集成运放的基本组成部分课件

第三节 集成运放的基本组成部分偏置电路偏置电路差分放大输入级差分放大输入级中间级中间级输出级输出级下页下页总目录总目录第三节 集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级向各放大级向各放大级提供合适的提供合适的偏置电流偏置电流克服零克服零点漂移点漂移提供负载所提供负载所需功率及效需功率及效率率提供电压提供电压放大倍数放大倍数集成运放的基本组成部分输输入入级级中中间级间级输输出出级级偏置偏置电电路路集成运放的基本组成下页下页上页上页首页首页向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效I IB2 B2 I IB1 B1 VTVT1 1 VTVT2 2 U UBE2 BE2 U UBE1 BE1+-+R R+V VCCCC一、偏置电路1.1.镜像电流源镜像电流源V VCC CC-U UBE1BE1R RI IC2 C2 I IREF REF=V VCC CC-U UBE1BE1R RI IREFREF I IC1 C1 2 2I IB BI IC2C2 I IREFREF-2-2I IB B当当 2 2 时时下页下页上页上页首页首页IB2 IB1 VT1 VT2 UBE2 UBE1+-+I IB2 B2 I IB1 B1 2 2I IB BVTVT1 1 VTVT2 2 R RR R1 1R R2 2+V VCCCCU UBE1 BE1 U UBE2BE22.2.比例电流源比例电流源U UBE1 BE1+I IE1E1R R1 1=U UBE2 BE2+I IE2E2R R2 2I IE1E1R R1 1 I IE2E2R R2 2I IC2C2 R R1 1R R2 2I IC1C1R R1 1R R2 2I IREFREFI IREF REF I IC2 C2 I Ic1 c1 U UBE2 BE2 U UBE1 BE1+-+I IE1 E1 I IE2 E2 下页下页上页上页首页首页IB2 IB1 2IBVT1 VT2 RR1R2+VCCUBI IREF REF I IB2 B2 I IB1 B1 I Ic1 c1 2 2I IB BVTVT1 1 VTVT2 2 R RR Re e+V VCCCC3.3.微电流源微电流源U UBE1BE1 U UBE2BE2=I IE2E2R Re eI IC2 C2 U UBE2 BE2 U UBE1 BE1+-+I IC2C2R Re eU UBEBE U UT T ln nI IC CI IS SU UBE1 BE1 U UBE2BE2U UT T (ln nI IC1C1I IS1S1I IC2C2I IS2S2 ln n)I IC2 C2 R Re eU UT T ln nI IC1C1I IC2C2 I IC2 C2 R Re eI IE2 E2 下页下页上页上页首页首页IREF IB2 IB1 Ic1 2IBVT1 VT2 RR 例例5.3.1 5.3.1 图示为集成运放图示为集成运放LM741LM741偏置电路的一部分，假设偏置电路的一部分，假设V VCCCC =V VEEEE=15V =15V，所有三极管的，所有三极管的U UBEBE=0.7V =0.7V，其中，其中NPNNPN三极管的三极管的 22，横向，横向PNPPNP三极管的三极管的=2=2，电阻，电阻R R5 5=39k=39k 。下页下页上页上页I IC13 C13 VTVT11 11 VTVT10 10 R R4 4+V VCCCCVTVT13 13 VTVT12 12 R R5 5-V VEEEEI IC10 C10 I IREF REF 估算基准电流估算基准电流I IREFREF ；分析电路中各三极管组成何种电流分析电路中各三极管组成何种电流源；源；估算估算VTVT1313的集电极电流的集电极电流I IC13 C13；若要求若要求I IC10 C10=28=28 A A，试估算电阻，试估算电阻R R4 4的阻值。的阻值。首页首页例5.3.1 图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，下页下页上页上页+V VCCCCI Ic13 c13 VTVT11 11 VTVT10 10 R R4 4VTVT13 13 VTVT12 12 R R5 5-V VEEEEI Ic10 c10 I IREF REF 解：解：由图可得由图可得 VT VT1212与与VTVT1313组成镜像电流源，组成镜像电流源，VTVT1010 、VTVT1111与与R R4 4组成微电流源。组成微电流源。首页首页下页上页+VCCIc13 VT11 VT10 R4VT13 下页下页上页上页I IC13 C13 VTVT11 11 VTVT10 10 R R4 4+V VCCCCVTVT13 13 VTVT12 12 R R5 5-V VEEEEI IC10 C10 I IREF REF 不能简单认为不能简单认为I Ic13c13 I IREF REF。可认为可认为 I IC11C11 I IREF REF。首页首页 I IC11C11下页上页IC13 VT11 VT10 R4+VCCVT13 二、差分放大输入级+-u uOO+-+-+-u uididu uididu uidid1 12 21 12 2+V+VCCCCR R2 2R R1 1R Rb1b1R Rb2b2R Rc1c1R Rc2c2VTVT1 1VTVT2 21.1.基本形式差分放大电路基本形式差分放大电路 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1 1）电路组成）电路组成下页下页上页上页首页首页二、差分放大输入级+-uO+-+-+-uiduiduid12温度变化时，温度变化时，u uC1 C1 和和u uC2 C2 变化一致，变化一致，u uO O 保持不变。保持不变。uO=uC1 uC2 =0uo=(uC1+uC1 )(uC2+uC2)=0静态时，ui1=ui2 =0当温度升高时ICUC （两管变化量相等）对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。用。下页下页上页上页首页首页+-u uOO+-+-+-u uididu uididu uidid1 12 21 12 2+V+VCCCCR R2 2R R1 1R Rb1b1R Rb2b2R Rc1c1R Rc2c2VTVT1 1VTVT2 2温度变化时，uC1 和uC2 变化一致，uO 保持不变。（2 2）差模输入电压和共模输入电压）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压差模输入电压 u uIdId 两个输入电压大小相等、极性相反。下页下页上页上页差模输入差模输入电压电压首页首页+-u uOO+-+-+-u uididu uididu uidid1 12 21 12 2+V+VCCCCR R2 2R R1 1R Rb1b1R Rb2b2R Rc1c1R Rc2c2VTVT1 1VTVT2 2（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压 uId 下页下页下页上页上页共模输入电压共模输入电压 u uIcIc 两个输入电压大小相等、极性也相同。+-u uOO+-u uIcIc+V+VCCCCR RR RR Rb bR Rb bR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2共模输入共模输入电压电压首页首页下页上页共模输入电压 uIc +-uO+-uIc+VCCR下页下页上页上页实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压性的输入电压u uI1I1和和u uI2I2 ，都可以将它们认为是某个差模输入电压，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。和某个共模输入电压的组合。其中差模输入电压其中差模输入电压u uIdId和共模输入电压和共模输入电压u uIcIc的值分别为的值分别为:例5.3.2 uI1=5 mV,uI2=1 mV 则:uId=4 mV uIc=3 mV 首页首页下页上页实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意差模电压放大倍数差模电压放大倍数 A Ad d u uOO =u uC1C1 u uC2C2=2=2 u uC1C11 12 2=2 2 A Au1u1 u uIdId u uC1C1 =-=-u uC2C2 =1 12 2A Au u1 1 u uIdId牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。下页下页上页上页（3 3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比 u uOO u uIdId=A Au u1 1A Ad d=首页首页差模电压放大倍数 AduO=uC1 uC2=共模放大倍数共模放大倍数A Ac c =u uo o u uicic共模抑制比共模抑制比下页下页上页上页差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数 K KCMRCMR越大，说明差放分辨越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。共模抑制比共模抑制比首页首页共模放大倍数Ac=uouic共模抑制比下页上页差模放大+-u uOO+-+-+-u uididu uididu uidid1 12 21 12 2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER Re e2.2.长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 引入共模负反馈引入共模负反馈降低单管零点漂移降低单管零点漂移提高了共模抑制比提高了共模抑制比补偿补偿R Re e 上的直流压降，上的直流压降，提供静态基极电流提供静态基极电流下页下页上页上页(1)(1)电路组成电路组成首页首页+-uO+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRR+-u uOO+-+-+-u uididu uididu uidid1 12 21 12 2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER Re e(2)(2)静态分析静态分析I IBQBQR R+U UBEQ BEQ+2+2 I IEQEQR Re e=V VEEEEV VEE EE-U UBEQBEQR R+2(1+2(1+)R Re eV VCCCC-I ICQ CQ R Rc cIIBQ BQ-I IBQ BQ R RI IB BI IB BI IC CI IC CU UC CU UC C+-U UBEBEU UBEBE+-2 2I IE EU UB B下页下页上页上页首页首页仿真仿真+-uO+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRR（3 3）动态分析动态分析A Ad d=u uo o u uI I=A Au u1 1Ad=-R R+r rbebe（R Rc c/）1 12 2R RL L Rid=2 2（R R+r rbe be）Ro=2=2 R Rc c+-u uo o u uI1I1R RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2 u uI2I2R RR RL L1 12 2R RL L1 12 2+-u ui i u uc2c2 u uc1c1下页下页上页上页+u uI1I1R RR Rc cVTVT1 1R RL L1 12 2 u uc1c1-u uo o=2=2 u uc1c1 u ui i=u uI1 I1-u uI2 I2 =2=2 u uI1I1首页首页（3）动态分析Ad=uouI=Au1Ad=-例例5.3.35.3.3在长尾式差分在长尾式差分放大电路中常接入调零放大电路中常接入调零电阻电阻R Rw w确保静态时输出确保静态时输出为零，如右图所示。为零，如右图所示。静态分析：静态分析：I IBQBQ=V VEE EE-U UBEQBEQR R+(1+(1+)（2 2R Re e+0.5+0.5 Rw)U UCQCQ=V VCCCC-I ICQ CQ R Rc cI ICQCQ I IBQ BQ U UBQBQ=-=-I IBQ BQ R RI IBQBQR R+U UBEQ BEQ+I IEQ EQ（2 2 R Re e+0.5+0.5 Rw)=V VEEEE下页下页上页上页+-u uo ou uI2I2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER Re e接Rw的长尾式差分放大电路R RwwR RL Lu uI1I1首页首页例5.3.3在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保动态分析：动态分析：+u uI1I1R RR Rc cVTVT1 1R RL L1 12 2 u uc1c1-0.50.5R RwwA Ad d=u uo o u uI I=A Au u1 1A Ad d=-=-R R+r rbe be+（R Rc c/）1 12 2R RL L R Ro o=2=2 R Rc c u uI1I1=（R R+r rbebe）i ib b+0.5+0.5R Rw w i ie e u uc1c1=（R Rc c/）1 12 2R RL L i ib b（1+1+）R Rww2 2R Ridid=2 2 R R+r rbe be+（1 1+）R Rww2 2 下页下页上页上页+-u uo o u uI1I1R RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2 u uI2I2R R交流通路R RL L1 12 2R RL L1 12 20.50.5R Rww0.50.5R Rww首页首页动态分析：+uI1RRcVT1RL12uc1-0.5Rw3.3.恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1 1）电路组成电路组成下页下页上页上页恒流源式差分放大电路+-u uOOu uI2I2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER Re eR Rb1b1R RL Lu uI1I1R Rb2b2VTVT3 3首页首页+-u uOOu uI2I2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER RL Lu uI1I1I I简化表示法3.恒流源式差分放大电路（1）电路组成下页上页恒流源式差(2)(2)静态分析静态分析通常可从确定恒流三极管的电流开始。恒流源式差分放大电路+-u uo ou ui2i2+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEER Re eR Rb1b1R RL Lu ui1i1R Rb2b2VTVT3 3U UR Rb1 b1=R Rb1b1R Rb1 b1+R Rb2b2(V VCC CC+V VEE EE)I ICQ3 CQ3 I IEQ3EQ3=R Re eU UR Rb1 b1 U UBEQ3BEQ3I ICQ1 CQ1=I ICQ2CQ21 12 2I ICQ3CQ3 I IBQ1 BQ1=I IBQ2BQ2I ICQ1CQ1U UBQ1 BQ1=U UBQ2BQ2=-=-I IBQ1 BQ1 R R U UCQ1 CQ1=U UCQ2CQ2=V VCC CC -I ICQ1CQ1R Rc c下页下页上页上页首页首页仿真仿真U UR Rb1b1(2)静态分析恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCR+-uOui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz 例例5.3.4 5.3.4 估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数A Ad d 。下页下页上页上页首页首页+-uOui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRU UB1B1=-I=-IB1B1R RI IE3E3I IC3C3I IC1C1I IC2C2U UC1C1U UC2C2I IB1B1I IB1B1解：静态工作点解：静态工作点下页下页上页上页1 12 2I IC3C3I IC1 C1=U UC1C1=V VCC CC -I-ICQCQR RC C I ICQ1CQ1I IB1B1 =U Uz z-U UBE3BE3R Re eI IE3E3 =首页首页+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwuI1R1VT3VDz仿真仿真UB1=-IB1RIE3IC3IC1IC2UC1UC2Ad=-R R+r rbe be+R Rc c （1 1+）R Rww2 2差模电压放大倍数差模电压放大倍数下页下页上页上页+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放恒流源式差放的交流通路与的交流通路与长尾式电路的长尾式电路的交流通路相同交流通路相同二者的差模电二者的差模电压放大倍数、压放大倍数、差模输入电阻差模输入电阻和输出电阻均和输出电阻均相同相同首页首页Ad=-R+rbe+Rc（1+）Rw2差4.4.差分放大电路的输入、输出接法差分放大电路的输入、输出接法（1 1）双端输入、双端输出双端输入、双端输出下页下页上页上页+-u uOO+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEEu uI II I+-首页首页4.差分放大电路的输入、输出接法（1）双端输入、双端输出下（2 2）双端输入、单端输出双端输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。下页下页上页上页首页首页+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEEu uI II I+-+-u uOO（2）双端输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。下页上（3 3）单端输入、双端输出单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。下页下页上页上页+-u uOO+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEEu uI II I+-首页首页（3）单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。下页上（4 4）单端输入、单端输出单端输入、单端输出抑制零漂能力较强,可使输入、输出电压反相或同相。+-u uOO+V+VCCCCR RR RR Rc cR Rc cVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEEu uI II I+-下页下页上页上页首页首页仿真仿真（4）单端输入、单端输出抑制零漂能力较强,+-uO+VC结论：结论：1.1.双端输出时双端输出时A Ad d A Au u1 1R Ro o=2 2 R Rc c理想情况下理想情况下K KCMRCMR=2.2.单端输出时单端输出时Ad =Au11 12 2R Ro o=R Rc cK KCMRCMR不如双端输出时高，不如双端输出时高，可选择从不同的三极管输出，使可选择从不同的三极管输出，使uI与与uO反相或同相。反相或同相。3.3.单端输入时单端输入时两个三极管仍基本工作在差分状态。两个三极管仍基本工作在差分状态。R Ridid 2 2（R R+r rbe be）下页下页上页上页首页首页结论：Ad Au1Ro=2 Rc理想情况下KCMR=例:图示差分放大电路中，调零电位器RP的动端处在中点位置，已知1=2=50，UBE1=UBE2=0.7 V，其它参数如图所示。1求静态工作点(IB、IC、UCE)；2画出半边对称放大电路的微变等效电路；3当uS1=-uS2=10 mV时，求uO=？例:图示差分放大电路中，调零电位器RP的动端处在中点位置，已集成运放的基本组成部分课件六、图示电路中，输入信号是正弦电压，V1，V2管的饱和压降可以忽略，且静态电流很小，VCC=VEE=15 V，RL=8。1请说明该功放电路的类型；2负载上可能得到的最大输出功率；3每个管子的最大管耗PCM为多少？电路的最大效率是多大？集成运放的基本组成部分课件集成运放的基本组成部分课件三、中间级1.1.有源负载有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现双端与单端信号间的转换。I IVTVT2 2 R RVTVT3 3 VTVT1 1 u uI I u uO O-+-+V VCCCC放大管放大管用三极管代替负载用三极管代替负载电阻电阻R Rc c，组成有源，组成有源负载，获得较高的负载，获得较高的电压放大倍数电压放大倍数下页下页上页上页首页首页三、中间级1.有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻，向输2.2.复合管复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。V VT T1 1V VT T2 2VTVT3 3 R RVTVT4 4 u uI I u uO O-+-+V VCCCCI IREFREF根据基准电流根据基准电流I IREFREF ，即可确定放大管的即可确定放大管的工作电流。工作电流。下页下页上页上页首页首页2.复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的+V+VCCCCVTVT1 1VTVT2 2-V-VEEEEu uI II I+-VTVT4 4VTVT3 3下页下页上页上页i iC2C2 -i iC4C4i iC3C3i iC4C4i iC1C1i iC3C3i iC1C1=-=-i iC2C2i iO O=i iC4C4-i iC2C2 =2 =2i iC4C4放大管放大管 足够大足够大i iC3C3i iC1C1i iC2C2i iC4C4i iOO电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。的输出电流变化量。有源负载有源负载有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路首页首页+VCCVT1VT2-VEEuII+-VT4VT3下页上页四、输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，的需要，同时还应具有较低的输出电阻，以增强带负载能力。同时还应具有较低的输出电阻，以增强带负载能力。有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。一般不要求输出级提供很高的电压放大倍数。一般不要求输出级提供很高的电压放大倍数。应设法尽可能减小输出波形的失真。应设法尽可能减小输出波形的失真。应有过载保护，以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧应有过载保护，以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧毁功率三极管。毁功率三极管。下页下页上页上页首页首页四、输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足1.1.互补对称电路互补对称电路下页下页上页上页集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCLOCL或或OTLOTL互互补对称电路。补对称电路。当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动电流太大。以免要求前级放大级提供的推动电流太大。首页首页1.互补对称电路下页上页集成运放的输出级基本上都采用各种形2.2.过载保护电路过载保护电路VDVD3 3 、VDVD4 4 和 R Re1e1 、R Re2e2组成过载保护电路。工作电流正常时，VDVD3 3 、VDVD4 4 截止。若VTVT1 1正向电流增大，VDVD3 3导通，将VTVT1 1的基流分流，若VTVT2 2 反向电流增大，VDVD4 4导通，将VTVT2 2的基流分流。+V VCCCC-V VCCCCu uI I+-R RL Lu uOOR Rb2b2R Rb1b1VDVD2 2VDVD1 1V VT T2 2V VT T1 1 二二极极管管过载过载保保护电护电路路VDVD3 3VDVD4 4R Re2e2R Re1e1下页下页上页上页首页首页2.过载保护电路VD3、VD4 和 Re1、Re2VTVT3 3 、VTVT4 4 和 R Re1e1 、R Re2e2组成过载保护电路。其工作原理与二极管过载保护电路类似。+V VCCCC-V VCCCCu uI I+-R RL Lu uOOR Rb2b2R Rb1b1VDVD2 2VDVD1 1V VT T2 2V VT T1 1 三三极极管管过载过载保保护电护电路路VTVT3 3VTVT4 4R Re2e2R Re1e1下页下页上页上页首页首页VT3、VT4 和 Re1、Re2组成过载保护电路。上页上页首页首页课堂练习课堂练习上页首页课堂练习43可编辑感感谢下下载43可编辑感谢下载