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1、2.3.1 集成运算放大器概述,第三章 集成运算放大器,集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。主要应用在模拟信号的运算、放大、检测、信号变换、信号处理、信号产生等等场合。,一、集成运算放大器的典型结构及特点,集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益、直接耦合式多级放大器。,一、集成运放的典型结构,运放的典型电路通常有三级放大电路组成,运放输入级,该级要求有低温漂，高共模抑制比和高输入电阻等特性。,差分放大（差动放大器）电路,中间放大级：,运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压放大倍数（增益）。,通常采用CE(CS)放大电路,输出级,输出级要
2、求能驱动较大的负载电流，同时应有一定的输出电压，因此，对该级要求具有低输出电阻。,采用互补对称式射极跟随器结构,二、集成运放的主要特点,1具有“二高一低”特性。即高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器,2为保证有合适的静态工作点，功耗低，电路采用微电流源作为偏置，集电极电阻采用有源负载，以提高电压增益。,3在理想条件下，集成运算放大器可以等效成一个电压控制电压源（VCVS）。,集成运放的电路符号,国标符号,简化符号,习惯符号,反相输入端,同相输入端,输入信号与输出信号相位反相,输入信号与输出信号相位同相,在低频小信号，工作在线性区的条件下,运算放大器可用下面电路等效,低频小信号电路
3、模型,2.3.2集成运放中的恒流偏置电路 提供静态工作点,基本电流源电路镜像电流源,T1和T2参数和特性完全相同，T1管的VCE=VBE=0.7V，保证不进入饱和区。所以有：,使IC1和IL呈镜像关系镜像电流源,RREF中的参考电流为,当,该电路具有一定的温度补偿作用：,RREF压降增加,可以是一个放大电路,跟随型镜像电流源电路,电路由三只晶体管组成，在负载电阻 上将流过恒定的电流 。电路要求T1、T2、T3晶体管参数相同，特性也相同。,改进型电流源电路,晶体管T1、T2组成镜像电流源结构，参考电阻RREF决定参考电流IREF，T管为减小IL电流与参考电流的误差而设置，射极电阻Re3为提高T1
4、、T2管集电极电流镜像精度，约为几十千欧。,电路中：令 相同,当50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于0.08%,温度补偿作用：,电阻Re3作用：,增大T3管工作电流，从而提高T3管的。,因为：,多路电流源电路,当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射极电阻，可得到不同的输出电流。,T10、T11微电流源,T5、T6、T7三管电流源,T8、T9镜像电流源,2.3.3 差分放大电路运放输入级,差分放大器为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出。是集成运算放大器中十分重要的一级放大器。,DC放大器温漂的说明,一、电路结构和工作原理,电路结构,特性和参数完全对称的T1和T2管发射极连
5、在一起后，通过电阻接负电源，两个基极分别加入两个输入信号，集电极通过RC电阻接另一正电源。输出从两个集电极之间引出。,从结构可以看出，该电路的输入有两种方式：,(a)两输入端同时对地输入信号双端输入,(b)一端接地，另一端输入信号单端输入,两种输出方式：,(c) 输出信号取自两个集电极双端输出,这一结构的指导思想能有效地解决温度漂移（另点漂移问题）,(d)输出信号取自一个集电极对地信号单端输出,1.静态分析,vI1 和vI2都为零，即输入端接地,V,如果双端输出时，输出为零,2.动态分析（工作原理）,当两输入端的信号分别为,则两端信号可以分解为:,两信号之差,两信号平均值,1端对地仍是,2端对
6、地仍是,所以：,称差模信号,两个大小相等，而极性相反的信号,称共模信号,两个大小相等，而极性相同的信号,由于有两种信号存在,所以可以分开差模信号单独存在时和共模信号单独存在时进行分析,而差分放大器的总输出应该是差模输出成分和共模输出成分之和。,差模增益,差模增益,差模输入,共模输入,Avd大,Avc小,【例2.3.1】,差分放大电路端和端分别加入图示的信号电压，其电路的差模电压增益Avd-80，共模电压增益为Avc-0.01，试求vO？,解：,电路的差模信号为：两端输入信号之差,电路的共模信号为：两端输入信号之平均值,差分放大器的输出电压有：,二、差分放大电路动态指标的计算,差模电压放大倍数A
7、vd,差模输入电阻,差模输出电阻,共模抑制比KCMR,共模电压放大倍数Avc,1. 差模工作状态分析,差分放大器只存在差模输入信号时。,差模交流通路,注意：在差模信号作用下，,相当于差模交流地。,差模增益电压增益：,双端输出,单端输出,单端输出,如果双端输出和单端输出分别接负载电阻RL时，电压增益表达式如何变了？,双端输出,单端输出,差模输入电阻,差模输出电阻,2. 共模工作状态分析,差分放大器只存在共模输入信号时。,共模交流通路,注意：在共模信号作用下，,共模电压增益,双端输出,单端输出,单端输出,对T1和T2管影响相同的外界干扰信号,如电源电压波动,环境温度变化等都可以认为是共模信号。,共
8、模抑制比KCMR,定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。,Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰信号和温漂的能力，Avc 越小，则抑制温漂能力越强。,常用分贝表示：,理想的差分放大电路双端输出时，因共模电压增益为零，所以：,KCMR,单端输出时，只有增大Re电阻才能减小共模增益，从而增大共模抑制比。,这种差分放大器通常采用电流源供电，以提供静态工作电流的同时,解决射极大电阻的问题。,电流源供电差分电路,等效电路,【例2.3.2】,差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：先画出差模交流通路：,
9、3. 输入、输出方式,双入/双出,双入/单出,单入/单出,单入/双出,【例2.3.3】,电路如图所示，已知=50，rbb=300，Rw在中间位置，求:,(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，求vO1。,(3) KCMR；,(2) Avd、Ri和Ro；,(1) ICQ；,解：,(1)求ICQ；,(2) 求Avd、Ri和Ro；,(3)求共模抑制比KCMR；,(4),若vI1=16mV，vI2=10mV，则,【例2.3.4】,已知1=2=3=50，Rbb=200 ,rce=200k,VBE=0.7V,试求：,解：,（1）求静态工作点，计算rbe。,（2）求差模电压增益。,（3）求电流源电路输出
10、电阻RO3,列出两个回路方程联解后得,（4）求共模电压增益,（5）求共模抑制比,（6）求差模输入电阻和输出电阻,习 题,P218 2.3.1 2.3.3,4.场效应管差分放大电路,FET差分放大电路差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流的不对称性。,式中,Rod=2Rd,5.FET和BJT混合型输入级,漏极电流源电路,源极电流源电路,T1、T2差分管,电路是双端输入单端输出结构，由于漏极是三管电流源，使得单端输出具有双端输出的效果。,当差模信号输入时,当共模信号输入时,说明单端输出同样具有双端输出时的共模抑制效果。,2.3.4 集成运放的中间级和输出级,一、运放的中间级运放电压增益的主要承担者,
11、主要任务是提高电压增益，常用共射或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：,Rc代之以恒流源,增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换,采用纵向三极管或达林顿复合管，提高值,T1、R1构成恒流源电路，其内阻为,射极跟随器措施+恒流源负载,而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3起提高电路工作稳定性的作用。,其中Ri3是T3级输入电阻,Ro1是T1电流源内阻。,复合管+恒流源负载措施,T1和T4、R4为镜象电流源，T2、T3复合管,RO1是镜象电流源内阻,一、运放输出级互补对称输出电路,对集成运放输出级电路的要求,1运放输出级的基本电路,由两只参数和特性完全对称的
12、NPN和PNP管组成互补对称电路。,输出级的输入电阻又必须大,最大不失真输出电压尽可能大,输出电阻小,静态(vi=0)时，T、T管均截止，vO0；,在输入正弦信号时：,当输入信号正半周(vi0)时，T管导通，T管截止，流过负载电阻RL的电流路径为：,VCCT1RLGND,当输入信号负半周(vi0)时，T1管截止，T2管导通，电流路径将为GNDRLT2-VCC,在一个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号周期。,互补对称放大电路的最大输出电压,由于互补对称电路在一周内两只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管工作时的负载线如图。,最大输出
13、电压为VCCVCES。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。,输入电阻较高,乙类放大电路的交越失真问题,在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。,2甲乙类互补对称输出电路,静态时T1、T2处于微导通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1vb2vi。,利用二极管提供静态偏置，使输入信号为零时，两只管子不完全截止。,利用恒压电路提供静态偏置,选择合适的R1、R2阻值，使VCE31.4V。,741型运放电路图,2.3.5 集成运放的主要性能指标,一、运放的电压传输特性和三项基本参数,例如设Aod=105， 、 为10V
14、，,则vId10/105 10-4V 0.1mV,电压增益、输入电阻、输出电阻,集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小。,在理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标原点。运放的输入/输出电压既可以用增量(或交流量)表示，也可以用瞬时量表示。,实际运放的电压传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在运放输入级电路中设置了调零端。,输出调零电位器,（1）开环差模电压放大倍数Aod,Aod一般为104106(即80120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如100V/mV即为105。,运放等效电路,如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid可达104M以上
15、。,（2）差模输入电阻Rid,（3）输出电阻Ro,集成运放的输出电阻RO，通常为100至1k之间。,二、集成运放的失调参数,集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。,（1）输入失调电压VIO,为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。,（2）输入失调电压温度漂移dVIO/dT,输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。该漂移越小越好。,（3）输入失调电流 IIO,反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。,输入偏置电流,输入失调电流,（4）输入失调电流温度漂移dIIO/dT,反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。,分
16、析输出失调电压和失调电流的电路模型,(1)实际应用中应选择R1R2。R、R2称为输入平衡电阻。,此时,由输入偏置电流引起的输出失调电压为零了。,(2)R和R2越小，则IIO对VOO的影响也越少。因此，在实际使用时，要求运放两个输入端的外接平衡电阻相等且较小。,(3) 由于运放开环增益很大，即使运放输入端短路，运放的输出电压也已进入接近VCC的电压了(假定Aod=104，VIO为1.5mV，则VOO已达15V)。因此，集成运放在用作线性放大时必须接成闭环方式。,?,三、集成运放的共模参数,（1）共模抑制比KCMR,集成运放的共模抑制比一般在60dB以上，性能较好的运放在100dB以上。,（2）最
17、大共模输入电压VIcmax,当共模输入电压超出VIcmax时，将影响运放内部电路中相关晶体管的工作状态。运放将失去正常的差模放大能力。,（3）共模输入电阻Ric,四、集成运放的时域和频域参数,（1）-3dB带宽fH,BWf Hf L f H,通用型运放的带宽fH仅为几赫兹至几十赫兹。,（2）单位增益带宽f c,指运放差模开环电压增益Aod下降至0dB 时的频率。,（3）转换速率SR（也称压摆率）,是衡量运放在大幅度信号作用下工作速度的一个参数。,（4）全功率带宽f p,表示当运放输出较大幅度的电压时，为保证输出波形不产生因SR为有限值而引起的波形失真，运放所能工作的最高频率。,3.2.4 集成
18、运放应用时应考虑的几个问题,运放类型：,通用型：其性能指标适合于一般性使用， 产品量大适用面广。,高阻型：输入电阻在1012左右。,高速型：转换速率在10V/S左右。,高精度型：失调电压温漂在1V以下。,低功耗型：静态功耗在1mW左右，可用 于便携设备。,跨导型：输入量为电压，输出为电流;,宽带型：单位增益带宽在10MHz左右;,功率型：允许的电源电压较高，输出电 流较大;,其它：如程控型、电压跟随型等;,差分电流型：输入为差分电流，输出为电压。,高压型：允许供电电压在30V以上;,选择集成运放时注意的问题：,不要盲目追求指标先进。,应尽量选择通用型运放,应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施,要注意单元之间的输出电平配合问题,要注意性能指标的测量条件,在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大,习 题,P219 2.3.6 2.3.8,P220 2.3.9 2.3.11,