模电第六章集成运算放大器电路原理

,第六章 集成运算放大器电路原理,第六章 集成运算放大器电路原理,集成运算放大器是采用微电子技术，将晶体管、电阻、电容及连线制作在硅片上的电路。,本章介绍集成运放的单元电路和典型集成运放芯片，重点是,差动放大器、恒流源和互补跟随输出级电路,。,掌握不同输入输出类型的差动放大器的动特性分析：差（共）模电压增益、输入输出电阻以及共模抑制比的求法；理解恒流源的原理，熟悉几种典型恒流源的电路原理图。,6.1,集成运算放大器的电路特点,集成运放：多级放大电路。,电路设计上的主要特点：,(1),高增益直接耦合。,(2),用有源器件代替无源元件。,(3),利用对称结构改善电路性能。,理想运放：电压增益高、 输入电阻大、 输出电阻小、 工作点漂移小、失调电压和失调电流为零等特点。,集成运放电路框图,6.2,电 流 源 电 路,电流源对提高集成运放性能的作用：,1,、给各级电路提供稳定的直流偏置电流；,2,、作为有源负载，提高单级放大器的增益。,一、单管电流源电路,晶体管的恒流特性,恒流源电路,等效电流源表示法,恒流条件： 恒流管始终为放大状态。,由电路的交流等效电路可以证明，,R,o,近似为,若,U,A,=100V,，,I,CQ,=50,A,，则,r,CE,= 2M,。,二、镜像电流源,镜像电流源：晶体管,V,1,代替电阻,R,2,和,R,3,。,若,1,1,，,则,I,C2,I,r,，,I,r,一定，,I,C2,恒定；改变,I,r,，则,I,C2,改变。,三路镜像电流源如图示,一般,1,(1+,5,)4,容易满足，,I,C2,、,I,C3,、,I,C4,更接近,I,r,，,并且受,的温度影响也,小。,增加,V,5,射随器减小误差。,多集电极晶体管镜像电流源,利用一个三集电极横向,PNP,管组成双路电流源,(,横向,PNP,管是采用标准工艺，在制作,NPN,管过程中同时制作出来的一种,PNP,管,),。,三、比例电流源,输出电流与参考电流成比例,室温下，可认为,U,BE1,U,BE2,。则,有：,当两管的射极电流相差,10,倍以内时：,若,1,1,，,则,I,E1,I,r,，,I,E2,I,C2,，有,当,1,时，,I,E1,I,r,，,I,E2,I,C2,，有：,四、微电流电流源,(,提供微安级的小电流,),已,知,I,r,=1mA,，,I,C2,=10A,，则,R,2,为,若,U,CC,=15V,，则,R,r,15k,。总电阻不超过,27k,。若用镜像电流源，则,R,r,=,1.5M,。,五、负反馈型电流源,威尔逊电流源,威尔逊电流源,电路特点：,V,3,管的基极和射极之间接入了一个镜像电流源。,镜像电流源的自动调节作用使得,V,3,管的输出电流恒定。,调节原理：,I,C,3,I,E,3,I,C,1,I,B,3,I,C,3,I,r,恒定,1,=,2,=,3,=,，有：,威尔逊电流源的动态内阻,R,o,为,串接电流源：,两个镜像电流源串接组成,。,六、有源负载放大器,u,i,I,C,1,I,C,1,I,C,3,I,C,1,I,C,2,=,I,C,3,I,C,2,=,I,C,1,u,i,和,u,o,同相。,V,1,管集电极电阻,R,C,r,ce3,。射随器接入负载,R,L,隔离可获得极高的,电压增益。,在静态时，由于温度变化、电源,波动等因素引起工作点电压,(,即集电极电位,),偏离设定值而缓慢地上下漂动的现象。,6.3,差动放大电路,一、,零点漂移现象,U,ip,U,C,等效输入漂移电压,衡量漂移,U,ip,大小：,U,ip,越小，说明放大器抑制零点漂移的能力越强。,抑制温漂的关键：减小输入级的温漂。,二、,差动放大器的工作原理及性能分析,电路特点：,由两个互为发射极耦合的共射电路组成，也,称射极耦合差动放大器,。,电路结构参数完全对称。,单端输出：输出从任一集电极取出,双端输出：输出从两个集电极间取出。,正、负两路电源供电：保证输入端的直流电位为零。,则流过,R,E,的电流,I,为,Q,点的分析,（,U,i1,=,U,i2,=0,）,：,结论：静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。,1,、差模放大特性,差模信号：大小相等、相位相反,U,i1,=,U,id1,，,U,i2,=,U,id2,，,U,id1,=,-,U,id2,工作特点：,一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。,流过,R,E,的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。对差模输入信号，公共射极端为差模地端，即,R,E,相当对地短路。,差模输入：两管输出端电位一端升高，一端降低，且变化量相等，即双端输出时，,R,L,的中点电位保持不变，为差模地端。,a.,差模电压放大倍数,在双端输出时，输出电压为,输入差模电压为,若单端输出时的负载接在一个输出端和地之间，计算,A,ud,时，总负载为,R,L,=,R,C,R,L,。,单端输出,b.,差模输入电阻,c.,差模输出电阻,双端输出时为,单端输出时为,2,、共模抑制特性,共模信号：,U,i1,=,U,i2,=,U,ic,共模信号引起两管集电极电位变化完全相同，故流过负载,R,L,的电流为零，相当于,R,L,开路。,电路等效,a,、共模电压放大倍数,电路完全对称，,U,oc1,=,U,oc2,，,A,uc,=0,。,双端输出,单端输出：,一般,(1+,)2,R,E,r,be,一般,|,A,uc,(,单,)|,A,uc,(,单,),时，有：,结论：差动放大器只放大两输入端的差信号。,当共模抑制比足够高时，差动电路通过公共电阻,R,E,的负反馈，自动将射极电位调整为：,从而把两输入端的差信号变为差模信号，两输入端的和信号变为共模信号。,当信号源接入两输入端，若信号源两端不接地即浮地，为双端输入，此时信号源两端分别对地电压之和的一半为共模电压分量，若信号源一端接地，为单端输入，此时信号电压的一半为共模电压分量。,三、,具有恒流源的差动放大电路,单端输出，共模抑制比为：,基本差动放大器存在两个缺点：,1,、是共模抑制比做不高,若,U,EE,=15V,，,则室温下，,K,CMR(,单,),300,。,2,、不允许输入端有较大的共模电压变化,U,ic,U,E,I,CQ,r,be,A,ud,用恒流源代替差动电路中的,R,E,如图：,电流源的动态内阻非常大，,A,uc, 0,，,K,CMR,。,电流源的引入扩大了差动电路的共模输入电压范围：,U,C 1,U,i,c,U,B,3,否则差放管或者恒流管进入饱和。,Q,点估算：,恒流源为基点来计算,Q,点,设恒流源电流,I,小于差放管的集电极临界饱和电流，即,I, 0,V,1,导通，,V,2,截止,U,o,正半周,V,1,、,V,2,截止,U,i,2U,GSth,时，,V,1,、,V,3,管工作于恒流区,设计思路：,I,r,u,GS,1,n,2,、,C,MOS,共源放大器,+,-,+,-,+,-,U,i,U,o,U,gs1,g,m,U,gs,r,ds1,r,ds2,G,1,D,1,S,1,0,O,A,Q,B,C,i,D1,u,DS1,U,DD,U,GSth1,U,GS1A,U,GS1B,U,GS1Q,U,GS2,I,DQ,U,DSQ1,0,Q,B,A,u,o,u,i,U,DD,U,GSth1,U,GS1Q,U,GS2,I,DQ,恒流区,工作原理分析,u,i,=,U,GS,1,U,GSth,1,V,1,截止,U,DS,2,= 0,时，,I,D1,=,I,D2,= 0,，,U,DS,1,=,U,DD,u,i,U,GS,1,且,u,i,U,GS,1B,V,1,变阻区，,V,2,恒流区,电压增益为：,Q,点处：,3,、,MOS,管差动放大器,MOS,管差动放大器是由两个对称的有源负载,MOS,放大器经电流源耦合构成。如图：,差动放大器,耦合电流源，提供偏置电流,镜像电流源做有源负载双出 单出,差模电压增益即单边,CMOS,放大器增益。电路采用电流源作负载，电压增益为：,4,、,MOS,管输出级电路,a,、,源极输出器,(,具有恒流负载,),电压增益：,输出电阻比双极型电路大很多。,b,、,低阻输出级电路,两路输出信号在负载上同相叠加。,输出电阻为,1/(,g,m6,+,g,m7,),。,镜像电流源信号反相,反馈管，并联电压负反馈,倒相,6.7,集成运算放大器的主要性能指标,一、输入失调电压,U,IO,和输入失调电流,I,IO,二、失调的温漂,在静态时输出端为零电位，运放两输入端之间必须外加的直流补偿电压，称为输入失调电压，用,U,IO,表示；必须外加的直流补偿电流，称为输入失调电流，用,I,IO,表示。,在规定的工作温度范围内，,U,IO,随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂，以,d,U,IO,/,dT,表示。,I,IO,随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂，以,d,I,IO,/,dT,表示。,三、输入偏置电流,I,IB,四、开环差模电压放大倍数,A,ud,五、共模抑制比,K,CMR,六、差模输入电阻,R,id,七、共模输入电阻,R,ic,八、输出电阻,R,o,九、输入电压范围,十、带宽 十一、转换速率,(,压摆率,),S,R,十二、静态功耗,P,c,十三、电源电压抑制比,P,SRR,静态时，输入级两差放管基极电流,I,B1,，,I,B2,的平均值，即,欢 迎 提,任 何 问 题,