第五章集成運算放大器的基礎(chǔ)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第五章集成運算放大器的基礎(chǔ)第5章集成運算放大器的基礎(chǔ)5.1集成運算放大器中的電流源電路5.1.1鏡像電流源1、基本鏡像電流源

其電路如圖4.2.2所示。V1、V2是做在同一小塊硅片上的兩個相鄰三極管，由于工藝、結(jié)構(gòu)及材料均一致，因此，二者性能參數(shù)一致，又因UBE1=UBE2=UBE，因此電流也對稱相等，即IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC由圖可得R中的電流為IR=ccU?UBER

根據(jù)分流關(guān)系，又可有

IR?IC1?2IB?IC1?2IC?Ic1(1?2)

??

當β>>2時，有

IC2?IR?UCC?UBER

我們稱IR為基準電流，而將IC2作為輸出電流，供給其它放大級。由上式可知，IC2等于IR，一旦IR確定，IC2便隨之確定，IR穩(wěn)定，IC2也隨之穩(wěn)定，IC2與IR成為一種鏡像關(guān)系，故稱其為鏡像電流源。鏡像電流源的輸出電流IC2只決定于基準電流IR，而與V2集電極負載大小及性質(zhì)無關(guān)。

2、帶緩沖級的鏡像電流源

對于基本鏡像電流源來說，只有在三極管的β值較大時，才能認為輸出電流IC2和參考電流IR近似相等，否則這兩個電流間就存在著較大的區(qū)別。為了解決這一問題，在電路中參與三極管V3，如下圖所示。利用V3的電流放大作用，進一步減小了V1和V2基極電流對IR的分流作用，從而提高了IC2對IR的鏡像程度。為避免V3的射極電流過小，使三極管不能正常工作，參與電阻Re使IE3增加。

IO1IRRIB3T3IC1IB1T1IC2T2IB2Re3

帶緩沖級的鏡像電流源

?1??2??3??且???1

IC1?IC2,IB1?IB2?IC2?

IC2當IRe3??IB2時，IE3?2IB2?2?

IE3?IB3(1??)?(IR?IC1)(1??)

IC2?IR1?2/?2

5.1.2微電流源

在集成電路中，有時需要微安級的小電流，假使利用基本鏡像電流源實現(xiàn)，就必需提高電阻R的阻值，而大電阻的制作在集成電路中十分困難。為解決這個問題可以采用圖3-20所示的微電流源電路。與基本鏡像電流源相比，在V2的發(fā)射極接入電阻Re2，由圖可知，當參考電流IREF一定時，可確定IO。

圖3-20微電流源由于

UBE1-UBE2=ΔUBE=IE2Re2所以

IO?IC2?IE2??UBERe2

由于兩個三極管發(fā)射結(jié)電壓之差ΔUBE是一個較小的數(shù)值，因此利用不大的Re2就可以獲得較小的恒流輸出，故稱為微電流源。5.1.3多路電流源

設(shè)各管的參數(shù)值一致

IC?IREF??IB/?，當較大時，有

IC?IR?IE4

IERE4?IE1RE1?IE2RE2?IE3RE3

所以

IC1?IE1?IRRE4RE1,IC2?IE2?IRRE4RE2,IC3?IE3?IRRE4RE3

所以在IR確定后，通過改變各個電流源的射極電阻值，即可獲得各路不同的電流源。5.2差分放在電路

圖3-5典型基本差動放大電路一、靜態(tài)分析及抑制零漂原理1、靜態(tài)分析

當ui1=ui2=0時，由于電路完全對稱，因此電路對稱兩邊的靜態(tài)參數(shù)也應(yīng)完全一致。以V1管為例，其靜態(tài)基極回路由-UEE、UBE和Re構(gòu)成，但需要注意的是，流過Re的電流是V1、V2兩管發(fā)射極電流之和，如圖3-5所示。則V1管的輸入回路方程為UEE=UBE+2IE1Re所以，靜態(tài)射極電流為

IE1?UEE?UBE2Re?IC1

靜態(tài)基極電流為

IB1?IC1?

靜態(tài)V1管壓降為

UCE1=UCC+UEE-IC1Rc-2IE1Re（3-3）由于電路參數(shù)對稱，故V2管的靜態(tài)參數(shù)與V1管一致。靜態(tài)時，兩管集電極對地電位UC1=UC2（不為0），而兩集電極之間電位差為零，即輸出電壓uo=UC1-UC2=0。2、抑制零點漂移的原理

1）所謂零點漂移，就是放大電路在沒有輸入信號時，由于電源波動、溫度變化等原因，使放大電路的工作點發(fā)生變化，這個變化量會被直接耦合放大電路逐級加以放大并傳送到輸出端，使輸出電壓偏離原來的起始點而上下漂動，導(dǎo)致“零入不零出〞。放大器的級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零點漂移的現(xiàn)象就越嚴重。

圖3-3直接耦合放大電路的零點漂移

2）溫度漂移：由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象的主要原因，因而也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。3）抑制零點漂移的原理

當溫度發(fā)生變化時，由于電路參數(shù)對稱，T1管和T2管所產(chǎn)生的電流變化相等，即

，

；因此，集電極電位的變化

也相等，即。輸出電壓。說明差分放大電路對共模信號具有很強的抑制作用，在電路參數(shù)完全對稱的狀況下，共模輸出為零。二、動態(tài)分析

由于差分放大電路結(jié)構(gòu)為直接耦合形式，因此輸入信號可以是直流，也可以是交流信號。

1、輸入信號的類型：共模信號與差模信號

1）差模信號：假使兩個輸入信號的大小一致、極性相反，即ui1=-ui2，則這種輸入方式叫做差模輸入。假設(shè)加在V1管的ui1為正值，則ui1使V1管的集電極電流增大ΔIC1，V1的集電極電位因而降低了ΔUC1；和V1相反，在ui2的作用下，V2的集電極電位升高了ΔUC2。所以差模輸入時，兩管的集電極電位一增一減，變化的方向相反，變化的大小一致，就像是“蹺蹺板〞的兩端。兩個集電極電位的差值就是輸出電壓uo，即

uo=ΔUC1-ΔUC22）共模輸入（共模信號）

假使兩個輸入信號的大小一致、極性也一致，即ui1=ui2，這種輸入方式叫做共模輸入。對于完全對稱的差動放大電路來說，共模輸入時兩管的集電極電位必然一致，因此有uo=ΔUC1-ΔUC2=0。所以在理想狀況下，差動放大電路對共模信號沒有放大能力。實際上，我們說差動放大電路對零點漂移有抑制作用，就是對共模信號的抑制作用。由于引起零點漂移的溫度等因素的變化對差動電路來說相當于輸入了一對共模信號，所以差動放大電路對零點漂移的抑制就是對共模信號抑制的一種特例。2、差模輸入

1）雙端輸入、雙端輸出差模交流通路

ui1??ui2，?ic1???ic2?iE1???iE2

則?iE?0,所以Re上不存在差模信號。Re可視為短路。

2）雙端輸入、雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)

Aud?uouid?uo1?uo2ui1?ui2?2uo12ui2???RCrbe

當接有負載時

Aud????RLrbe??RC//RL/2,RL

3)雙端輸入、雙端輸出差模的輸入電阻和輸出電阻

Rid?2rbe

Rod?2RC4）雙端輸入、單端輸出差模電壓放大倍數(shù)

Aud1?uo1ui1?ui2?uo12ui1?12Aud???RC2rbe

接負載后

Aud1????RL2rbe

??RC//RLRL3、共模輸入和共模抑制比（1）雙端輸出的共模電壓放大倍數(shù)

ui1?ui2，?ic1??ic2?iE1??iE2

所以，?iEAuc?uocuic?2?iE1

?0

共模電壓放大倍數(shù)越小，說明抑制零漂能力越強。

（2）雙端輸出的共模抑制比

差分放大電路的作用就是放大差模信號，抑制共模信號。抑制能力尋常用共模抑制比來表示KCMR

KCMR?AudAuc，越大抑制能力越強，一般用分貝來表示

AudAucKCMR?20lg

理想狀況共模抑制比為無窮大，但實際上電路并不對稱，集成電路中一般為120140.

（3）單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比

Auc1?uo1ui1????RLrbe?2(1??)Re

??RC//RLRL當

???時，Auc1????RL2Re

KCMR?AudAuc?Rerbe

(4)共模輸入電阻

RiC?uic2ib?12[rbe?(1??)2Re]

5．2．2差分放大電路的四種接法單端輸入：當ui?ui1,ui2?0,稱為單端輸入方式。

一、輸入信號的分解當ui1?ui2時，可以采用等效變換，將原有信號分解成差模信號和共模

信號。具體的分解方法為：

差模輸入的分解

uid?ui1?ui2uid1??uid2??1212uiduid

共模的分解

uic?12(ui1?ui2)

?ui,ui2?0時

12uid當單端輸入時，ui1uid?ui;uid1??12uid,uid2??

而uic?12ui?uic1?uic2。由此可知單端輸入與雙端輸入的工作原理一樣。

二、單端輸入差分放大電路的分析

1、雙端輸出時，共模放大理論上為零，所以

u0?uidAud??uid??RLrbe??ui??RLrbe

與雙入雙出時分析的結(jié)果一樣。2、單端輸出時，uo?uidAud?uicAuc=?uiRiC?uic2ib?12??RL2rbe??uiRL22Re[rbe?(1??)2Re]

Rid?2rbeRO?RC

三、四種接法的差分放大電路

5.3集成運算放大器

5.3.1集成運算放大器的典型結(jié)構(gòu)一、集成運算放大器概述

運算放大器實際上就是一個高增益的多級直接耦合放大器，由于它最初主要用作模擬計算機的運算放大，故至今仍保存這個名字。集成運算放大器則是利用集成工藝，將運算放大器的所有元件集成制作在同一塊硅片上，然后再封裝在管殼內(nèi)。集成運算放大器簡稱為集成運放。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成運放的各項性能不斷提高，目前，它的應(yīng)用領(lǐng)域已大大超出了數(shù)學(xué)運算的范疇。使用集成運放，只需另加少數(shù)幾個外部元件，就可以便利地實現(xiàn)好多電路功能。可以說，集成運放已經(jīng)成為模擬電子技術(shù)領(lǐng)域中的核心器件之一。

(1)所有元件都是在同一硅片上，在一致的條件下，采用一致的工藝流程制造，因而各元件參數(shù)具有同向偏差，性能比較一致。這是集成電路特有的優(yōu)點，利用這一優(yōu)點恰恰可以制造像差動放大器那樣的對稱性要求很高的電路。實際上，集成電路的輸入級幾乎都無例外地采用差動電路，以便充分利用電路對稱性，使輸出的零漂得到較好的抑制。

(2)由于電阻元件是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成的，高阻值電阻在硅片上占用面積很大，難以制造，而制作晶體管在硅片上所占面積較小。例如，一個5kΩ電阻所占用硅片的面積約為一個三極管所占面積的三倍。所以，常采用三極管恒流源代替所需要的高值電阻。

(3)集成電路工藝不宜制造幾十微微法以上的電容，更難以制造

電感元件。為此，若電路確實需要大電容或電感，只能靠外接來解決。由于直接耦合可以減少或避免使用大電容及電感，所以集成電路中基本上都采用這種耦合方式。

(4)集成電路中需用的二極管也常用三極管的發(fā)射結(jié)來代替，只要將三極管的集電極與基極短接即可。這樣做的原因主要是這樣制作的“二極管〞的正向壓降的溫度系數(shù)與同類型三極管的UBE的溫度系數(shù)十分接近，提高了溫度補償性能。由此可見，集成電路在設(shè)計上與分立元件電路有很大區(qū)別，這在分析集成電路的結(jié)構(gòu)和功能時應(yīng)當予以注意。

二、集成運放的封裝符號與引腳功能

U1132OPAMP_3T_VIRTUAL

三、集成運算放大器的內(nèi)部電路簡介

集成運放型號繁多，性能各異，內(nèi)部電路各不一致，但其內(nèi)部電路的基本結(jié)構(gòu)卻大致一致。本節(jié)主要從使用的角度來介紹典型集成運放內(nèi)部電路的組成、工作原理和性能，從而對集成運放有個全面而深入的了解。

集成運放的內(nèi)部電路可分為輸入級、偏置電路、中間級及輸出級四個部分。輸入級由差動放大器組成，它是決定整個集成運放性能的最關(guān)鍵一級，不僅要求其零漂小，還要求其輸入電阻高，輸入電壓范圍大,并有較高的增益等。偏置電路用來向各放大級提供適合的靜態(tài)

工作電流,決定各級靜態(tài)工作點。在集成電路中，廣泛采用鏡像電流源電路作為各級的恒流偏置。

中間級主要是提供足夠的電壓放大倍數(shù)，同時承受將輸入級的雙端輸出在本級變?yōu)閱味溯敵?，以及實現(xiàn)電位移動等任務(wù)。輸出級主要是給出較大的輸出電壓和電流，并起到將放大級與負載隔離的作用。常用的輸出級電路形式是射極輸出器和互補對稱電路，有些還附加有過載保護電路。下面以國產(chǎn)其次代通用型集成運放F007(5G24、μA741)為例，對各部分電路的功用作以分析。

F007的電原理圖如圖4.2.1所示。電路共有九個對外引線端：②、③為信號輸入端，⑥為信號輸出端，在單端輸入時，②和⑥相位相反，③和⑥相位一致，故稱②為反相輸入端，③為同相輸入端；⑦和④為正、負電源端；①和⑤為調(diào)零端；⑧和⑨為（消除寄生自激振蕩的）補償端。

1.輸入級

輸入級的性能好壞對提高集成運放的整體質(zhì)量起著決定性作用。好多性能指標，如輸入電阻、輸入電壓（包括差模電壓、共模電壓）范圍、共模抑制比等，主要由輸入級的性能來決定。

在圖4.2.1中，V1～V7以及R1、R2、R3組成F007的輸入級。其中，V1～V4組成共集—共基復(fù)合差動放大器（V1、V2為共集電路，V3、V4為共基電路），構(gòu)成整個運放的輸入電路。

差模信號由V1、V2的基極（②、③端）輸入，經(jīng)放大后由V4、V6的集電極以單端形式輸出到中間級V{16}的基極。V5、V6、V7構(gòu)成V3、V4的有源負載。

由V1、V2組成的共集電路輸入電阻已經(jīng)很高，它們的發(fā)射極又串有V3、V4共基電路的輸入阻抗，使輸入端②、③之間的差模輸入阻抗比一般差動電路提高一倍，可高達1MΩ。2.偏置電路

在集成運放中，為了減少靜耗、限制溫升，必需降低各管的靜態(tài)電流。而集成工藝本身又限制了大阻值偏置電阻的制作，因此，集成運放多采用恒流源電路作為偏置電路。這樣既可使各級工作電流降低，又可使各級靜態(tài)電流穩(wěn)定。F007中采用的恒流源電路是“鏡像電流源〞及“微電流源〞電路。

圖4.2.4示出了F007的偏置電路，由V8至V{13}以及R4、R5組成。圖中共三對鏡像電流源，它們是V8與V9、V10與V11、V12與V13（其中V10與V11是微電流源）。流過R5的電流IR是V{12}與V{13}、V{10}與V{11}這兩對電流源的基準電流。3.中間級

中間級是由V16、V17組成的復(fù)合管共射放大電路，其輸入電阻大，對輸入級的影響?。黄浼姌O負載為有源負載（由恒流源V13組成），而V13的動態(tài)電阻很大，加之放大管的β很大，因此中間級的放大倍數(shù)很高。

此外，在V16、V17的集電極與基極之間還加接了一只約30pF的補償電容，用以消除自激。4.輸出級

F007的輸出級主要由三部分電路組成：由V14、V18、V19組成

的互補對稱電路；由V15、R7、R8組成的UBE擴大電路；由VD1、VD2、R9、R10組成的過載保護電路。信號從中間級的V13、V16（V17）的集電極加至互補對稱電路兩管基極，放大后從⑥端輸出。過載保護電路是為防止功放管電流過大造成損壞而設(shè)置的。5.3.2集成運放的主要參數(shù)與類型

5.4集成運算放大器的分析方法及基本運算電路5.4.1理想運算放大器及傳輸特性一、理想集成運放

在分析集成運放構(gòu)成的應(yīng)用電路時，將集成運放看成理想運算放大器，可以使分析大大簡化。理想運算放大器應(yīng)當滿足以下各項條件：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo=∞；差模輸入電阻Rid=∞；輸出電阻Ro=0；帶寬BW=∞，轉(zhuǎn)換速率SR=∞；共模抑制比KCMR=∞；

失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的溫漂均為0；上限頻率fH=∞。

盡管理想運放并不存在，但由于實際集成運放的技術(shù)指標比較理想，在具體分析時將其理想化一般是允許的。這種分析計算所帶來的誤差一般不大，只是在需要對運算結(jié)果進行誤差分析時才予以考慮。本書除特別指出外，均按理想運放對待.

在分析運放應(yīng)用電路時，還須了解運放是工作在線性區(qū)還是非線

性區(qū)，只有這樣才能依照不同區(qū)域所具有的特點與規(guī)律進行分析。二、集成運放的傳輸特性1、傳輸特性

實際電路中集成運放的傳輸特性如圖6.1所示

＋Uomuo非線性區(qū)

非線性區(qū)－UomO線性區(qū)ui2．集成運放的線性應(yīng)用

集成運放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負反饋。當集成運放工作在線性區(qū)時,具有兩個重要特點：1）Auo→∞,則,u??u?

上式說明,同相端和反相端電壓幾乎相等,所以稱為虛假短路,簡稱“虛短〞。

2)由集成運放的輸入電阻Rid→∞,得i??i??0

上式說明,流入集成運放同相端和反相端的電流幾乎為零,所以稱為虛假斷路,簡稱“虛斷〞

3．集成運放的非線性應(yīng)用

當集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時,由于集成運放的Auo很大,只要有微小的電壓信號輸入,集成運放就一定工作在非線性區(qū)。其特點是:輸出電壓只有兩種狀態(tài),不是正飽和電壓＋Uom,就是負

飽和電壓－Uom。

（1）當同相端電壓大于反相端電壓,即u＋>u－時,uo=＋Uom

（2）當反相端電壓大于同相端電壓,即u＋反相相加。2、減法運算

能實現(xiàn)減法運算的電路如圖6.6（a）所示。

ui1R3R1－R2＋＋uo1R1ui2R2ui1R3＋－＋uoRfR1ui2－＋＋R′3＝R2//R3uo2Rf∞∞(a)(b)Rf∞(c)圖6.6減法電路

根據(jù)疊加定理,首先令ui1=0,當ui2單獨作用時,電路

成為反相比例運算電路,如圖６.６(b)所示,其輸出電壓為

uo2??RfR1u12再令ui2=0,ui1單獨作用時,電路成為同相比例運算電路,如圖６.６（c）所示,同相端電壓為

uo?uo1?uo2???(1?RfR1)(u??R3R2?R3RfR1ui1)(R3R2?R3)ui1uo2?(1?RfR1ui2?(1?)ui1?RfR1RfR1)u?R3R2?R3ui2當R1=R2=R3=Rf=R時,uo=ui1－ui2。在理想狀況下,它的輸出電壓等于兩個輸入信號電壓之差,具有很好的抑制共模信號的能力。但是,該電路作為差動放大器有輸入電阻低和增益調(diào)理困難兩大缺點。因此,為了滿足輸入阻抗和增益可調(diào)的要求,在工程上常采用多級運放組成的差動放大器來完成對差模