集成运算放大器放大电路.ppt

内容概述 集成运算放大器是一个集成形式的直接耦合多级放大电路 它一般由输入级 中间级 输出级和偏置电路组成 差动放大电路是输入级的主要结构形式 利用其电路结构的对称性来增加对温漂的抑制能力 电流偏置是集成运放的一大特点 用于偏置电路的电流源以镜像电流源为基本单元电路 其改进电路有微电流源和多路电流源等形式 F007是集成运放的典型代表 了解其电路组成有利于对集成运放举一反三 基本单元电路是同相比例器和反相比例器 第3章集成运算放大器电路 教学内容 3 1概述3 2电流源电路3 3差动放大电路3 4集成运算放大器3 5集成运放的简单应用电路 电路组成 集成运算放大器是具有高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的多级直接耦合放大电路的集成化 集成运放内部电路一般可分为四个组成部分 即输入级 中间级 输出级及偏置电路 3 1概述 电路组成 输入级 常采用差动放大电路 要求输入电阻高 静态电流小 具有一定的电压放大能力以及抑制零点飘移的能力 中间级 一般采用有源负载的共射 共源 放大电路 要求能提供较大的电压放大倍数 输出级 采用射极跟随器或互补对称电路 要求输出电阻小 带负载能力强 偏置电路 常采用电流源电路 用于合理设置集成运放各级放大电路的静态工作点 集成运算放大器的电路结构特点 一 用有源元件 晶体管或场效应管 取代电阻 二 用晶体管代替二极管 为了简化集成电路的制作工艺 三 电路结构与元件参数良好的对称性 因此受环境温度和干扰等影响后的变化也相同 所以集成运放中大量采用各种差分放大电路 输入级 和恒流源电路 作偏置电路或有源负载 四 采用直接耦合方式 因为硅片上不能制作大电容 所以集成运放均 五 集成运放中常采用复合形式 因为集成晶体管和场效应管制作工艺不同 性能上有较大差异 所以在集成运放中常采用复合形式 以得到各方面性能俱佳的效果 单管电流源电路 1 电路结构形式由一个晶体管和相应的电阻组成的电流源电路 2 工作原理如图所示 合理选择电路参数 使得电路满足 IR1 IB 电阻R2上的电压为 3 2电流源电路 单管电流源电路 晶体管发射极电流为由于IC IE 从晶体管集电极来看 该电路可以等效为一个电流源 单管电流源电路的动态电阻 求该电路动态电阻 作出其微变等效电路 单管电流源电路的动态电阻 求该电路动态电阻 作出其微变等效电路 电流源的动态电阻是相当大的 只要晶体管工作在放大状态 该电路就是一个较为理想的恒流源电路 镜像电流源电路 1 电路结构形式可分为基本镜像电流源电路和改进型镜像电流源电路 镜像电流源电路 2 工作原理分析T1与T2特性完全相同 且发射结电压相等 因此基极电流和集电极电流完全相等 即有IB1 IB2 IBIC1 IC2由于T1的UBE UCE 故处于临界放大状态 IC1 IB1成立 由电路可得只要 2 则有 镜像电流源电路 3 电路特点优点 是电路结构简单 且具有一定的温度补偿作用 缺点 不能实现输出电流与基准电流之间的比例调节 对于确定的电源电压 当要求输出电流较小时 必须增大电阻R的数值 这在某些情况下实现起来并不方便 比例电流源电路 1 电路结构形式为了实现输出电流与基准电流之间的比例调节 在两个晶体管的发射极加上电阻 2 工作原理分析由右图可得UBE1 IE1RE1 UBE2 IE2RE2因为T1与T2特性完全相同 在室温下 若IE1与IE2相差在10倍以内时 则有 比例电流源电路 工作原理分析如果采用硅管 可近似认为UBE1 UBE2IE1RE1 IE2RE2当 1时 有IE1 IC1 IR IE2 IC2则 微电流源电路 1 电路结构形式在集成运放电路中 往往要求提供微小电流的电流源 当电源电压一定时 为了实现利用阻值较小的电阻而获得极小的输出电流IC2 可将比例电流源中的RE1短路 微电流源电路 2 工作原理分析右图可见 T2管的发射极电流为T1 T2特性完全相同 则有当 1时 有IE1 IR IE2 IC2则基准电流为 3 电路特点利用较小的电阻值 可获得微安级的电流源 改进型电流源电路 一 加射极输出器的电流源1 电路结构特点在镜像电流源T1管的集电极与基极之间加一只从射极输出的晶体管T3 利用T3的电流放大作用 减小了基极电流IB1和IB2对基准电流IR的分流作用 改进型电流源电路 2 工作原理分析由于三个晶体管特性完全相同 则有 1 2 3 而由于UBE1 UBE2 IB1 IB2 IB 因此有 整理后可得 改进型电流源电路 即使 很小 也可以使输出电流与基准电流保持很好的镜像关系 在实际电路中 有时在T1和T2管的基极与地之间加电阻RE3 用来增大T3管的工作电流 此时T3管发射极电流为 改进型电流源电路 二 威尔逊电流源电路由于三个晶体管特性完全相同 则有 1 2 3 由图可得IC1 IC2IE3 IC3 IB3求解可得 多路电流源电路 基于镜像电流源的多路电流源电路之一 根据电路可得则有 多路电流源电路 基于微电流源的多路电流源电路 IRRE1 IC2RE2 IC3RE3因此 当基准电流确定以后 只要选择合适的各发射极电阻 即可得到所需要的输出电流 多路电流源电路 多集电极管的多路电流源电路T通常为横向PNP型管 当IB一定时 各集电极电流之比等于它们的集电区面积之比 设各集电区的面积分别为S1 S2 S3 则有 使用中通过R值调节IB值 分析电路可得 电流源电路 与晶体管电流源类似 场效应管也可组成各种电流源电路 用于场效应管集成放大电路中的偏置电路 电流源电路是集成运放的重要组成部分之一 其主要用途是提供必要的偏置电流 分析电流源电路的依据是PN结的电流方程和基尔霍夫电流定律 分析思路是参照电路的连接关系 先确定基准电流的表达式 进而求出输出电流与基准电流的关系 差动放大器 零点飘移 当外界环境因素 特别是温度 改变引起前级的静态工作点变化时 这种变化将被逐级放大 从而造成输出端电压的变化 温度变化是引起零点飘移的主要因素 采用具有对称性的差动放大电路时抑制零点飘移的有效方法之一 8 3差动放大电路 基本差动放大电路 1 电路组成特点是电路结构的对称性 左右两边各为一个直接耦合的共射基本放大电路 基本差动放大电路 2 抑制零点飘移的工作原理当输入信号为零时 电路可以重画如右图所示 若环境温度变化 由于电路的对称性 温度变化使得IB1 IC1 IB2 IC2 产生相同的增量 此时 两管集电极电压增量也相同 由Uo UC1 UC2可见 无论环境温度如何变化 输出电压保持零值不变 基本差动放大电路 抑制零点飘移的工作原理在正常输入信号下 ui对于T1 T2的基极电流影响相反 例如 若ui增大 则引起IB1 IC1增大 uC1减小 引起IB2 IC2减小 uC2增加 uC1 uC2 uo uC1 uC2 基本差动放大电路 3 主要性能指标 两管集电极电位呈等量同向变化 所以输出电压为零 即对共模信号没有放大能力 1 共模信号 ui1 ui2大小相等 极性相同 差动电路抑制共模信号能力的大小 反映了它对零点漂移的抑制水平 两管集电极电位一减一增 呈等量异向变化 2 差模信号 ui1 ui2大小相等 极性相反 uo VC1 VC1 VC2 VC 2 VC1 即对差模信号有放大能力 基本差动放大电路 主要性能指标 3 比较输入 ui1 ui2大小和极性是任意的 例1 ui1 10mV ui2 6mV ui2 8mV 2mV 例2 ui1 20mV ui2 16mV 可分解成 ui1 18mV 2mV ui2 18mV 2mV 可分解成 ui1 8mV 2mV 共模信号 差模信号 放大器只放大两个输入信号的差值信号 差动放大电路 这种输入常作为比较放大来应用 在自动控制系统中是常见的 基本差动放大电路 4 差模放大倍数 5 共模放大倍数 6 共模抑制比 主要性能指标 长尾式差动放大电路 1 静态分析当ui1 ui2 0时 由图可得考虑到电路的对称性 有可以解出 静态分析 晶体管输入回路方程 忽略前两项 则 单管直流通路 发射极电位VE 0 长尾式差动放大电路 2 动态分析1 差模电压放大倍数考虑到电路的对称性 rbe1 rbe2 令 则有 长尾式差动放大电路 动态分析1 差模电压放大倍数 长尾式差动放大电路 2 共模电压放大倍数差动放大电路 在输入共模电压时 ui1 ui2 uic 可作出共模等效电路 由下图可得由于所以 在理想对称条件下uoc 0即 长尾式差动放大电路 3 共模抑制比在理想对称条件下 由于Auc 0 所以为无穷大 4 差模输入电阻由下图可得 长尾式差动放大电路 5 输出电阻按照输出电阻的定义 做出其等效电路 则有Ro 2RC 差动放大电路的进一步改进形式 1 具有恒流源的差动放大电路采用恒流源代替长尾式差动放大电路中的电阻RE 若UR2 UBE3 则可以认为IC3为一恒定电流 差动放大电路的进一步改进形式 2 具有调零功能的差动放大电路发射极调零电路 集电极调零电路 注意 差动放大电路的调零不可能跟踪温度的变化 因而不能消除温漂 只能克服失调 差动放大电路的传输特性 电压传输特性 线性区 斜率为电路的差模电压放大倍数Aud 当输入电压幅值较大时 输出电压就会产生失真 若再加大uid 则uod将趋于不变 其数值的大小取决于电源电压UCC 差动放大电路的传输特性 实验及分析均表明 在静态工作点附近 当 uid 4UT时 传输特性出现明显的弯曲 而后趋于水平 这说明差动放大电路在大信号输入时 具有良好的限幅特性 差分放大电路的四种接法 在实际应用时 信号源需要有 接地 点 以避免干扰 或负载需要有 接地 点 以安全工作 根据信号源和负载的接地情况 差分放大电路有四种接法 差动放大电路举例 1 双端输入 双端输出电路 2 双端输入 单端输出电路 3 单端输入 双端输出电路 4 单端输入 单端输出电路 差分放大电路的四种接法1 双端输入双端输出 2 双端输入单端输出 Q点分析 由于输入回路没有变化 所以IEQ IBQ ICQ与双端输出时一样 但是UCEQ1 UCEQ2 双端输入单端输出 动态分析 3 单端输入双端输出 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入 单端输入双端输出 1 静态工作点2 动态参数与双端输入双端输出电路完全相同 4 单端输入单端输出 1 静态工作点2 动态参数与双端输入单端输出电路完全相同 4 四种接法的比较 电路参数理想对称条件下 输入方式 Ri均为2 Rb rbe 双端输入时无共模信号输入 单端输入时有共模信号输入 输出方式 Q点 Ad Ac KCMR Ro均与之有关 差分放大电路四种接法的性能比较 Ad Rid Ro 例 一双端输入单端输出放大电路如图所示 T1与T2特性完全相同 试求 1 电路的静态工作电流ICQ1 ICQ2及电压UCEQ1 UCEQ2 2 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻 共模电压放大倍数 共模抑制比 解 1 作直流通道 分析静态工作点 2 动态参数分析由于输入回路对称 在差模信号作用下 发射极交流接地 共模信号作用时 恒流源的等效电阻为R E则共模输出电压为共模放大倍数共模抑制比 通用型集成运放F007 3 4集成运算放大器 偏置电路 流过R5中的电流为基准电流 则有T10与T11构成微电源 偏置电路 T12与T13构成基本镜像电路T8与T9构成基本镜像电路 因为所以 中间级 中间级是以T16与T17成的复合管为放大管 所形成的的共射放大电路 具有很强的放大能力 输出级 输出级是准互补电路 T18和T19复合而成的PNP型管与NPN型管T14构成互补形式 为了弥补它们的非对称性 在发射极加了两个阻值不同的电阻R8和R9 R6和R7和T15构成UBE倍增电路 为输出级设置合适的静态工作点 以消除交越失真 输出级 D1和D2 R8和R9共同构成过流保护电路 T14导通时R7上的电压与二极管D1上的电压之和等于T14管b e间电压与R9上电压之和 即uR7 uD1 uBE14 ioR9当io未超过额定值时 uD1 Uon D1截至 而当io过大时 R9上电压过大使D1导通 为T14的基极分流 从而限制了T14的发射极电流 保护了T14管 同理 D2对T18 T19管也具有保护功能 主要技术指标 1 输人失调电压UIO及输入失调电流IIO输入失调主要反映运放输入极差动电路的对称性 2 失调的温漂在规定的工作温度范围内 UIO IIO随温度的平均变化率称之为失调电压 电流温漂 分别用表示 3 输入偏置电流IIB4 开环差模电压放大倍数5 共模抑制比 主要技术指标 6 差模输入电阻 输出电阻7 带宽运放开环电压放大倍数下降到直流电压放大倍数的0 707倍时所对应的频带宽度 称之为运放的 3dB带宽 用BW表示 8 输入电压范围两个输入端之间能承受的最大电压差 称之为最大差模输入电压 用UIdmax表示 9 转换速率转换速率是指运放在额定输出电压下 输出电压的最大变化率 即定义 低频等效电路 在低频小信号下应用时 若仅分析对输入差模电压的放大作用 可以等效电路来描述集成运放 其它类型的集成运放 理想运放的条件与符号 理想化的条件 开环差模电压放大倍数Aud 差模输入电阻rid 开环输出电阻Ro 0 共模抑制比KCMR 3 5集成运放的简单应用电路 理想运放的条件与符号 虚短当集成运放工作在线性区 输出电压为有限值 则差模输入电压虚断由于差模输入电阻趋于无穷大 因而流进集成运放输入端的电流也就趋于零 即 同相比例器 信号由同相端输入 要求两边的输入回路参数对称以减小误差 所以R R1 Rf 1 据 虚断 有 2 据 虚短 有由此得出 同相比例器 电路的电压放大倍数电压跟随器如果令Rf 0 R1 则构成了电压跟随器 此时电压放大倍数 反相比例器 1 据 虚断 有 2 据 虚短 有 电压放大倍数 两级放大电路 R1 R2 R3和A1组成同相比例器 R4 R5 R6和A2组成同相比例器 则可得 解 uo2 uo2 uo1 例1 图所示为两级比例运算放大电路 求uo与ui的关系 上一题 下一题 返回练习题集 补充例题 解 前级电路为电压跟随器 故uo1 ui1后级电路利用叠加原理分析 在uo1 ui1单独作用时为反相比例运算电路 故 在ui2单独作用时为同相比例运算电路 故 由此求得 5ui2 4ui1 例2 所示电路 已知Rf 4R1 求uo与ui1和ui2的关系式 上一题 下一题 返回练习题集 本章小结 电流源电路电流源电路的基本形式是镜像电流源 当对输出电流的精度要求较高或要求输出微电流时 可采用各种改进型的电流源电路 差动放大电路差动放大电路事实上是利用电路结构的对称性进行温度补偿 来提高电路抑制温漂的能力 长尾式电路及恒流源电路的引入进一步提高了差动放大电路的共模抑制能力 差动放大电路的主要技术指标有 Aud Auc KCMR等 集成运算放大器集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路 从外部看 可以等效成双端输入单端输出的差动放大电路 集成运放通常由输入级 中间级 输出级和偏置电路等四部分组成 输入级多采用差动放大电路 中间级为共发射极放大电路 输出级为互补对称射极跟随器 电流源电路不仅作为偏置电路而且作为有源负载 从而大大提高了运放的增益 同相比例器和反相比例器是集成运放最基本的应用电路之一