浙江大學---模電--課件2-3

1、第二篇第二篇 模擬電子電路模擬電子電路第三章第三章 集成運算放大器集成運算放大器 2.3.1 集成運算放大器概述集成運算放大器概述通過半導體集成工藝，在很小的硅片上制成的一種 高增益、直接耦合式、多級放大器。最早應用于模擬信號的運算。目前廣泛應用于信號測量、信號處理、信號產(chǎn)生和變換中， 是現(xiàn)代電子電路中最基本的組成單元。技術指標有： 電壓增益、輸入/輸出電阻、共模抑制能力、 溫度/噪聲系數(shù)、頻率效應等。在理想條件下，集成運算放大器可以等效成一個 電壓控制電壓源（VCVS）。一、集成運放的典型結構輸入級： 差分放大電路中間級： CE（CS）電路低溫漂、高共模抑制比、高輸入電阻輸出級： 互補對稱式

2、射極跟隨器結構高電壓增益低輸出電阻、較強帶負載能力偏置電路：恒流源電路靜態(tài)工作點合適、穩(wěn)定，功耗低二、集成運放的主要特點同一硅片相同工藝芯片面積小 功耗很低無法制造大容量電容采用直接耦合直接耦合方式元件參數(shù)具有良好的一致性和同向偏差采用結構對稱結構對稱為特征的電路工作電流極小(如幾幾十微安)采用微電流源微電流源作為偏置偏置及有源負載有源負載v電路符號v低頻小信號模型RidRod0Aod理想運放2.3.2 集成運放中的電流源偏置電路集成運放中的電流源偏置電路一、基本鏡像電流源T1和T2參數(shù)和特性完全相同，T1管的VCE=VBE=0.7V，保證不進入飽和區(qū)。所以有：BLCIII1使IC1和IL呈鏡

3、像關系鏡像電流源11122CCBCREFBECCREFIIIIRVVIREFCII21當2REFBECCREFCLRVVIII1該電路具有一定的溫度補償作用T1CILIRREF壓降增加BVBILI二、跟隨型鏡像電流源由電阻 RREF 確定參考電流 IREF ；兩只特性完全相同的晶體管 T1、T2組成鏡像電流源；T管作為射極跟隨器， 減小輸出電流與參考電流的誤差；Re3 用來增大T管的工作電流， 提高T管的電流放大系數(shù)；REFCCLIIII12REFCCREFBECCRVRVV2133EBII121BI)1 (21CI溫度補償作用。三、多路電流源333222111eEBEeEBEeEBEeEBE

4、RIVRIVRIVRIV332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI當參考電流IREF確定后，在各支路串入不同的射極電阻不同的射極電阻，可得到不同的輸出電流。T10、T11微電流源T5、T6、T7三管電流源T8、T9鏡像電流源輸入級中間級輸出級2.3.3 差分放大電路差分放大電路 差分放大器為克服直接耦合放大器的零點漂移而推出。是集成運算放大器中十分重要的一級放大器。一、基本電路形式和工作原理由參數(shù)對稱的元件 組成對稱電路 ；T1 、 T2管構成 共射極放大電路；恒流源電路；兩組直流電源；兩個輸入端；兩個輸出端。從結構可以看出，該電路有：兩種輸入

5、方式雙端輸入兩輸入端同時對地輸入信號。單端輸入：一端接地，另一端輸入信號。兩種輸出方式雙端輸出：輸出信號取自兩個集電極。單端輸出：輸出信號取自一個集電極對地信號。這一結構的指導思想是能有效地解決溫度漂移（零點漂移問題）IC1QIC2QIE = I0 / 2VO1QVO2QVCCICQRcVOQVO1QVO2Q0VEVBE0.7V直流分析由于電路結構對稱，元件參數(shù)和特性相同，及恒流源作射極偏置，因而溫度變化時VC1Q、VC2Q始終相等，VOQ0，有效地抑抑制溫漂和零漂制溫漂和零漂。若恒流源換成電阻？差模成分反映被測信號的變化，需要進一步放大進一步放大。共模成分反映測量的初始條件或外界干擾，需要加

6、以抑制加以抑制。被測信號的輸入方式單端輸入單端輸入方式、雙端輸入雙端輸入方式差分放大電路的工作原理差模信號差模信號21IIIdvvv兩個輸入信號之差共模信號共模信號221IIIcvvv兩個輸入信號平均值22IdIcIvvv21IdIcIvvv輸入信號只考慮差模信號的輸入；差分放大電路的輸入端加上兩個幅度相同、極性相反的信號。對差模信號進行放大、對共模信號進行抑制。差分放大電路的輸入22IdIcIvvv21IdIcIvvvIcvcIdvdOcOdOvAvAvvv差分放大電路的輸出差模輸入方式共模輸入方式只考慮共模信號的輸入；差分放大電路的輸入端加上兩個幅度相同、極性相同的信號。差分電路特點【例【

7、例2.3.1】已知差分放大電路：vI1 = 5.01 V、vI2 = 4.99 V，A vd80，Avc0.01，求vO解：解：VvvvIIdI02. 021VvvvIIcI0 . 5221IcvcIdvdOvAvAvV65. 10 . 5)01. 0(02. 080二、差分放大電路動態(tài)性能指標的計算（A、Ri、Ro）差模電壓放大倍數(shù) ： 輸出電壓的差模部分與輸入電壓的差模部分之比。差模輸入時的交流通路21IIOdIdOdvdvvvvvA221IdIIvvvbecIdOdvdrRvvA211becIdOdvdrRvvA2+=22becIdOvdrRvvA212122OOOdOOOvvvvvvb

8、eIdbeIBBrvrvii2121cBOdORivv111cBOdORivv222221IdIIvvvbeLIdOvdrRvvA2/LCLRRRbeIdIdidrivR2差模輸入電阻 ：12coRR 差模輸出電阻 ：beLcvdrRRA2)/(1ebeBeEbeBIcRriRiriv01011)1 (22IcIIvvv21共模參數(shù)cBcCOcORiRivv11012OCOOOvvvvebecIcOcvcvcRrRvvAA0121)1 ( 20IcOcvcvvAAvc在一定程度上反映差分放大電路抑制共模干擾和溫漂的能力， Avc 越小，則抑制溫漂能力越強。vcvdCMRAAK常用分貝表示：(d

9、B) lg20vcvdCMRAAK共模抑制比 ： 差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值。理想的差分放大電路雙端輸出時 KCMR 對T1和T2管影響相同的外界干擾信號,如電源電壓波動,環(huán)境溫度變化等都可以認為是共模信號。單端輸出時，只有增大Re電阻才能減小共模增益，從而增大共模抑制比。ebecIcOcvcvcRrRvvAA0121)1 ( 2【例【例2.3.2】解：解：IdOdvdvvA1 .66)1 (22eBbeBcBRiriRiIdIdidivRkRrebe1 .12)1 (20IdLvROOoivRkRc102差分放大電路如圖所示，已知 = 80，rbe = 2 k。求該電路的

10、：差模電壓放大倍數(shù) Avd、差模輸入電阻 Ri 和輸出電阻 Ro。三、差分放大電路的輸入輸出方式差分放大電路有兩個輸入端和兩個輸出端。IvdIvcIvdIcvcIdvdOvAvAvAvAvAv2差分放大電路的輸入輸出方式： 單端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、 雙端輸入單端輸出、雙端輸入雙端輸出。0,21IIIvvv單端輸入時：IIIIdvvvv212221IIIIcvvvv單端輸出時：【例【例2.3.3】已知 = 50，rbb= 300，Rw在中間位置，求： (1) ICQ； (2) Avd、Ri和Ro；解解1：eEwEBEEERIRIVV22mA 56. 02005. 03 .11227

11、. 0eWEEEQCQRRVIIk15coRR7 .282)1 (2)/(wbeLcIdOvdRrRRvvAk44.102)1 (2wbeIdIdiRrivR解解2：k67. 2)1 (EQTbbbeIVrr解解3：29. 0)22)(1 ()/(ewbeLcvcRRrRRA40dB)(100vcvdCMRAAK解解4：mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvvmV1761IcvcIdvdOvAvAv (3) KCMR； (4) 若vI1 = 16 mV，vI2 = 10 mV， 求vO1?！纠纠?.3.4】已知1=2=3=50，rbb=200，rce=200k，VBE=0.7V。

12、（1）求靜態(tài)工作點，計算rbe。VRRRVB86. 5)9(2113mARIIIIeECCC12)9(7 . 086. 5212133321krrbbbe5 . 1126)1 (2（2）求差模電壓增益。1 . 0)1 ()/(21222bebLCvdrRRRA121 . 0)501 (5 . 11 . 0)10/7 . 4(5021（3）求電流源電路輸出電阻RO3列出兩個回路方程聯(lián)解后得MrRrRRRrRrRRRrRIVRceebeebeeceebeeooo644. 41)/(4）求共模電壓增益000344. 0)21 . 0()1 ()/(3222obebLCvCR

13、rRRRA（5）求共模抑制比)85.90(7 .34883000344. 012|22dBAAKvcvdCMR（6）求差模輸入電阻和輸出電阻KRrRRWbebid4 .132)1 ( 21KRRCod7 . 4四、集成運放輸入級的電路形式1122LmILmIIdOdvdRgvRgvvvA2/LdLRRR IdIdidivRdodRR2FET差分放大電路差模輸入電阻很高，減小了輸入偏置電流的不對稱性。v場效應管組成的差分放大電路漏極電流源電路源極電流源電路T1、T2差分管v場效應管三極管混合型差分放大電路 電路是雙端輸入單端輸出結構，由于漏極是三管電流源，使得單端輸出具有雙端輸出的效果。當差模信

14、號輸入時21DDii51CDii256DCCiii2622DCDodiiii22226222222)/(imGSiGSmGSiDIdodsiodIdodvdRgvRvgvRivRrRivvA當共模信號輸入時21DDii26DCii062cDociii單端輸出同樣具有雙端輸出時的共模抑制效果一、運放中間級電壓放大電路主要任務：具備高電壓增益。 Rc以恒流源恒流源代替； 采用達林頓復合管復合管，提高； 在輸入級與中間級之間，增加一級CC電路進行阻抗變換。常用電路：共射/共源放大電路。beLcvrRRA)/(電壓增益：提高電壓增益的措施：2.3.4 集成運放的中間級和輸出級集成運放的中間級和輸出級3

15、222)1 (bebeirrR233132)/(iiceceIOvRRrrvvAv恒流源+復合管dsmorRgR)1 (11v恒流源+射級跟隨器T1T2互補對稱式共集放大電路二、運放輸出級互補對稱輸出電路v對輸出級的要求：輸出電阻??；輸入電阻大；最大不失真輸出電壓盡可能大。v基本電路乙類放大：導通角為=甲類放大：導通角為= 2甲乙類放大：導通角介于介于和和2之間之間正半周（vi 0）時，T管導通，T管截止，+VCCT1RLGND。負半周（vi 0）時，T1管截止，T2管導通， GNDRLT2-VCC 。T1T2靜態(tài)靜態(tài)（vi = 0）時，T、T管均截止，vO0 。最大輸出電壓為VCCVCES

16、。 當電源電壓為15V時，最大不失真輸出電壓幅度一般為(1214)V 。T1T2v最大輸出電壓幅度LbeiRrR)1 (v輸入電阻較高：在輸入信號小于三極管的開啟電壓時，T與T管均截止，產(chǎn)生交越失真。v交越失真v甲乙類互補對稱輸出電路3123)1 (BECEVRRV741型運放電路圖2.3.5 集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標一、集成運放的電壓傳輸特性和三項基本參數(shù)v集成運放的電壓傳輸曲線： 在直流或低頻條件下運放的輸入、輸出關系。實際運放實際運放的傳輸特性曲線 不通過坐標原點，稱為輸出失調輸出失調。 為了彌補輸出失調電壓， 通常在運放輸入級電路中設置了調零端調零端。在理想條件理想

17、條件下，集成運放的 電壓傳輸特性曲線通過坐標原點原點。 運放的電壓既可以用增量增量（或交流量） 表示，也可以用瞬時量瞬時量表示。NPOIdOodvvvvvAv開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：IdNPIdIdidivvivRv差模輸入電阻：v輸出電阻：v集成運放的低頻小信號模型：二、集成運放的失調參數(shù)v輸入失調電壓VIO ：集成運放在vId = 0時的輸出電壓稱作輸出失調電壓，記作VOO。為使輸出電壓回零，需在輸入端加反向補償電壓，稱為輸入失調電壓。odOOIOAVVv輸入失調電壓溫漂dVIO/dT ：輸入失調電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調電壓隨溫度而變化的程度。v輸入失調電流IIO ：反映集成運放輸入端輸

18、入電流的不平衡程度。v輸入失調電流溫漂dIIO/dT ：反映輸入失調電流 IIO 隨溫度而變化的程度。v分析輸出失調模型三、集成運放的共模參數(shù)v共模抑制比：ocodCMRAAKv最大共模輸入電壓VIcmax ：當共模輸入電壓超出VIcmax時，將影響運放電路中相關晶體管的工作狀態(tài)。運放失去正常的差模放大能力。v共模輸入電阻：icicicivR四、集成運放的頻域和時域參數(shù)v-3dB帶寬 f H ： BWf Hf Lf Hv全功率帶寬 f p：表示當運放輸出較大幅度電壓時，為保證輸出波形不產(chǎn)生因SR為有限值而引起的波形失真，運放所能工作的最高頻率。v單位增益帶寬 ：指運放差模開環(huán)電壓增益Aod下降至0 dB 時的頻率。HodcfAfv轉換速率SR（也稱壓擺率）：是衡量運放在大幅度信號作用下工作速度工作速度的參數(shù)。maxdtdvSRO五、集成運放應用時應考慮的幾個問題v運放類型： 通用型：其性能指標適合于一般性使用，產(chǎn)品量大面廣； 功率型：允許的供電電壓較高可輸出電流較大； 低功耗型：靜態(tài)功耗在1mw左右，可用于便攜設備； 高精度型：失調電壓溫漂在1V以下； 高速型：轉換速率在10V/s左右； 高阻型：輸入電阻在1012左右； 寬帶型：單位增益帶寬在