第6章新集成電路運(yùn)算放大器

模擬集成電路原理第6

章6.2集成電路運(yùn)算放大器小結(jié)6.1差動放大電路（1）直流信號：變化十分緩慢的信號。注意：不是直流電多級直接耦合的放大器的問題：

靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響引言（2）直接耦合放大電路中的零點(diǎn)漂移問題1）何謂零點(diǎn)漂移？將直接耦合放大電路的輸入端短路，輸出端有一固定的直流電壓（靜態(tài)電壓零點(diǎn)），但實(shí)際上，它缺離開零點(diǎn)，出現(xiàn)忽大忽小，忽快忽慢的不規(guī)則擺動，這種現(xiàn)象稱~2）產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因3）零點(diǎn)漂移的嚴(yán)重性及其抑制方法電阻，管子參數(shù)的變化，電源電壓的波動。晶體管參數(shù)隨溫度的變化將成為產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因。如果零點(diǎn)漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點(diǎn)漂移。注意：為什么只對直接耦合多級放大電路提出這一問題呢？原來溫度的變化和零點(diǎn)漂移都是隨時間緩慢變化的，如果放大電路各級之間采用阻容耦合，這種緩慢變化的信號不會逐級傳遞和放大，問題不會很嚴(yán)重。但是，對直接耦合多級放大電路來說，輸入級的零點(diǎn)漂移會逐級放大，在輸出端造成嚴(yán)重的影響。特別時當(dāng)溫度變化較大，放大電路級數(shù)多時，造成的影響尤為嚴(yán)重。抑制零點(diǎn)漂移的方法：1）采用恒溫措施，使晶體管工作溫度穩(wěn)定。需要恒溫室，設(shè)備復(fù)雜，成本高。2）采用溫度補(bǔ)償法。就是在電路中用熱敏元件或二極管（或晶體管的發(fā)射結(jié)）來與工作管的溫度特性互相補(bǔ)償。最有效的方法是設(shè)計特殊形式的放大電路，用特性相同的兩個管子來提供輸出，使它們的零點(diǎn)漂移相互抵消。這就是“差動放大電路”的設(shè)計思想。3）采用直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。4）各級之間采用阻容耦合。6.1差動放大電路6.1.1差動放大電路的工作原理6.2.3具有恒流源差動放大電路6.1.2差動放大電路的輸入輸出形式6.2.1差動放大電路的工作原理(DifferentialAmplifier)一電路組成及抑制零漂的工作原理1、電路組成特點(diǎn)：a.兩只完全相同的管子；b.兩個輸入端，兩個輸出端；c.元件參數(shù)對稱；

原理：靜態(tài)時，輸入信號為零，即將輸入端1和2短接。由于兩管特性相同，所以當(dāng)溫度或其他外界條件發(fā)生變化時，兩管的集電極電流ICQ1和ICQ2的變化規(guī)律始終相同，結(jié)果使兩管的集電極電位UCQ1、UCQ2始終相等，從而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0，因此消除了零點(diǎn)漂移。具體實(shí)踐：在實(shí)踐中，兩個特性相同的管子采用“差動對管”，兩半電路中對應(yīng)的電阻可用電橋精密選配，盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。結(jié)論：可想而知，即使采取了這些措施，差動放大電路的兩半電路仍不可能完全對稱，也就是說，零點(diǎn)漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。二、信號的輸入方式和電路的響應(yīng)（1）差模輸入方式:輸入信號大小相等，相位相反，即Ui1=Uid/2，Ui2=-Uid/2差模輸入信號為Ui1－

Ui2=

Uid差模輸入方式若Ui1的瞬時極性與參考極性一致，則Ui2的瞬時極性與參考極性相反。則有：ui1↑→ib1↑→ic1↑→uc1↓ui2↓→ib2↓→ic2↓→uc2↑結(jié)論：差模電壓放大倍數(shù)等于單管電路電壓放大倍數(shù)。輸出電壓uO=uC1－

uC2≠0，而是出現(xiàn)了信號，記為Uod。定義：Aud=Uod/Uid（2）共模輸入方式：輸入信號大小相等，相位相同。即Ui1=Ui2=Uic在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電流和電壓的變化完全相同。Ui1=Ui2=Uic時，Uoc1=Uoc2，Uoc=Uoc1-Uoc2=0。定義：Auc=Uoc/Uic共模輸入方式下的差放電路Auc叫做共模電壓放大倍數(shù)。理論上講，Auc為0，實(shí)際上由于電路不完全對稱，可能仍會有不大的Uoc，一般Auc<<1。既然UOC=0或者UOC很小，為什么還要討論共模輸入呢？差放的兩半電路完全對稱，又處于同一工作環(huán)境，這時溫度變化以及其它干擾因素對這兩半電路都有完全相同的影響和作用，都等效成共模輸入信號。如果在Uic作用下，Uoc=0或Auc=0，則說明差放有效地抑制了因溫度變化而引起的零漂。（3）任意輸入方式

輸入端分別接Ui1和Ui2，這種輸入方式帶有一般性，叫“任意輸入方式”。Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+Uid/2Ui2=Uic+（-Uid）/2若則Uid=(Ui1-Ui2)任意輸入方式例如：Ui1=10mVUi2=6mV則Uid=4mVUic=8mV利用疊加原理得到：Uo=AudUid+AucUic=Aud（Ui1-Ui2）結(jié)論：在任意輸入方式下，被放大的是輸入信號Ui1和Ui2的差值。這也是這種電路為什么叫做“差動放大的原因”。（4）存在的問題及改進(jìn)的方案以上研究的是基本的差動放大電路，它實(shí)際上不可能完全抑制零漂，因?yàn)閮砂腚娐凡粫耆珜ΨQ。另外，如果從一管輸出，則與單管放大電路一樣，對零漂毫無抑制能力，而這種“單端輸出”方式的形式又是經(jīng)常采用的。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，就是要減小ICQ的變化，而抑制零點(diǎn)漂移也同樣是減小ICQ的變化。即抑制零點(diǎn)漂移和穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)是一回事。因此可以借鑒工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中采用過的方法，在管子的射極上接一電阻。這樣，基本的差動放大電路就改進(jìn)為如圖所示?？梢韵胍?，RE越大，則工作點(diǎn)越穩(wěn)定，零點(diǎn)漂移也越小。但，RE太大，在一定的工作電流下，RE上的壓降太大，管子的動態(tài)范圍就會變小。為了保證一定的靜態(tài)工作電流和動態(tài)范圍，而RE又希望取得大些，常采用雙電源供電，用電源VEE提供RE上所需的電壓。采用雙電源供電后，輸出電壓的動態(tài)范圍大多了。改進(jìn)后的電路叫射極耦合差動放大電路也叫長尾電路。因?yàn)橛胸?fù)電源VEE提供發(fā)射極正偏所需要的電壓，所以RB可以去掉。二射極耦合差動放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)工作點(diǎn)的計算：1、差模電壓放大倍數(shù)三射極耦合差動放大電路的動態(tài)分析關(guān)鍵在于畫出差模信號作用下，半電路的交流通路和微變等效電路。A、對差模信號，若一管的射極電流增大△i，則另一管的射極電流必然減小△i，因而流過射極電阻RE的總電流不變，即e點(diǎn)的電位恒定，相當(dāng)于交流接地。B、負(fù)載RL中點(diǎn)電位為交流地電位。由此畫出半電路的交流通路如圖所示。2、共模電壓放大倍數(shù)在理想情況下，共模電壓放大倍數(shù)Auc=0。3、差模輸入電阻Rid是由圖①、②兩個輸入端看進(jìn)去的動態(tài)電阻，

它是單管共射放大電路輸入電阻的兩倍。4、差模輸出電阻Rod=2RC5、共模抑制比KCMR=︱Aud/Auc︱用分貝表示：KCMR=20lg︱Aud/Auc︱Aud越大越好，Auc越小越好，因此KCMR越大越好。實(shí)際差動放大電路的輸出電壓6、差動放大電路的電壓傳輸特性差放雙入雙出電壓傳輸特性6.1.2差動放大電路的輸入輸出形式

差動放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻、輸出電阻(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）差模輸出電阻1.雙端輸入雙端輸出2.雙端輸入單端輸出電路組成(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）差模輸入電阻（3）差模輸出電阻（4）共模電壓放大倍數(shù)共模交流通路：（5）共模抑制比KCMR=︱Aud1/Auc1︱

3.單端輸入雙端輸出動態(tài)分析計算結(jié)果同雙端輸入雙端輸出4.單端輸入單端輸出

計算同雙入單出注意放大倍數(shù)的正負(fù)號：

設(shè)從T1的基極輸入信號，如果從C1輸出，為負(fù)號；從C2輸出為正號。6.1.3差動放大電路的調(diào)零增加調(diào)零電阻后四種接法下的性能分析比較(1)差模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)

雙端輸出時：

單端輸出時：

(2)共模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

雙端輸出時：

單端輸出時：

(3)差模輸入電阻

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是單管共射放大電路的兩倍。

單端輸出時，

雙端輸出時，

(4)輸出電阻(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差動放大器的一個重要指標(biāo)。，或

雙端輸出時KCMR可認(rèn)為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：6.1.4具有恒流源差動放大電路1、問題的提出（以單管為例）KCMR=Aud/Auc從以上兩式看出要減小Auc，提高共模抑制比，應(yīng)增大RE，但RE不能太大，因?yàn)镽E上的壓降由VEE提供。在保持VT1、VT2兩管的工作電流為一定值時，要加大RE，必須提高VEE，這是有困難的。能不能找到這樣一種元器件，它的直流電阻很小，而它的交流電阻卻很大，這樣靜態(tài)時不需要很大的VEE，動態(tài)時的AuC卻很小，KCMR很大？2、電路的組成及工作原理減少共模放大倍數(shù)的思路：增大RE用恒流源代替RE特點(diǎn)：直流電阻為有限值動態(tài)電阻很大1.三極管電流源簡化畫法電流源代替差分電路中的RE+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RC–VEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI03.具有電流源的差動放大電路簡化畫法1、靜態(tài)分析2、動態(tài)分析(1)求靜態(tài)工作點(diǎn)；(2)求電路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)求“Q”ICQ1=ICQ2=0.5IC3UCQ1=UCQ2=6–0.427.5-UEB=3.25(V)(2)求Aud，Rid，RodRo=2RC=15(k)6.2集成電路運(yùn)算放大器6.2.1集成運(yùn)放基本知識6.2.2通用型集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性6.2.1集成運(yùn)放基本知識一、通用型集成運(yùn)放(OperationalAmplifier)的組成1.模擬集成電路的特點(diǎn)1)直接耦合：采用差動電路形式，元件相對誤差?。?)大電阻用恒流源代替，大電容外接；3)二極管用三極管代替(B、C極接在一起)；4)高增益、高輸入電阻、低輸出電阻。2.組成方框圖輸入級：差動電路，大大減少溫漂。中間級：采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級：OCL電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)偏置電路：電流源，微電流源。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid輸入級中間級輸出級輸入級V1、V3和V2、V4通用型集成運(yùn)算放大器741簡化電路共集（V1入B出E）-共基（V2入E出C）組合差動電路V5、V6有源負(fù)載中間級V7、V8復(fù)合管，共發(fā)射極具有高增益輸出級甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路(OCL)V11V13采用單電源(OTL)時，輸入端靜態(tài)電位應(yīng)為0.5VCC。F007的管腳圖和簡化圖4.主要參數(shù)1)

輸入失調(diào)電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓2)

輸入偏置電流IIB幾毫伏UO=0時，10nA1A3)

輸入失調(diào)電流

IIOUO=0時，1nA0.1A4)開環(huán)電壓增益Aud100140dB5)

差模輸入電阻Rid輸出電阻Ro幾十千歐幾兆歐幾十歐幾百歐6)共模抑制比

KCMR>80dB二、集成運(yùn)算放大器的符號和基本特點(diǎn)1.運(yùn)放的符號習(xí)慣用符號uid+VCC–VEE國家標(biāo)準(zhǔn)符號uouid+VCC–VEE8直流電源接法(VCC=VEE)等效電路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相端輸入電壓u-

—反相端輸入電壓uid—差模輸入電壓uid=u–

u+Aud—開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

uo=Aud(u+–u)1)

Aud2.運(yùn)放特性的理想化6)UIO0，IIO0理想運(yùn)放：4)

KCMR5)BW2)

Rid3)Ro

0傳輸特性理想線性區(qū)OuiduoUomax–Uomax實(shí)際uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–4.理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的兩個特點(diǎn)1)u+>u–時，uo=Uomaxu+<u–時,

uo=–UOmax2)