CH06-集成运放

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6 模拟集成电路,6.1,模拟集成电路中的直流偏置技术,6.3,差分式放大电路的传输特性,6.4,集成电路运算放大器,6.5,实际集成运算放大器的主要参数和对应,用电路的影响,6.2,差分式放大电路,6.1,模拟集成电路中的直流偏置技术,6.1.1 BJT,电流源电路,6.1.2 FET,电流源,1.,镜像电流源,2.,微电流源,3.,高输出阻抗电流源,4.,组合电流源,1. MOSFET,镜像电流源,2. MOSFET,多路电流源,3. JFET,电流源,6.1.1 BJT,电流源电路,1.,镜像电流源,T,1,、,T,2,的参数全同,即,1,2,，,I,CEO1,I,CEO2,当,BJT,的,较大时，基极电流,I,B,可以忽略,I,o,I,C2,I,REF,代表符号,6.1.1 BJT,电流源电路,1.,镜像电流源,动态电阻,一般,r,o,在几百千欧以上,原理,:,(1)T,1,支路使,I,B,恒定,则,I,C2,恒定,;,(2)T,1,对,T,2,具有温度补偿作用,.,6.1.1 BJT,电流源电路,2.,微电流源,特点,:,（,2,）,I,C2,恒定：,（,1,）由于,很小，所以,I,C2,很小；,r,o,r,ce2,（,1,）,（参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ，可求出）,A,1,和,A,3,分别是,T,1,和,T,3,的相对结面积,由于,T,2,管的交流输出电阻很大，串联在,T,3,管的发射极，其负反馈作用可使,I,C3,高度稳定，所以,T,3,动态输出电阻,r,o,远比微电流源的动态输出电阻高,6.1.1 BJT,电流源电路,3.,高输出阻抗电流源,6.1.1 BJT,电流源电路,4.,组合电流源,T,1,、,R,1,和,T,4,支路产生基准电流,I,REF,T,1,和,T,2,、,T,4,和,T,5,构成镜像电流源,T,1,和,T,3,，,T,4,和,T,6,构成了微电流源,6.1.2 FET,电流源,1. MOSFET,镜像电流源,当器件具有不同的宽长比时,（,=0,）,r,o,=,r,ds2,MOSFET,基本镜像电路流,2,T,GS,n,D2,),(,V,V,K,I,-,=,6.1.2 FET,电流源,1. MOSFET,镜像电流源,用,T,3,代替,R,，,T,1,T,3,特性相同，且工作在放大区，当,=0,时,，输出电流为,常用的镜像电流源,6.1.2 FET,电流源,2. MOSFET,多路电流源,6.1.2 FET,电流源,3. JFET,电流源,end,(a),电路,(b),输出特性,6.2,差分式放大电路,6.2.1,差分式放大电路的一般结构,6.2.2,射极耦合差分式放大电路,6.2.3,源极耦合差分式放大电路,6.2.1,差分式放大电路的一般结构,1.,用三端器件组成的差分式放大电路,特点,:,(1),(2),电路具有很稳定的直流偏置和很强的抑制共模信号的能力,6.2.1,差分式放大电路的一般结构,2.,有关概念,将输入信号分为两 类,:,则有,共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分,差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分,结论,:,两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。,差模信号,共模信号,6.2.1,差分式放大电路的一般结构,2.,有关概念,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,(,叠加原理,),其中,差模信号产生的输出,共模信号产生的输出,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,6.2.2,射极耦合差分式放大电路,1.,电路组成及工作原理,6.2.2,射极耦合差分式放大电路,1.,电路组成及工作原理,静态,动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,1.,电路组成及工作原理,2.,抑制零点漂移原理,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,2.,抑制零点漂移原理,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用,3.,主要指标计算,（,1,）差模情况,接入负载时,以双倍的元器件换取抑制零漂的能力,双入、双出,3.,主要指标计算,（,1,）差模情况,双入、单出,接入负载时,3.,主要指标计算,（,1,）差模情况,单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同。,3.,主要指标计算,（,2,）共模情况,双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,单端输出,抑制零漂能力增强,3.,主要指标计算,（,2,）共模情况,（,3,）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（,4,）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,例,(4),当输出接一个,12k,负载时的差模电压增益,.,解：,求:,(1),静态,(2),电压增益,(3),差分电路的共模增益,共模输入电压,不计共模输出电压时,(4),4.,带有源负载的射极耦合差分式放大电路,静态,I,E6,I,REF,I,O,I,E5,4.,带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模电压增益,（负载开路）,则,单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益,4.,带有源负载的射极耦合差分式放大电路,差模输入电阻,R,id,2,r,be,输出电阻,4.,带有源负载的射极耦合差分式放大电路,共模输入电阻,R,ic,r,be,2(1,),r,o5,6.2.3,源极耦合差分式放大电路,1. CMOS,差分式放大电路,6.2.3,源极耦合差分式放大电路,1. CMOS,差分式放大电路,双端输出差模电压增益,而:,所以：,6.2.3,源极耦合差分式放大电路,1. CMOS,差分式放大电路,单端输出差模电压增益,v,o2,(,i,d4,-,i,d2,)(,r,o2,/,r,o4,),g,m,v,id,（,r,o2,/,r,o4,）,(,r,o2,/,r,o4,),g,m,(,r,o2,/,r,o4,),与,双端输出相同,end,6.3,差分式放大电路的传输特性,根据,i,C1,=,i,E1,，,i,C2,=,i,E2,v,BE1,=,v,i1,=,v,id,/2,v,BE2,=,v,i2,= -,v,id,/2,又,v,O1,V,CC,i,C1,R,c1,v,O2,V,CC,i,C2,R,c2,可得传输特性曲线,v,O1,，,v,O2,f,（,v,id,）,v,O1,，,v,O2,f,（,v,id,）,的传输特性曲线,end,6.4,集成电路运算放大器,6.4.1,集成电路运算放大器,CMOS MC14573,6.4.2,集成运算放大器,741,6.4.1 CMOS MC14573,集成电路运算放大器,1.,电路结构和工作原理,2.,电路技术指标的分析计算,(1),直流分析,已知,V,T,和,K,P5,，,可求出,I,REF,根据各管子的宽长比,，,可求出其它支路电流。,(2),小信号分析,设,g,m1,=,g,m2,=,g,m,则,2.,电路技术指标的分析计算,输入级电压增益,(2),小信号分析,2.,电路技术指标的分析计算,总电压增益,A,v,=,A,v,1,A,v,2,A,v,2,=,v,o,/,v,gs7,=,g,m7,(,r,ds7,/,r,ds8,),第二级电压增益,将参数代入计算得,A,v,=,40884.8（ 92.2 dB ）,6.4.2,集成运算放大器,741,原理电路,6.4.2,集成运算放大器,741,简化电路,end,6.5,实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响,6.5.1,实际集成运放的主要参数,6.5.2,集成运放应用中的实际问题,6.5.1,实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性（输入失调特性）,1.,输入失调电压,V,IO,在室温（,25,）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压,V,IO,。,一般约为,（,1,10,）,mV,。,超低失调运放为（,1,20,）,V,。,高精度运放,OP-117,V,IO,=4,V,。,MOSFET,达,20 mV,。,2.,输入偏置电流,I,IB,输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值,I,IB,（,I,BN,I,BP,）,/,2,BJT,为,10,nA,1,A,；,MOSFET,运放,I,IB,在,pA,数量级。,6.5.1,实际集成运放的主要参数,输入直流误差特性（输入失调特性）,3.,输入失调电流,I,IO,输入失调电流,I,IO,是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即,I,IO,|,I,BP,I,BN,|,一般约为,1,nA,0.1,A,。,4.,温度漂移,（,1,）输入失调电压温漂,V,IO,/,T,（,2,）输入失调电流温漂,I,IO,/,T,6.5.1,实际集成运放的主要参数,差模特性,1.,开环差模电压增益,A,v,o,和带宽,BW,开环差模电压增益,A,v,O,开环带宽,BW,(,f,H,),单位增益带宽,BW,G,(,f,T,),741,型运放,A,v,O,的频率响应,6.5.1,实际集成运放的主要参数,差模特性,2.,差模输入电阻,r,id,和输出电阻,r,o,BJT,输入级的运放,r,id,一般在几百千欧到数兆欧,MOSFET,为输入级的运放,r,id,10,12,超高输入电阻运放,r,id,10,13,、,I,IB,0.040pA,一般运放的,r,o,200,，,而超高速,AD9610,的,r,o,0.05,。,3.,最大差模输入电压,V,idmax,6.5.1,实际集成运放的主要参数,共模特性,1.,共模抑制比,K,CMR,和共模输入电阻,r,ic,一般通用型运放,K,CMR,为（,80,120,）,dB,，,高精度运放可达,140dB,，,r,ic,100M,。,2.,最大共模输入电压,V,icmax,一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生,1%,跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达,13V,。,6.5.1,实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,1.,转换速率,S,R,放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即,若信号为,v,i,V,im,sin2,f,t,，则,运放的,S,R,必须满足,S,R,2,f,max,V,om,6.5.1,实际集成运放的主要参数,大信号动态特性,2.,全功率带宽,BW,P,指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即,S,R,和,BW,P,是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放,S,R,在,nV/,s,以下，,741,的,S,R,=0.5V/,s,而高速运放要求,S,R,30V/,s,以上。目前超高速的运放如,AD9610,的,S,R,3500V/,s,。,电源特性,1.,电源电压抑制比,K,SVR,衡量电源电压波动对输出电压的影响,2.,静态功耗,P,V,6.5.1,实际集成运放的主要参数,1.,集成运放的选用,根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。,6.5.2,集成运放应用中的实际问题,2.,失调电压,V,IO,、,失调电流,I,IO,和偏置电流,I,IB,带来的误差,6.5.2,集成运放应用中的实际问题,输入为零时的等效电路,解得误差电压,当 时，可以,消除偏置电流 引起的,误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容,C,，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,end,3.,调零补偿,6.5.2,集成运放应用中的实际问题,（,a,）,调零电路 （,b,）,反相端加入补偿电路,