模擬電子技術(shù)第五章-20131009

第五章

集成運(yùn)算放大電路5.3集成運(yùn)放的基本組成部分圖4.2.1集成運(yùn)算的基本組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路向各放大級(jí)提供合適的偏置電流克服零點(diǎn)漂移提供負(fù)載所需功率及效率提供電壓放大倍數(shù)回顧一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2所以當(dāng)滿足

>>2時(shí)，則圖4.2.25.3.1偏置電路常用的偏置電路主要有：鏡像電流源，比例電流源和微電流源。+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例電流源R1R2UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2兩個(gè)三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。圖4.2.3比例電流源三、微電流源

在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe

引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1

，即在Re

值不大的情況下，得到一個(gè)比較小的輸出電流IC2

。圖4.2.4微電流源5.3.2差分放大輸入級(jí)輸入級(jí)大都采用差分放大電路的形式。電路形式：基本形式，長(zhǎng)尾式，恒流源式一、基本形式差分放大電路+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2假設(shè)電路完全對(duì)稱當(dāng)uId=0，時(shí)UO=0圖4.2.6差分放大電路的基本形式由兩個(gè)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的單管放大電路結(jié)合在一起

VT1

和VT2

基極輸入電壓大小相等，極性相反，稱為差模輸入電壓(uId)（difference）

VT1

和VT2

基極輸入電壓大小相等，極性相同，稱為共模輸入電壓(uIc)（common）。2、幾個(gè)基本概念共模抑制比

KCMR二、長(zhǎng)尾式差分放大電路Re

稱為“長(zhǎng)尾電阻”，引入共模負(fù)反饋。對(duì)差模信號(hào)無(wú)負(fù)反饋。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe圖4.2.8長(zhǎng)尾式差分放大電路Re越大，抑制零漂能力越強(qiáng)，但是同時(shí)Re上的壓降也越大，輸出電壓范圍變小，故引入了VEE。希望既能抑制零漂效果比較好，同時(shí)又不要求過(guò)高的VEE，可以考慮用一個(gè)三極管代替長(zhǎng)尾電阻Re+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe圖4.2.8長(zhǎng)尾式差分放大電路三、恒流源式差分放大電路

用三極管代替“長(zhǎng)尾式”電路的長(zhǎng)尾電阻，即構(gòu)成恒流源式差分放大電路VT3：恒流管發(fā)射極電流不受溫度影響

iC1、iC2之和等于iC3，基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號(hào)的變化。RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3圖4.2.13恒流源式差分放大電路四、差分放大電路的輸入、輸出接法有四種不同的接法差分輸入、雙端輸出；差分輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。1.差分輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+圖4.2.16(a)差分輸入、雙端輸出2.差分輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uououO約為雙端輸出的一半，即若由VT2

集電極輸出，uO

為“正”。圖4.2.16(b)

差分輸入、單端輸出3.單端輸入、雙端輸出若某個(gè)瞬時(shí)輸入電壓極性為正，則iC1增大

uE1增大

uBE2減小

iC2減小單端輸入時(shí)，仍然是一個(gè)管子電流增大，一個(gè)管子電流減小RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+圖4.2.16(c)單端輸入、雙端輸出當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，可以認(rèn)為iC1、iC2之和基本不變，即所以，單端輸入時(shí)，兩個(gè)三極管輸出電壓的變化情況將與差分輸入時(shí)基本相同則即單端輸入，當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，可認(rèn)為三極管仍然基本工作在差分狀態(tài)，所以RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+圖4.2.16(c)單端輸入、雙端輸出4.單端輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改從VT2

集電極輸出，則這種接法比一般的單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。圖4.2.16(d)單端輸入、單端輸出結(jié)論

(1)

雙端輸出時(shí)，Ad

與單管Au基本相同；單端輸出時(shí)，Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。雙端輸出時(shí)，Ro=2Rc；單端輸出時(shí)，Ro=Rc

。

(2)

雙端輸出時(shí)，理想情況下，KCMR

→

；單端輸出時(shí)，共模抑制比不如雙端輸出高。

(3)

單端輸出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。

(4)

單端輸入時(shí)，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個(gè)管子仍基本工作在差分狀態(tài)。

(5)

單端輸入時(shí)，Rid

2(R+rbe)。差分放大電路四種接法的性能比較

接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo差分放大電路四種接法的性能比較

接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出特性1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號(hào)及負(fù)載的兩端均不接地的情況。1.Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。

2.由于引入共模負(fù)反饋，仍有較高的KCMR。

3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。1.Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。

2.比單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。

3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。

4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。1.有源負(fù)載IVT2RVT3VT1uIuO-+-++VCC放大管用三極管代替負(fù)載電阻Rc，組成有源負(fù)載，獲得較高的電壓放大倍數(shù)5.3.3中間級(jí)任務(wù)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。要求：本身具有較高的電壓增益；具有較高的輸入電阻；能向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流。Rc

Au

，集成電路不便制造大電阻+VCCVT1VT2-VEEuII+-VT4VT3ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

ΔiC2=

2ΔiC4放大管β

足夠大iC3iC1iC2iC4iO電路雖然采用單端輸出接法，卻可以得到相當(dāng)于雙端輸出時(shí)的輸出電流變化量。有源負(fù)載有源負(fù)載差分放大電路二、復(fù)合管優(yōu)點(diǎn)可以獲得很高的電流放大系數(shù)

；提高中間級(jí)的輸入電阻；提高了集成運(yùn)放總的電壓放大倍數(shù)。復(fù)合管的構(gòu)成：+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管組成。復(fù)合管共射電流放大系數(shù)

值圖4.2.19顯然，

、rbe

均比一個(gè)管子

1、rbe1提高了很多倍。構(gòu)成復(fù)合管時(shí)注意

1.前后兩個(gè)三極管連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級(jí)輸出電流與后級(jí)輸入電流實(shí)際方向一致。

2.外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)管子均為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，使管子工作在放大區(qū)。復(fù)合管的接法VT1bVT2ec

VT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型圖4.2.20復(fù)合管的接法集成運(yùn)放的中間級(jí)采用復(fù)合管時(shí)，不僅可以得到很高的電流放大系數(shù)，以便提高本級(jí)的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級(jí)的輸入電阻，以免對(duì)前級(jí)放大倍數(shù)產(chǎn)生不良影響。VT1VT2VT3

RVT4

uIuO-+-++VCCIREF根據(jù)基準(zhǔn)電流IREF

，即可確定放大管的工作電流。5.3.4輸出級(jí)一、互補(bǔ)對(duì)稱電路R1VT1R2+uoRuI+VCCic2VT2ic1iB2iB1iLRL-VCCNPNPNPVD1VD2任務(wù)：提供足夠大的輸出功率。要求：本身具有較低的輸出電阻；輸出級(jí)應(yīng)有過(guò)載保護(hù)，防止在輸出端意外短路或者電流過(guò)大損壞負(fù)載。

1、互補(bǔ)對(duì)稱電路工作在射極輸出器狀態(tài)，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)；2、要求輸出功率較大時(shí)，可采用多個(gè)復(fù)合管。Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCNPNVD1VD2VT1NPNVT3PNPPNPVT4三、過(guò)載保護(hù)電路二極管保護(hù)電路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保護(hù)元件：VD3、VD4、Re1、Re2。輸出電流正常，VD3、VD4截止，保護(hù)不起作用；若VT1

正向IC1

，URe1

，VD3

導(dǎo)通，IB1

，IC1

。輸出電流無(wú)法增大，保護(hù)功率管VT1

。若VT2

反向電流IC2

，URe2

，VD4

導(dǎo)通，IB2

，IC2

。避免VT2

電流過(guò)大。圖4.2.25過(guò)載保護(hù)電路5.4.1雙極型集成運(yùn)放LM741LM741是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的集成運(yùn)放產(chǎn)品，是一類應(yīng)用比較廣泛的通用型集成運(yùn)放。VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF35214675.4集成運(yùn)放的典型電路VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R8R10R9R12R11C13521467偏置電路輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)雙極型集成運(yùn)放LM7411.電路原理圖2.引腳和連接方法V－V＋調(diào)零端

反相輸入端同相輸入端空輸出端調(diào)零端

81756432引腳V－V＋－＋1234567連接示意圖A兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，一個(gè)與輸出端為同相關(guān)系，一個(gè)與輸出端為反相關(guān)系，分別稱為同相輸入端和反相輸入端，分別用符號(hào)“+”和“-”標(biāo)出。5.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)+A反相輸入端同相輸入端輸出端一、開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod一般用對(duì)數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無(wú)窮大；實(shí)際情況Aod

為100~140dB。圖4.4.1運(yùn)算放大器的符號(hào)二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂

UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。表征輸入級(jí)差分對(duì)管的失配程度。一般運(yùn)放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運(yùn)放：UIO

為1mV以下。定義：規(guī)定工作范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)。一般運(yùn)放為每度10~20V；高質(zhì)量運(yùn)放低于每度0.5V以下；四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂

IIO當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差。描述差分對(duì)管輸入電流的不對(duì)稱程度。定義：一般運(yùn)放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：輸入失調(diào)電流的溫度系數(shù)。一般運(yùn)放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運(yùn)放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運(yùn)放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm

反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放fH只有幾赫至幾千赫。十二、單位增益帶寬BWG

Aod

降至0dB時(shí)的頻率，此時(shí)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR

額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。單位為V/

s。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的SR

值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。5.5各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)一、高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開(kāi)環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。二、低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)(不超過(guò)毫瓦級(jí))，要求電壓很低，有較高的開(kāi)環(huán)差模增益和共模抑制比。三、高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測(cè)量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號(hào)源內(nèi)阻很高的電路中。四、高速型大信號(hào)工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘