第三章集成运算放大电路

1、第三章第三章 集成运算放大电路集成运算放大电路3.2 3.2 电流源电路电流源电路3.3 3.3 差动放大器差动放大器3.5 3.5 输出级电路输出级电路3.1 3.1 集成运算放大电路特点集成运算放大电路特点3.4 3.4 中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路第三章第三章集成运算放大电路集成运算放大电路 集成电路是60年代初发展起来的一种电子器件。它是在一块硅单晶片上制成多个二极管、三极管、电阻、电容等器件,并将它们连接成实现一定电功能的电子线路。 可见 集成电路集成电路是元器件元器件和电路电路融合成一体的集成组件。3.1 集成运放电路的特点集成运放电路的特点 理想的运放应

2、具有理想的运放应具有 电压增益高、 输入电阻大、输出电阻小、 工作点漂移小。第三章第三章集成运算放大电路集成运算放大电路 所以 在运放的电路设计上具有如下几个特点：特点：1. 级间采用直接耦合方式。因为集成块中 (以现在的工艺)不能制作大容量的电容器2. 为克服直接耦合电路的温漂,采用温度补 偿手段差动放大器差动放大器。 利用两个晶体管参数的对称性来抑制温漂3. 大量采用晶体管、场效应管构成的恒流恒流 源源来代替大阻值的电阻或用来设置 电路的静态电流。第三章第三章集成运算放大电路集成运算放大电路4. 采用复合管的接法以改进单管的性能 典型集成电路的原理图典型集成电路的原理图 输入级输入级 由各

3、种改进型的差分放大器 组成，提供与输出成同相同相和反相反相关系 的两个输入端，并尽量减少温漂。 第三章第三章集成运算放大电路集成运算放大电路 中间级中间级 多采用有源负载的共射、共源放大器 。 要求：要求： 高增益 输出级输出级 由源极或射极跟随器组成， 提供一定的电压和电流变化。 要求要求: 零输入时零输出、低输出抗阻、高效率 偏置电路、有源负载偏置电路、有源负载 由恒流源组成电平位移电路电平位移电路 使输入端对地电压为零时 输出对地电压也为零另外还有：要求要求：零输入时低温漂、高输入抗阻，高共模抑制比。3.2电流源电路电流源电路 作为作为偏置偏置 ：为：为各级提供稳定的直流偏置各级提供稳定

4、的直流偏置 作为作为有源负载有源负载 ：用于：用于提高放大器的增益提高放大器的增益一一. .晶体管电流源电路晶体管电流源电路 从晶体管的输出特性看，工作在放大放大区区的晶体管，当I IB B一定，即使V VCECE有较大变化，I IC C几乎不变。3.2二二. .镜像电流源镜像电流源 由两个性能上性能上完全配对完全配对的晶体管和一个电阻R组成为提高精度，这根为提高精度，这根短路线短路线可用晶体管代替可用晶体管代替。P89电流源电路电流源电路3.2RVRVVICCBECCR21222CRBRCCIIIIII212RCII1RCII2因为 一般情况下电流源电路电流源电路3.2上述电路可推广得到多路

5、电流源参考电流参考电流电流源电路电流源电路)1 (4151432RCCCIIIIRUUIBECCR)2(3.2三三. .比例电流源比例电流源若要Ic2Ir，但与 Ir成一定比例时可采用此电路rCIRRI212111RRURRUUIrCCrBECCr其中 电流源电路电流源电路3.2四四. 微电流电流源微电流电流源 在上述恒流源电路中,若要得到极小电流,则要增大电阻R的值。这在集成工艺中很难实现, 则可利用比例恒流源，并使R1=0* *设计中一般先确定Ic2和Ir的数值， 再去求R2的值电流源电路电流源电路2222lnCrTBECIIRURUI3.2五五. 负反馈型电流源负反馈型电流源 引入电流负

6、反馈稳定输出电流威尔逊电流源威尔逊电流源电流源电路电流源电路3.3 输入级输入级 差动放大电路差动放大电路对于单级共射放大器，在静态时由于温度、电源波动等因素的影响，会使工作点偏移，这种现象称零点漂移现象 对于直接耦合放大电路，这种漂移会逐级放大，当漂移达到一定程度时,会使各级放大器进入截止或饱和,使整个放大电路无法正常工作，所以 采用差分放大器能有效克服零点漂移一电路特点一电路特点电路 ：由两个相互为发射极耦合 的共射电路组成 3.3要求：两个共射电路完全对称特点：有两个输入端和两个输出端，所以共有四种组态： 单端输入、单端输出 单端输入、双端输出 双端输入、单端输出 双端输入、双端输出输入

7、级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3二性能分析二性能分析1. 静态时（即静态时（即V Vi i0 0时）时） 要求：差分放大器双端输入电压为0时， Vo=0。即零输入时零输出。UE= -UBE -0.7V 流过流过R RE E 的电流的电流 EEEEEEERURUUI7 . 0）（故电路对称时 I IC1QC1Q=I=IC2QC2QIIE1QE1Q=I=IE2QE2Q=I/2=I/2 U UC1QC1Q= =U UC2QC2Q= =U UCCCC- -I Ic cR RC C 输入级输入级 差动放大电路差动放大电路U U0 0=U=UC1C1-U-UC2C2=0=03.3 *当两管的特性和

8、参数不完全一致或两边RC不等时，为实现静态输入电压为零时输出端静态电压也为零，可在两个集电极或发射极之间加电位器RW,调节RW使放大器的静态输出电压为零。2.2.差模放大特性差模放大特性差模信号差模信号 幅度相等，相位相反 的一对输入信号即 Ui1=Uid1, Ui2=Uid2 而Uid1= -Uid2 输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3此时流过T1T1管的电流：iC1=IC1+IC 流过T2T2管的电流：iC2=IC2-IC则流过RE的电流不变，仍为静态电流IEE,静态电压为R REI IEE而不产生差模信号电压。所以，所以，对差模信号而言，对差模信号而言，R RE可视可视为短路为

9、短路又又: 在差模输入时，两管输出端电位一端升 另一端降。且，升的量等于降的量所以，所以，双端输出时双端输出时, R, RL L的中点电位为的中点电位为 差模地端差模地端, , 每管负载为每管负载为 1/2 RL L输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3则可画出差模 等效电路差模输入电阻 从两输入端看进去Rid = 2 rbe （双入）Rid = 2 rbe （单入）若 RWE0,Rid=2rbe+(1+)RWE/2差模输出电阻Rod = 2RC （双出）Rod = RC （单出）输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3 差模电压增益（只与输出端有关）若RW0，则 可见 单端输出 是

10、 双端输出的一半， 且两个输出信号的相位相反。双端输出：单端输出：Aud= idodUUid1od1UUid2od2UUbeLrR=udidodidodudAUUUUA212111)(单udidodidodudAUUUUA212112)(单2)1 (WbeLudRrRA输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3. 共模抑制特性共模抑制特性 共模信号共模信号幅度与相位均相同的 一对输入信号 即:Ui1= Uic1 Ui2=Uic2 = Uic1此时，T1管电流：iC1=IC1+IC T2管电流：iC2=IC2+IC则流过 RE的共模信号为单管的两倍3.3输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3

11、 从等效观点来看，每管发射极相当于接入相当于接入2RE 的的电阻电阻。 在输出端，由于共模输入信号引起两个管子集电极的电位变化完全相同。 流过负载的电流为流过负载的电流为零，零， 相当于相当于RL开路开路输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3则可画出共模等效电路* * 共模电压放大倍数共模电压放大倍数021icOCOCicOCucUUUUUA双端输出时：单端输出时：ECEbeCucRRRrRA221)(）（单输入级输入级 差动放大电路差动放大电路icocicocucUUUUA21)(单从上式看出 : RERC， |Auc单单|UCQ2(UCQ1)，则T2管将进入饱和区。即Ui1UCQ1=

12、3.86V若(Ui1-UBE2)(UBQ3+UBE2)=-4+0.7=-3.3V最大共模输入范围 -3.3VUi13.86V输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3三三. . 差动放大电路的传输特性差动放大电路的传输特性放大器的输出电流 和输出电压与差模 输入电压的函数关系)2(th21TidccUuIii)1 ()1 () 1() 1(21212121222111EEEEEEEETBESTBESETBESTBESEiiiiiiiiIuueIuueIiuueIuueIi)2(thTidcoUuIRu输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3双端输出时,输出电压的幅值为 V VOMOM=I

13、=IEEEER RC C单端输出时,输出电压的幅值为V VOM1OM1=V=VOM2OM2=1/2 I=1/2 IEEEER RC C讨论：讨论：1.两管集电极电流之和恒等于I IEEEE其中一管电流增大,另一管电流必相应减少在U Uidid0 0时，放大器处于静态工作状态，此时，I ICQ1 CQ1 =I=ICQ2 CQ2 =1/2 =1/2 I IEEEE输入级输入级 差动放大电路差动放大电路: )( 4 此时一个管子截止时当TidUU3.32.当|U|Uidid| |UUT T(26mv(26mv) )时， 在原点附近的差模传输特性曲线可近似看 作一条直线。即传输特性为线性特性3.当|U

14、|Uidid|4U4UT T(100mv(100mv) )时,传输特性趋于水平。此时输出电流I IC1C1、I IC2C2基本不变。 这表明差分放大器在大信号输入时具有良好的限幅特性。此时一管截止，恒流源电流全部流入另一管。输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.34.为了扩展传输特性的线性范围可在两管的射极串接负反馈电阻R或在基极串接电阻R RB B，且R R,R RB B越大，线性范围也越大。输入级输入级 差动放大电路差动放大电路3.3 理想对称的差动放大器当输入信号为零时，双端输出电压应为零，而实际中，零输入时输出电压不为零失调失调四四. .失调或漂移失调或漂移输入级输入级 差动放大电

15、路差动放大电路3.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路中间级要求高增益。有多种实现方法：方法一，采用多级级联；方法二，为减少级数可提高放大器的负载电阻，而电流源具有很大的动态电阻（直流电阻小、交流电阻大），所以可使放大器具有极高的电压增益。 有源负载电路有源负载电路 以有源器件的动态电阻 作为大的负载电阻的电路3.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路1.1.共射放大器共射放大器T2、T3构成镜像恒流源电路作为T1管的集电极负载2.2.共集共集放大器（放大器（A AU U11，无电压放大），无电压放大）3.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负

16、载电路3. 具有倒相功能的共射放大器具有倒相功能的共射放大器 4. 差动放大器差动放大器T3、T4组成的恒流源电路作为T1、T2组成的差动放大器的集电极电阻3.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路范例分析范例分析VVonBE3 . 0)(50例例 已知求：ICQ3、ICQ5、VCEQ2 VCEQ5及静态时的Vo值差模增益差模输入电阻Rid 及输出电阻Ro值ioudVVA差分放大器输出电压范围300bbr3.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路解：mAVVmAkImAICQCQ2500)6(3 . 017 . 40117 . 43 . 0634mAIIIC

17、QCQCQ121321mAKICQ17 .23 .035VVVVCEQ3 . 7)3 . 0(3102VmAKKVVCEQ3 . 71)67 . 2(165KmAmVrrrbebebe6 . 1126)1 (300521VVmAKVO06163.4中间级电路中间级电路 采用有源负载电路采用有源负载电路5 .23)4 . 5(27 . 2)1 (61511KrRKrKVVVVVVAbeLbeiOOOiOudKKrKRbeL37 .2)1(/35其中KKrRbeid144 . 5 2KRO6 T2管电流iC2变化范围为02mA0mA时2mA时VVC10maxVVC43210min所以差分放大器输出

18、电压范围为4V10V3.5 对输出级而言要有一定的功率输出（电压、电流变化范围大）输入阻抗高、输出阻抗低，静态输出电位为零。因为射随器能满足这一要求，所以一般采用互补对称射极输出电路。特点：特点：1. 为了得到大的功率输出，放大器工作在 大信号状态。2. 在大信号工作时,由于器件的非线性特性， 则小信号交流等效电路不再适用。输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5 3. 电路一般工作在乙类或甲乙类工作状态。4. 由于管子工作在大信号状态，所以要保证管子安全工作，则在选择使用器件时对极限参数的要求十分严格。极限参数：P PCM CM 集电极最大允许管耗I ICMCM集电极最大允许电流 V V

19、BR(CEO)BR(CEO) 集电极反向击穿电压输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5一一. .双电源供电的互补对称乙类推挽电路双电源供电的互补对称乙类推挽电路 OCL电路电路输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5工作原理： 利用两个互补型的管子实现交替工作，当两管交替工作时，两管集电极上的半个正弦波电流以相反方向通过RL，所以，在RL上合成的电流为一完整的正弦波。输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5在输入信号正半周时iC1=Icm Sint VCE1=VCC-VRL VCC-IcmRL Sint由于T1管在静态时处于零偏状态所以它的Q点在（UCC ,0）处乙类 工作点在截

20、止区甲乙类 工作点靠近截止区输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.51.1.输出功率输出功率 送到负载上的信号电压与 信号电流有效值的乘积为电压利用系数 若考虑实际饱和压降时：设：则其中：输出级输出级- -功率放大器功率放大器LCESCCLRUUP2max)(213.52.2.电源提供的直流功率电源提供的直流功率P PE EcmCCCEECCCCEECCCEIUIUIUDCiUDCiUP2(2121分量）的分量）的由上式可见： PE也是随输入信号而, 当输入信号为零时，则PE0。 这是此种电路高效率的一个重要因素电路高效率的一个重要因素输出级输出级- -功率放大器功率放大器) d sin

21、(021ttIDCicmc分量为的其中maxmaxmaxOOEP27. 1P4 P1时当3.53.3.集电极效率集电极效率4422121212CCOLOCCLOELELUURUURUPPPP当=1（即信号最大时），%5 .784m实际上，因为VCES的存在，不可能为1， 一般c5565输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.54.4.管耗管耗P PC C每管的集电极耗散功率为)(412121121OCLOLOCCLECUPRURUUPPP整个放大器的管耗为2PC1，当 （即=0.64）时PC1最大，此时CCOUU2LCCLCCLCCCCcmRURURUUP22221)2(4122注意：注意：

22、PC最大时=0.64,并不是1输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.54.4.管耗管耗P PC C当=0.64时，每管的集电极最大耗散功率为omax22222210.2P 212 112412LCCLCCLCCLCCCCccRURURURUUPP输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.55.5.功率（晶体）管的功率（晶体）管的安全工作条件安全工作条件关于安全工作条件的分析,实质上是讨论功率管的极限参数PCM、ICM、V(BR)CEO对于乙类功放而言,若1,则当NPN（T1）管充分导通时,PNP（T2）管截止。这时负载上的电压近似等于VCC. 加在截止管（T2）集射极间的最大瞬时电压为|V

23、 VCEmaxCEmax|=V=VCCCC+V+VEEEE2V2VCCCC输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5所以，为保证功率管不被反向击穿则要求 V(BR)CEO 2Ucc所以 为保证功率管不被反向击穿则要求：CEOBRCCVV)(2CMLCCcIRVimaxCMoCPPPmaxmax12 . 0输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5所以，根据,条件受V(BR)CEO和ICM限制的最大可能输出功率为：受条件限制的最大可能输出功率为:CMCEOBRcmcmLIVIVP)(max4121CMLPP5max输出级输出级- -功率放大器功率放大器实际应用中取两者中的小项3.5二二. .

24、原理电路中存在的问题及解决办法原理电路中存在的问题及解决办法问题：问题：1.选择两个特性完全一致的异型功率管在大功率情况下是很困难的。2.因为没有考虑导通电压VBE(on)的影响,而在实际情况下导通电压VBE(on) 0,所以输入信号电压Vi的瞬时值必须超过VBE(on)才能使管子导通，因此要产生交叉失真。解决方法：解决方法：1.采用复合管来解决输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5组成原则：组成原则：电流要通顺第一级CE与第二级的CB相连， 不能与第二级的BE相连复合管类型由第一个管子决定NPNPNP达林顿管达林顿管输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5NPNPNP错误错误错误错误输出级输出级- -功率放大器功率放大器3.5 为了提高复合管的温度稳定性，温度稳定性，减小穿透电流ICEO1对输出的影响，一般在T2的发射结上并接一个电阻R，构成达林顿管。利用这种复合管来组成互补对称乙类推