第3章集成运算放大器(12)

1、第三章 线性集成电路的应用（12个课时）内容提要1.目标：集成元器件，构成特定功能的电子线路2.侧重点不同：区别于单元电路，研究对象为高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大电路3.基本要求 了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。 正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及有关指标。 熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。 熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。 熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。 了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。（选讲内容） 了解集成运放主要参数的

2、定义，以及它们对运放性能的影响。（选讲内容） 4.主要内容 组成集成运放的基本单元电路； 典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数； 几种专用型集成运放。3.1 放大电路的频率响应在实际应用中，电子电路所处理的信号，如语音信号、电视信号等都不是简单的单一频率信号，它们都是由幅度及相位都有固定比例关系的多频率分量组合而成的复杂信号，即具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20Hz，而视频信号从直流到几十兆赫。 由于放大电路中存在电抗元件（如管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等），使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。 如放大电路对不同频率

3、信号的幅值放大不同，就会引起幅度失真。如放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真，由于此失真是由电路的线性电抗元件（电阻、电容、电感等）引起的，故不称为线性失真。 为实现信号不失真放大所以要需研究放大器的频率响应。 频率失真与非线性失真频率失真和非线性同样都是使输出信号产生畸变，但两者在实质上是不同的。具体体现以下两点： 1. 起因不同：频率失真是由电路中的线性电抗元件对不同信号频率的响应不同而引起，非线性失真由电路的非线性元件（如BJT、FET的特性曲线性等）引起的。2. 结果不同：频率失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化，或滤掉

4、某些频率分量信号。但非线失真，会将正弦波变为非正弦波，它不仅包含输入信号的频率成分（基波），而且还产生许多新的谐波成分。3.7.1 时间常数RC电路的频率响应放大电路频率响应的基本概念1. 放大电路的频率响应 频率响应表达式 表示电压放大倍数的模与频率 的关系，称为幅频响应。 表示放大器输出电压与输入电压之间的相位差 与频率的关系，称为相频响应。2. RC耦合放大器的幅频特性RC耦合放大器的幅频特性曲线如图所示。中频区：在一个较宽的频率范围内，曲线是平坦的。即放大倍数不随信号频率而变。（在此频率范围内，耦合电容、射极旁路电容视为短路，极间电容视为开路）。高频区（高于fH的频率范围）：当信号频率

5、升高时，放大倍数随频率的升高而减少。（在此频率范围幅频特性主要受BJT的极间电容的影响）。低频区（低于fL的频率范围）当频率降低时，放大倍数随频率的降低而减少。（在此频率范围幅频特性主要受耦合电容和旁路电容的影响）。通频带（BW）当AVH下降到0.707AVH时所确定的两个频率fH和fL之间的频率范围：BW=fH-fL波特图在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（用dB表示）或相角采用线性刻度。这种半对数坐标特性曲线称为对数频率特性或波特图。波特图

6、可采用如前所述折线法近似作出。 RC低通电路的频率响应 放大电路高频区的频率响应可用图所示的RC低通电路来模拟。1. 频率响应 其中 2. 幅频响应波特图幅频响应可在波特图中用两条直线来近似描述：当 时用分贝表示为：当 时用分贝表示为此直线的斜率为20dB/十倍频程，它与零分贝线在 处相交。近似的幅频响应如图所示。3、相频响应可用三条直线来近似描述：（1）当 时，得一条 的直线。（2）当 时，得一条 的直线。（3）当 时， 。由于当 或 时，相应可近似得 和 ，故在 和 之间，可用一条斜率为 /十倍频程的直线来表示。可画得相频响应图。RC高通电路的频率响应 频率响应 令 则： 幅频响应为： 幅

7、频响应为：采用与低通电路同样的折线似方法，可画出高通电路的幅频和相频响应曲线图。3.2 单级放大器的高频响应1. BJT高频小信号建模模型的引出：根据BJT的特性方程，H参数低频小信号模型不适用于高频特性分析，这是因为在高频运用的情况下，其物理过程与低频小信号比较有差异,主要表现在BJT的极间电容不可可略。BJT的高频小信号模型如图所示。 模型中参数的获取高频小信号模型中的元件参数可以通过实验得到，这里介绍的是它与低频小信号模型参的关系。由于高频小信号模型中的元件参数，在很宽的频率范围内与频率无关，所以模型中的电阻参数和互导gm都可以通过低频小信号模型参数得到。在低频区，如果忽略Cbc和Cbe

8、影响时，可得如图1所示的低频小信号模型。将图2与低频小信号模型比较，在输入回路有：由上式得再从输出回路比较可得如下的关系： 图1 低频小信号模型图2 小信号模型等效电路将图2与低频小信号模型比较，在输入回路有：由上式得 再从输出回路比较可得如下的关系：由于 Cbc就是电容Cob，可以从手册中查到。Cbe可通过下式计算：式中fT为BJT的特征频率，亦可从手册中查到。BJT频率参数可得其幅频特性曲线，如图所示。特征频率fT当 的频响曲线以-20dB/十倍频程的斜率下降，直至增益为0dB时的某一频率fT称为特征频率。当 时 。fT的典型值在1001000MHz之间。 单级共射放大电路的高频响应1.

9、根据高频区工作特点画出高频小信号等效电路高频区考虑 的作用，而耦合电容 C仍可视为短路，高频小信号等效电路如下图所示。 2. 频响分析电路高频响应与低通电路的频率响应相似，可按以前的方法画出相类似的波特图。单级共射放大电路的低频响应1、画出低频小信号等效电路在低频区应将 开路，而考虑C的作用，可画出低频小信号等效电路如图所示。2、频响分析低频电压放大倍数用 表示放大电路的低频响应与RC高通频响形式一样，只差一个常数倍。所以它的波特图形式与RC高通类似。单级共射放大电路的全频域响应的综合前面我们已分别讨论了电压放大倍数在中频段、低频段和高频段的频率响应，现在把它们加以综合，就可得到完整的单级共射

10、电路电压放大倍数的全频域响应。将放大倍数的三个频区的频响表达式综合，可写出放大倍数 的近似式：当 时，则上式变为 单级放大电路的带宽-增益积增益带宽积的引入为了使带宽增加，可设法提高上限频率，即减小 及其回路电阻。减小 则 需减小 则 减小。可见，fH的提高与 相矛盾。为了综合考察这两方面的性能，引入一个新的参数增益带宽积。增益-带宽积的定义：放大电路电压增益（ ）与通频带（fbw）的乘积。上式表明，为了改善电路的高频特性，展宽频带，首先应选用rbb和Cob均小的高频管，并且与此同时，尽量减小 所在回路的总等效电阻。另外，还可考虑采用共基电路。射极偏置电路的低频响应要分析简化电路其低频响应，首

11、先画出它的低频小信号等效电路，如图1所示。为便于分析对电路需作一些合理的近似，使其简化。1、设 远大于放大电路本身的输入阻抗，以致Rb的影响可以忽略；Ce的值足够大 除去Re、Rb得简化电路如图2所示。2、把Ce折算到基极电路，折算后的容抗为折算后的电容为基极回路中的总电容C1为 且一般 ，Ce的作用可忽略。这样可最后的简化电路图。射极偏置电路的下限截止频率的确定由图可得设中频区电压增益为 因此 式中 如果fL1和fL二者之间的比值在四倍以上，则可取较大的值作为放大电路的下限频率。共基放大电路的高频响应根据共基电路的交流通路可画出其高频小信号等效电路如图所示。我们来考察BJT电容Cbe和Cbe

12、以及负载电容CL对高频响应的影响。一、Cbe的影响：由共基电路高频小信号等效电路可见，如果忽略rbb的影响，则Cbc直接接于输入端，输入电容Ci=Cbc，不存在密勒倍增效应，且与Cbc无关。所以，共基电路的输入电容比共射电路的小得多，fH1很高。理论分析的结果 。二、Cbc以及负载电容CL的影响如果忽略rbb的影响，则Cbc直接接到输出端，也不存在密勒倍增效应。输出回路时常数为 ，输出回路决定的fH2为 3.2 简单的集成电路运算放大器主要内容: 本节主要介绍了集成电路运算放大器。基本要求：了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。 教学要点：1集成电路运算放大器的组成 集成电路运算放大器是一

13、种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等2简单的运算放大器简

14、单运算放大器的原理电路如图所示。 （1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压vid=vi1-vi2为零时，输出电压vO=0的目的。（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。（5）电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用-

15、号表示，同相输入端用+表示。器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。（6）输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压vi1从反相输入端输入时（vi2=0），如vi1的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为：vC2（+）vO2（）vB6（）vO（）则输出信号电压vo与vi1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入vi2(vi1=0)时，可以检验，输出电压vo与vi2同相。3.3 集成电路运算放大器的主要参数（选讲内容）教学要点:1输入失调电压VIO一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电

16、压为零时，存在一定的输出电压。在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。实际上指输入电压VI=0时，输出电压VO折合到输入端的电压的负值，即VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。VIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为（110）mV。2输入偏置电流IIBBJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，如图XX_01所示。当 时，偏置电流为输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后

17、，主要取决于运放差分输入级BJT的性能，当它的b值太小时，将引起偏置电流增加。从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。一般为10nA1mA。3输入失调电流IIO在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1 nA0.1 mA.4温度漂移 放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起

18、的，故常用下面方式表示：（1）输入失调电压温漂DVIO/DT这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。DVIO/DT不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为（1020）mV/。（2）输入失调电流温漂DIIO/DT这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。5最大差模输入电压Vidmax所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。

19、利用平面工艺制成的NPN管约为5V左右，而横向BJT可达30V以上。6最大共模输入电压Vicmax这是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达13V。7。最大输出电流Iomax是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。8开环差模电压增益AVO 是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。AVO与输出电压VO的大小有关。通常是在规定的输出电压幅度（如VO=10V）测得的值。AVO又是频率的函数，频率高于某一数值后

20、，AVO的数值开始下降。图XX_02表示741型运放AVO的频率响应。9开环带宽BW（fH）开环带宽BW又称为3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。741型集成运放的频率响应AVO（f）如图XX_02所示。由于电路中补偿电容C的作用，它的fH约为7Hz。10单位增益带宽BWG（fT）对应于开环电压增益AVO频率响应曲线上其增益下降到AVO=1时的频率，即AVO为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的AVO=2105时，它的 。3.4 专用型集成电路运算放大器简介教学要点:目前，实用的集成电路运算放大器除了通用型外，还有性能更优良和具有特殊功能的集成

21、运放，它们可分为高输入阻抗、低漂移、高精度、高速、宽带、低功耗、高压、大功率和程控型等专用型集成运放，现简要介绍如下： 1高输入阻抗型该类型集成运放的差模输入电阻rid(1091012)W，输入偏置电流IIB为几皮安几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。2高精度、低漂移型这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。3高速型对这种类型的运放，要求转换速率SR30V/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BWG10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。实现高速的主要措施是，在信号通道中尽量采用NPN型管，以提高转换速率；同时加大工作电流，以使电路中各种电容的电压变化加快；或在 电路结构上采用FET和BJT相兼容的