, rce=100k, rbe=1k, R1=R2=6k, R3=5k, 则 ro34.5M。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113323sBECEBEEERIRIUUU对应的静态电流为 32121EEEIII第六章 集成运算放大器 6.2.6 一般输入信号情况一般输入信号情况 21iiidUUU)(21212121iiidididUUUUU221iiicUUU1211idiciidiciUUUUUUic

12、ucidudoUAUAU第六章 集成运算放大器 【例【例2】 在图 6 - 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。 解解 因为20lg|Aud|=48dB, 故Aud-251, 而CMR=67dB, 故CMRR2239, 所以 VUAUAUCMRRAAicucidudouduc06. 3201. 5511. 0)01. 55(25111. 02239251第六章 集成运算放大器 6.2.7 差动放大电路四种接法差动放大电路四种接法 1. 双端输入、双端输出双端输入、双端输出 2/LcLbesLioudRRRrRR

13、UUA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 codbesidRrrRr2),(2第六章 集成运算放大器 共模电压放大倍数为 0icocucUUA共模抑制比为 CMRR第六章 集成运算放大器 RcUoV1V2RcRs UCCIRL UEEUiRcUoV1V2RcRs UCCIRLRs UEEUiRcUoV1RcRs UCCIRLRs UEERsRcUoV1V2RcRs UCCIRL UEERs(a) 双端输入、双端输出(b) 双端输入、单端输出(c) 单端输入、双端输出(d ) 单端输入、单端输出Ui1Ui2Ui1Ui2V2图图6 12 差动放大电路的四种接法差动放大

14、电路的四种接法 第六章 集成运算放大器 2. 双端输入、单端输出双端输入、单端输出 LcLbesLudRRRrRRA/21单)(2besidrRrcodRresbeLucRRrRA2)1 (单besebesebesucudrRRrRRrRAACMRR)(22)1 (第六章 集成运算放大器 3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出 iiiiciiiidUUUUUUUU21221121idiidiciidiidiciUUUUUUUUUU21212121212121第六章 集成运算放大器 4. 单端输入、单端输出单端输入、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

15、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。 第六章 集成运算放大器 【例3】电路如图6 - 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

16、管集电极输出, 求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR(设rce3=50 k)。 第六章 集成运算放大器 R2UoR1R3V1V2c1c2 UCC UEERWRc1Rc2Rs1Rs2Ui1Ui2V3图6 13 例3电路图 第六章 集成运算放大器 解解 (1) 静态工作点静态工作点: VUURRRUEECCR87. 5248 . 62 . 22 . 2)(2111设UBE3=0.6V, 则 VUR27. 56 . 087. 53所以VRIUUUIIIIAIIIAmARUIccCCcccEcEEEERE410008. 012,802116016. 03327. 511212211321333第六章

17、 集成运算放大器 VmVRIUUAIIIsBBBcBB016. 01610106 . 16 . 150804611121121所以一般估算时, 认为UB0。 VUUUUVVVUUUUEcCECEBBEEE4 . 3616. 04616. 0)016. 06 . 0()(11211121第六章 集成运算放大器 (2) 差模电压放大倍数: 2)1 (1111WbesLudRrRRA其中 1561 . 0519 .1610100509 .1608. 0265130026)1 (111udEbbbecLAkIrrRR第六章 集成运算放大器 (3) 当RL=100 k时： 521 . 0519 .161

18、03 .33503 .3350/1002/1udLcLAkRRR第六章 集成运算放大器 (4) 当单端输出时(从V1管c1极输出): 2)1 (211WbesLudRrRRA单kRRRLcL50/其中 391 . 0519 .1610505021单udA单端输出时, 共模电压放大倍数为)22)(1 (311oWbesLucrRrRRA单第六章 集成运算放大器 式中 cebeoLcLrRRRrRrkRRR2133/150/33而 kIrrEbbbe6 . 816. 0265130026)1 (33所以 61096. 1507 . 1336 . 8335013or第六章 集成运算放大器 故 013

19、. 03800519 .16105050单ucA其共模抑制比为 dBgAAgCMRAACMRRucuducud5 .6930002012013000013. 039单单单单第六章 集成运算放大器 6.3 电电 流流 源源 电电 路路 6.3.1 镜像电流源电路镜像电流源电路 IR UCCR2IBRL UCCIB1IB2IE1IE2IC1V1V2IR UCCRRL UCCIC2 IoIB2IDE1IE2V2VDE1(a) 镜像电流源(b) 镜像电流等效电路IC2 Io图图 6 14 镜像电流源及等效电路镜像电流源及等效电路 第六章 集成运算放大器 因为V1管的集电极和基极之间短路, 所以V1管仅

20、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 1kTqUsDeII11111kTqUBEsDEeII12222kTqUBEsEeII第六章 集成运算放大器 2222222221212CCCBBCBEBDERIIIIIIIIIII当2时, RUUIIIBECCRCR22又因为 第六章 集成运算放大器 所以当UCCUBE2时, RUICCR当2, UCCUBE2时, 则RUIIICCRCo2第六章 集成运算放大器 6.3

21、.2 威尔逊电流源威尔逊电流源 IR UCCRRL UCCIC3 IoIB1IB2IE3IC1V1V2(a) 威尔逊电流源(b) 威尔逊等效电路2IBV3IB3IC2IR UCC UCCIC3 IoIE3V1V3IB3IDE2IE1IC1IB1VDE2RRL图图 6 15 威尔逊电流源及等效电路威尔逊电流源及等效电路 第六章 集成运算放大器 12EDEII1111111121322CCBCBBEBDEBEIIIIIIIIIII3331EECIII1131221CCCIII第六章 集成运算放大器 3311CRBRCIIIII)2221 (23RCoIII当(2+2+2)2时, RCoRCoIII

22、III3322212第六章 集成运算放大器 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： %45. 0442222222RRoRoIIIII%1 . 922222211RRCRCIIIII而图 6 - 14 的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是： RUUUIIIBEBECCRCo23332ceorr第六章 集成运算放大器 6.3.3 比例电流源比例电流源 IR UCCRRL UCCIC2 IoV1V2IE2Re1Re2IE1IB2图图 6 16 比例电流源比例电流源 第六章 集成运算放大器 222111eEBEeEBERIURIU由于V1与V2的发射结都处于

23、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(6 - 47)得 101 . 021EEII2211eEeERIRI(6-47)第六章 集成运算放大器 当1时RBREoCBCEIIIIIIIII21222221eoeRRIRI21eeRoRRII111eCCeBECCRRRURRUUI第六章 集成运算放大器 所以在 的范围内101 . 0RoII12121

24、eCCeeReeoRRURRIRRI当 时, 上式不再成立, 可用下式估算101 . 0RoRoIIII或oReTReeCoIInRUIRRII1221222221beeeceorRRrr第六章 集成运算放大器 6.3.4 微电流源微电流源 IR UCCRRL UCCIC2 IoV1V2IE2Re2IE1IB2图 6 17 微电流源 第六章 集成运算放大器 2212eEBEBERIUU由电路图可知 调节Re2的值, 使UBE2UBE1，则 IE21, 所以 122222211EBECoEEBIIIIIIII因为IB2IE2IE1，所以121EBERIIII第六章 集成运算放大器 把IoIE2,

25、 IRIE1代入IE2IE1得IoIR。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。 第六章 集成运算放大器 定量分析如下： 22211121221,1SETBESETBEBEBEeEIInUUIInUUUURI21211EETBEBEIInUUU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(6-54)第六章 集成运算放大器 2121EETeEIInURI代入公式(6 - 54)得 因为IE2

26、Io , IE1IR, 代入上式得 oReTCoIInRUII122由电路图可得 RURUUICCBECCR1(6-55)(6-56)第六章 集成运算放大器 【例【例4】在图 6- 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。 解解： 由公式(6 - 55)得 knIInIURoRoTe121010101110101026163632kIUIUURRCCRBECC151011531由公式(6 - 56)得 第六章 集成运算放大器 6.3.5 多路电流源多路电流源 IR706 A1.5 kIC3688 AIC447

27、 A8.6 A1.45 k0.6 AV2V3V40.5 A1.74 k42 AIC1V1 80696.5 A8.6 A图 6 18 多路电流源 第六章 集成运算放大器 6.3.6 作为有源负载的电流源电路作为有源负载的电流源电路 IRRV3V1RLRbUsUBBIC2V2 UCC图6 19 有源负载共射放大器 第六章 集成运算放大器 【例例5】图 6 - 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。 解解 流过电阻R5的电流

28、就是参考电流IR, 即mARUUUUIBEBEEECCR73. 0396 .2851112第六章 集成运算放大器 V10、V11构成微电流源, 根据式(6 - 55)得 410101RIIInUCCRT即 , IC10的单位为微安, 利用作图法或试探法求得IC1028A。 V12和V13组成镜像电流源,由于较小,则利用式(640)得10107302613CCInI1213365. 073. 022221313CRCImAII第六章 集成运算放大器 V13V11R5IRV12UCC15 V39 kR43 kIC10 UEE15 VV10IC13图 6 - 20F007中的电流源电路 第六章 集成

29、运算放大器 6.4 集成运算放大器介绍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。 第六章 集成运算放大器 15 VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5IR30 pFR7R8V15V18V19V14VD1VD2R9R10 15 V8uiIC1 k50

30、 kRw3 k39 kC4.5 k7.5 k50 k25 kuo外接调零电位器输入级偏置电路中间级输出级9IC101 k图图 6 21 F007的电路原理图的电路原理图第六章 集成运算放大器 6.4.1 偏置电路偏置电路 UCC UEER5V11R4V10V12V13至中间级IR至输入级I34IC9V9V8IC8IC13IC10图图 6 - 22F007的偏置电路的偏置电路 第六章 集成运算放大器 51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICC第六章 集成运算放大器 6.4.2 输入级输入级 V8V9V2V4I34UoV61 k50 k1 kV7V5V3V115 V15 VI I

31、CIC9Ui1Ui21 k10 k10图 6 23 的输入级 F007第六章 集成运算放大器 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: 910981234CCCCIIIIIIITCC(因为IC10是恒定电流)12CCII34CCII第六章 集成运算放大器 6.4.3 中间级中间级 7.5 kR84.5 kR7R539 kIR30 pFV16V11V17V12V13IC133 kV10Ui15 V至输出级15 VV15图 6 24 F0 0 7的中间级 第六章 集成运算放大器 6.4.4

32、输出级和过载保护输出级和过载保护 V15VD1VD2R7R8V16V17V18V19R10R9V14V13Ui15 V15 VUo图 6 -25F0 0 7的输出级 第六章 集成运算放大器 6.5 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 1. 开环差模电压放大倍数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idoodUUA 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。 第六章 集成运算放大器 2. 最大输出电压最大输出电压U op-p 0.1 0.2 0.3

33、 0.4Uid / mV0.10.20.30.41010线性区Uo / VUid0图图 6 26 集成运放的传输特性集成运放的传输特性第六章 集成运算放大器 3. 差模输入电阻差模输入电阻rid 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=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。 第六章 集成运算放大器 4. 输出电阻输出电阻ro 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Io max表示它的极限负载能力。 认为理想集成运放的ro为零。 5. 共模抑制比共模抑制比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。 第六章 集成运算放大器 6. 最大差模输入电压最大差模输入电压Uid max 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