模拟电子技术第五章-20131009

第五章

集成运算放大电路5.3集成运放的基本组成部分图4.2.1集成运算的基本组成输入级中间级输出级偏置电路向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数回顾一、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2所以当满足

>>2时，则图4.2.25.3.1偏置电路常用的偏置电路主要有：镜像电流源，比例电流源和微电流源。+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源R1R2UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图4.2.3比例电流源三、微电流源

在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe

引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1

，即在Re

值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2

。图4.2.4微电流源5.3.2差分放大输入级输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式：基本形式，长尾式，恒流源式一、基本形式差分放大电路+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2假设电路完全对称当uId=0，时UO=0图4.2.6差分放大电路的基本形式由两个电路结构、参数均相同的单管放大电路结合在一起

VT1

和VT2

基极输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压(uId)（difference）

VT1

和VT2

基极输入电压大小相等，极性相同，称为共模输入电压(uIc)（common）。2、几个基本概念共模抑制比

KCMR二、长尾式差分放大电路Re

称为“长尾电阻”，引入共模负反馈。对差模信号无负反馈。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe图4.2.8长尾式差分放大电路Re越大，抑制零漂能力越强，但是同时Re上的压降也越大，输出电压范围变小，故引入了VEE。希望既能抑制零漂效果比较好，同时又不要求过高的VEE，可以考虑用一个三极管代替长尾电阻Re+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe图4.2.8长尾式差分放大电路三、恒流源式差分放大电路

用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路VT3：恒流管发射极电流不受温度影响

iC1、iC2之和等于iC3，基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3图4.2.13恒流源式差分放大电路四、差分放大电路的输入、输出接法有四种不同的接法差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。1.差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图4.2.16(a)差分输入、双端输出2.差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uououO约为双端输出的一半，即若由VT2

集电极输出，uO

为“正”。图4.2.16(b)

差分输入、单端输出3.单端输入、双端输出若某个瞬时输入电压极性为正，则iC1增大

uE1增大

uBE2减小

iC2减小单端输入时，仍然是一个管子电流增大，一个管子电流减小RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+图4.2.16(c)单端输入、双端输出当共模负反馈足够强时，可以认为iC1、iC2之和基本不变，即所以，单端输入时，两个三极管输出电压的变化情况将与差分输入时基本相同则即单端输入，当共模负反馈足够强时，可认为三极管仍然基本工作在差分状态，所以RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+图4.2.16(c)单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改从VT2

集电极输出，则这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。图4.2.16(d)单端输入、单端输出结论

(1)

双端输出时，Ad

与单管Au基本相同；单端输出时，Ad

约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc

。

(2)

双端输出时，理想情况下，KCMR

→

；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。

(3)

单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。

(4)

单端输入时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。

(5)

单端输入时，Rid

2(R+rbe)。差分放大电路四种接法的性能比较

接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高很高较高较高RidRo差分放大电路四种接法的性能比较

接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。

3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。

3.适用于将双端输入转换为单端输出。1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。

3.适用于将单端输入转换为双端输出。1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。

3.适用于输入、输出均要求接地的情况。

4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。1.有源负载IVT2RVT3VT1uIuO-+-++VCC放大管用三极管代替负载电阻Rc，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数5.3.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。Rc

Au

，集成电路不便制造大电阻+VCCVT1VT2-VEEuII+-VT4VT3ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

ΔiC2=

2ΔiC4放大管β

足够大iC3iC1iC2iC4iO电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。有源负载有源负载差分放大电路二、复合管优点可以获得很高的电流放大系数

；提高中间级的输入电阻；提高了集成运放总的电压放大倍数。复合管的构成：+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1由两个或两个以上三极管组成。复合管共射电流放大系数

值图4.2.19显然，

、rbe

均比一个管子

1、rbe1提高了很多倍。构成复合管时注意

1.前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。

2.外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。复合管的接法VT1bVT2ec

VT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型图4.2.20复合管的接法集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。VT1VT2VT3

RVT4

uIuO-+-++VCCIREF根据基准电流IREF

，即可确定放大管的工作电流。5.3.4输出级一、互补对称电路R1VT1R2+uoRuI+VCCic2VT2ic1iB2iB1iLRL-VCCNPNPNPVD1VD2任务：提供足够大的输出功率。要求：本身具有较低的输出电阻；输出级应有过载保护，防止在输出端意外短路或者电流过大损坏负载。

1、互补对称电路工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强；2、要求输出功率较大时，可采用多个复合管。Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCNPNVD1VD2VT1NPNVT3PNPPNPVT4三、过载保护电路二极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保护元件：VD3、VD4、Re1、Re2。输出电流正常，VD3、VD4截止，保护不起作用；若VT1

正向IC1

，URe1

，VD3

导通，IB1

，IC1

。输出电流无法增大，保护功率管VT1

。若VT2

反向电流IC2

，URe2

，VD4

导通，IB2

，IC2

。避免VT2

电流过大。图4.2.25过载保护电路5.4.1双极型集成运放LM741LM741是美国国家半导体公司的集成运放产品，是一类应用比较广泛的通用型集成运放。VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF35214675.4集成运放的典型电路VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R8R10R9R12R11C13521467偏置电路输入级中间级输出级双极型集成运放LM7411.电路原理图2.引脚和连接方法V－V＋调零端

反相输入端同相输入端空输出端调零端

81756432引脚V－V＋－＋1234567连接示意图A两个输入端，一个输出端，一个与输出端为同相关系，一个与输出端为反相关系，分别称为同相输入端和反相输入端，分别用符号“+”和“-”标出。5.2集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号+A反相输入端同相输入端输出端一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod

为100~140dB。图4.4.1运算放大器的符号二、输入失调电压UIO三、输入失调电压温漂

UIO

定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。表征输入级差分对管的失配程度。一般运放：UIO

为1~10mV；高质量运放：UIO

为1mV以下。定义：规定工作范围内，输入失调电压的温度系数。一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；四、输入失调电流IIO五、输入失调电流温漂

IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。描述差分对管输入电流的不对称程度。定义：一般运放为几十~一百纳安；高质量的低于1nA。定义：输入失调电流的温度系数。一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流IIB七、差模输入电阻rid八、共模抑制比KCMR定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。九、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压UIdm

反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、-3dB带宽fH表示Aod

下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。十二、单位增益带宽BWG

Aod

降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。十三、转换速率SR

额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/

s。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR

值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。5.5各类集成运放的性能特点一、高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。二、低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。四、高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘