模擬電子技術第五版 第五章模擬集成電路及運算放大器的應用

第五章模擬集成電路及運算放大器的應用西昌學院汽車與電子工程分院5模擬集成電路5.1模擬集成電路中的直流偏置技術5.3差分式放大電路的傳輸特性5.4集成電路運算放大器5.5實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應用電路的影響5.2差分式放大電路5.1模擬集成電路中的直流偏置技術5.1.1BJT電流源電路5.1.2FET電流源1.鏡像電流源2.微電流源3.高輸出阻抗電流源4.組合電流源1.MOSFET鏡像電流源2.MOSFET多路電流源3.JFET電流源5.1.1BJT電流源電路1.鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

當BJT的β較大時，基極電流IB可以忽略

Io＝IC2≈IREF＝

代表符號5.1.1BJT電流源電路1.鏡像電流源動態(tài)電阻一般ro在幾百千歐以上5.1.1BJT電流源電路電路簡單，應用廣泛；要求IC1電流較大情況下，R的功耗較大，集成電路應避免；要求IC1電流較小時，要求R數(shù)值較大，集成電路難以實現(xiàn)。5.1.1BJT電流源電路2.微電流源由于很小，所以IC2也很小。ro≈rce2（1＋

）

5.1.1BJT電流源電路3.比例電流源5.1.1BJT電流源電路4.組合電流源T1、R1和T4支路產(chǎn)生基準電流IREFT1和T2、T4和T5構成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構成了微電流源5.1.2FET電流源1.MOSFET鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時（

=0）ro=rds2

MOSFET基本鏡像電路流5.1.2FET電流源1.MOSFET鏡像電流源用T3代替R，T1~T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當

=0時，輸出電流為常用的鏡像電流源5.1.2FET電流源2.MOSFET多路電流源5.1.2FET電流源3.JFET電流源(a)電路(b)輸出特性5.2差分式放大電路5.2.1差分式放大電路的一般結構5.2.2射極耦合差分式放大電路5.2.3源極耦合差分式放大電路1.零點漂移現(xiàn)象：在直接耦合放大電路中，輸入電壓vI＝0，輸出電壓vO≠0的現(xiàn)象。5.2差分式放大電路一.直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象2.零點漂移產(chǎn)生的原因：①溫度變化，②直流電源波動，③器件老化等。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。3.抑制零點漂移的方法：①引入直流負反饋，②溫度補償，③典型電路：差分放大電路。5.2差分式放大電路二.差分放大電路1.差分式放大電路的組成：差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路構成的，兩個基本電路參數(shù)完全相同，管子的特性也完全相同,電路有兩個輸入端和兩個輸出端。電路中兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時將時時相等，因此以兩集電極電壓差作為輸出，可以克服溫度的漂移。5.2差分式放大電路共模輸入和差模輸入工作情況：共模輸入兩輸入端所加信號vI1和vI2大小相同極性（相位）也相同。

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T1管和T2管集電極電位變化也相等：從而輸出電壓結論：差分式放大電路對共模信號有很強的抑制作用，在電路參數(shù)完全相同的情況下，共模輸出為零。5.2差分式放大電路②差模輸入兩輸入端所加信號vI1和vI2大小相同極性（相位）相反。結論：差分式放大電路對差模信號有放大作用。但由于有射極電阻Re，其放大能力較差。5.2差分式放大電路差分式放大電路的改進電路：在差模輸入情況下，兩管發(fā)射極電流與其它電流一樣，變化量的大小相等，方向相反。將兩個基本放大電路的發(fā)射極電阻合并為一個射極電阻Re，則在差模信號的作用下，Re中的電流變化量為零，即Re對差模信號無反饋作用。即Re對差模信號相當于短路，從而提高了對差模信號的放大能力。一般情況下，差分式放大電路采用雙電源供電，右圖為典型的差分式放大電路。5.2差分式放大電路5.2.1差分式放大電路的一般結構1.用三端器件組成的差分式放大電路5.2.1差分式放大電路的一般結構2.有關概念差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中——差模信號產(chǎn)生的輸出——共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標5.2.1差分式放大電路的一般結構2.有關概念根據(jù)有共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。5.2.2射極耦合差分式放大電路1.電路組成及工作原理5.2.2射極耦合差分式放大電路1.電路組成及工作原理靜態(tài)動態(tài)1.電路組成及工作原理差模信號:

大小相等，極性相反的輸入信號。

vI1=-vI2=vId/2?！鱥E1=－△iE2,所以e點的電位不變2.抑制零點漂移原理溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的，其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。這一過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。所以，即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。2.抑制零點漂移原理差分式放大電路對共模信號有很強抑制作用差分放大電路的四種接法：

根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。雙端輸入雙端輸出3.主要指標計算3.主要指標計算（1）差模情況接入負載時以雙倍的元器件換取抑制零漂的能力<A>雙入、雙出3.主要指標計算（1）差模情況<B>雙入、單出接入負載時3.主要指標計算（1）差模情況<C>單端輸入等效于雙端輸入指標計算與雙端輸入相同3.主要指標計算（2）共模情況<A>雙端輸出共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益<B>單端輸出抑制零漂能力增強3.主要指標計算（2）共模情況（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強單端輸出時的總輸出電壓（4）頻率響應高頻響應與共射電路相同，低頻可放大直流信號。差分放大電路四種接法的比較①各種接法輸入電阻相同：②差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)、輸出電阻與輸入方式無關，與輸出方式有關：雙端：單端：③雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模輸入。4.帶有源負載的射極耦合差分式放大電路5.2.3源極耦合差分式放大電路1.CMOS差分式放大電路5.3差分式放大電路的傳輸特性根據(jù)iC1=iE1，iC2=iE2vBE1=vi1=vid/2vBE2=vi2=-vid/2

又vO1＝VCC－iC1Rc1vO2＝VCC－iC2Rc2可得傳輸特性曲線

vO1，vO2＝f（vid）vO1，vO2＝f（vid）的傳輸特性曲線5.4集成電路運算放大器5.4.1集成電路運算放大器CMOSMC145735.4.2集成運算放大器741集成運算放大電路概述

一.集成運放的特點直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。用復雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復雜并不增加制作工序。用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。采用復合管。5.4集成電路運算放大器二.集成運放電路的組成偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中

間

級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸

出

級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。5.4集成電路運算放大器5.4.1CMOSMC14573集成電路運算放大器1.電路結構和工作原理2.電路技術指標的分析計算(1)直流分析已知VT

和KP5

，可求出IREF

根據(jù)各管子的寬長比，可求出其它支路電流。(2)小信號分析設

gm1=gm2=gm

則2.電路技術指標的分析計算輸入級電壓增益(2)小信號分析2.電路技術指標的分析計算總電壓增益Av

=

Av1·Av2

Av2=vo/vgs7

=－gm7(rds7//rds8)

第二級電壓增益將參數(shù)代入計算得Av

=

40884.8（92.2dB）5.4.2集成運算放大器741原理電路動畫5.4.2集成運算放大器741簡化電路動畫5.5實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應用電路的影響5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)5.5.2集成運放應用中的實際問題5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調特性）1.輸入失調電壓VIO在室溫（25℃）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓VIO。一般約為±（1～10）mV。超低失調運放為（1～20）

V。高精度運放OP-117VIO=4V。MOSFET達20mV。2.輸入偏置電流IIB輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值IIB＝（IBN＋IBP）/2BJT為10nA～1

A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調特性）3.輸入失調電流IIO輸入失調電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即IIO＝|IBP－IBN|

一般約為1nA～0.1

A。

4.溫度漂移（1）輸入失調電壓溫漂

VIO/

T（2）輸入失調電流溫漂

IIO/

T5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)差模特性1.開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW開環(huán)差模電壓增益AvO開環(huán)帶寬BW

(fH)單位增益帶寬

BWG(fT)741型運放AvO的頻率響應5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)差模特性2.差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運放rid＞1012Ω超高輸入電阻運放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA一般運放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。3.最大差模輸入電壓Vidmax5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)共模特性1.共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric

一般通用型運放KCMR為（80～120）dB，高精度運放可達140dB，ric≥100MΩ。2.最大共模輸入電壓Vicmax

一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達±

13V。5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性1.轉換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即 5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性2.全功率帶寬BWP

指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即

SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR在nV/

s以下，741的SR=0.5V/

s而高速運放要求SR＞30V/

s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR＞3500V/

s。電源特性1.電源電壓抑制比KSVR

衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響2.靜態(tài)功耗PV

5.5.1實際集成運放的主要參數(shù)1.集成運放的選用根據(jù)技術要求應首選通用型運放，當通用型運放難以滿足要求時，才考慮專用型運放，這是因為通用型器件的各項參數(shù)比較均衡，做到技術性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。至于專用型運放，雖然某項技術參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運放的帶寬往往設計得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾，如此等等。5.5.2集成運放應用中的實際問題2.失調電壓VIO、失調電流IIO和偏置電流IIB帶來的誤差5.5.2集成運放應用中的實際問題輸入為零時的等效電路解得誤差電壓當時，可以消除偏置電流引起的誤差，此時當電路為積分運算時，即換成電容C，則時間越長，誤差越大，且易使輸出進入飽和狀態(tài)。引起的誤差仍存在3.調零補償5.5.2集成運放應用中的實際問題（a）調零電路（b）反相端加入補償電路5.6.1集成電路運算放大器5.6運算放大器5.6.2理想運算放大器5.6.3基本線性運放電路5.6.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用5.6.1

集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運算放大器的內(nèi)部結構框圖5.6.1

集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.2運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號（b）國內(nèi)外常用符號2.運算放大器的電路模型圖2.1.3運算放大器的電路模型通常：開環(huán)電壓增益

Avo的≥105（很高）

輸入電阻

ri

≥106Ω（很大）

輸出電阻

ro

≤100Ω（很?。?/p>

vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜

vO

＜V＋）

注意輸入輸出的相位關系2.運算放大器的電路模型當Avo(vP－vN)≥V＋時

vO＝

V＋

當Avo(vP－vN)≤

V-時

vO＝

V-電壓傳輸特性

vO＝

f

(vP－vN)線性范圍內(nèi)

vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率end5.6.2理想運算放大器1.

vO的飽和極限值等于運放的電源電壓V＋和V－

2.運放的開環(huán)電壓增益很高

若（vP－vN）＞0

則vO=+Vom=V＋

若（vP－vN）＜0

則vO=–Vom=V－

3.若V－<vO<V＋

則（vP－vN）

0

4.輸入電阻ri的阻值很高

使iP≈0、iN≈0

5.輸出電阻很小，ro

≈0理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞

vO＝Avo(vN－vP)圖2.2.1運放的簡化電路模型end5.6.3基本線性運放電路5.6.3.1同相放大電路5.6.3.2反相放大電路5.6.3.1同相放大電路（a）電路圖（b）小信號電路模型圖2.3.1同相放大電路

基本電路

5.6.3.1同相放大電路

幾項技術指標的近似計算（1）電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作為公式直接使用）5.6.3.1同相放大電路

幾項技術指標的近似計算（2）輸入電阻Ri

輸入電阻定義根據(jù)虛短和虛斷有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以（3）輸出電阻Ro

Ro→05.6.3.1同相放大電路

電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vi（可作為公式直接使用）電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時負載上得到的電壓電壓跟隨器時ip≈0，vp＝vs根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs5.6.3.2反相放大電路（a）電路圖（b）由虛短引出虛地vn≈0

圖2.3.5反相放大電路

基本電路

幾項技術指標的近似計算（1）電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vn≈

vp＝

0

，ii＝0所以i1＝i2

即（可作為公式直接使用）5.6.3.2反相放大電路

幾項技術指標的近似計算（2）輸入電阻Ri

（3）輸出電阻Ro

Ro→05.6.3.2