集成运算放大器电路.pptx
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1、 关于集成电路的制造工艺见附录A。集成运放电路形式多样,各具特色。但从电路的组成结构看,一般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成,如图41所示。第1页/共115页 图41 集成运算放大器组成框图 第2页/共115页运算放大器外形图第3页/共115页42 电流源电路 电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流,另一方面可作为有源负载,提高单级放大器的增益。下面我们从晶体管实现恒流的原理入手,介绍集成运放中常用的电流源电路。第4页/共115页 一、单管电流源电路 图42(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。由图可见,当IB一定时
2、,只要晶体管不饱和也不击穿,IC就基本恒定。因此,固定偏流的晶体管,从集电极看进去相当于一个恒流源。由交流等效电路知,它的动态内阻为rce,是一个很大的电阻。为了使IC更加稳定,可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈),便得到图42(b)所示的单管电流源电路。图42(c)为该电路等效的电流源表示法,图中Ro为等效电流源的动态内阻。利用图42(b)电路的交流等效电路可以证明,Ro近似为第5页/共115页 图42单管电流源电路 (a)晶体管的恒流特性;(b)恒流源电路;(c)等效电流源表示法 第6页/共115页 式中,RB=R1R2。需要指出,晶体管实现恒流特性是有条件的,即要保证恒流管始终工作
3、在放大状态,否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。(41)第7页/共115页 二、镜像电流源 在单管电流源中,要用三个电阻,所以不便集成。为此,用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3,便得到图43所示的镜像电流源电路。由图可知,参考电流Ir为(42)由于两管的e结连在一起,所以IB相同,IC也相同。由图可知(43)第8页/共115页 图43 镜像电流源 第9页/共115页 如果11,则IC2Ir。可见,只要Ir一定,I2就恒定;改变Ir,IC2也跟着改变。两者的关系好比物与镜中的物像一样,故称为镜像电流源。将上述原理推广,可得多路镜像电流源,如图
4、44所示。图中为三路电流源,V5管是为了提高各路电流的精度而设置的。因为在没有V5管时,IC1=Ir-4IB1,加了V5管后,IC1=Ir-4IB1/(1+5),故此可得 因此可得(43)第10页/共115页 因1(1+5)4容易满足,所以各路电流更接近Ir,并且受的温度影响也小。在集成电路中,多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的,图45(a)电路就是一个例子。它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,详见附录A),其等价电路如图45(b)所示。(44)第11页/共115页 图44 多路镜像电流源 第12页/共1
5、15页 图45多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向PNP管电路;(b)等价电路 第13页/共115页 三、比例电流源 如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系,可采用图46所示的比例电流源电路。由图可知(45)因为 所以(46)第14页/共115页 图46比例电流源 第15页/共115页 即室温下,两管的UBE相差不到60mV,仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此,可近似认为UBE1UBE2。这样,式(45)简化为 当两管的射极电流相差10倍以内时:若1,则IE1Ir,IE2IC2,由此得出(48)(47)第16页/共115页 可见,IC2与Ir成比例关系,其比值由R1
6、和R2确定。参考电流Ir现在应按下式计算:(49)第17页/共115页 四、微电流电流源 在集成电路中,有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电流源,Rr势必过大。这时可令图46电路中的R1=0,便得到图47所示的微电流电流源电路。由式(45)、(46)可知,在R1=0时:当1时,IE1Ir,IE2IC2,由此可得(410)第18页/共115页 图47微电流电流源 第19页/共115页 此式表明,当Ir和所需要的小电流一定时,可计算出所需的电阻R2。例如,已知Ir=1mA,要求IC2=10A时,则R2为 如果UCC=15V,要使Ir=1mA,则Rr15k。由此可见,要得到10A的电流,在UCC=
7、15V时,采用微电流电流源电路,所需的总电阻不超过27k。如果采用镜像电流源,则电阻Rr要大到1.5M。第20页/共115页 五、负反馈型电流源 以上介绍的几种电流源,虽然电路简单,但有两个共同的缺点:一是动态内阻不够大,图48 威尔逊电流源 第21页/共115页又(411)若三管特性相同,则1=2=3=,求解以上各式可得(412)第22页/共115页 可见,威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻,而且输出电流受的影响也大大减小。图49给出了另一种反馈型电流源电路。它由两个镜像电流源串接在一起组成,故称串接电流源。关于它的稳流原理留给读者自行分析。利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为(
8、413)第23页/共115页 图49 串接电流源 第24页/共115页 六、有源负载放大器 集成运放要有极高的电压增益,这是通过多级放大器级联实现的。在电压增益一定时,为了减少级数,就必须提高单级放大器的电压增益。因此,在集成运放中,放大器多以电流源作有源负载。典型的有源负载共射放大电路如图410(a)所示。图中,V2,V3管构成镜像电流源作V1管的集电极负载。由于该电流源的动态内阻为rce3,所以此时V1管的电压增益只需将共射增益表达式中的RC用rce3取代即可。当实际负载RL通过射随器隔离后接入,则该级放大器可获得极高的电压增益。第25页/共115页 图410有源负载放大器(a)共射电路;
9、(b)具有倒相功能的共射电路第26页/共115页 图410(b)为另一种接法的有源负载共射电路。V3,V2管组成镜像电流源作V1管的有源负载,而输出取自恒流管V2的集电极。第27页/共115页43 差动放大电路 431零点漂移现象 单级共射放大器如图411所示。由前面讨论可知,在静态时,由于温度变化、电源波动等因素的影响,会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下漂动。第28页/共115页 图411 放大器的零点漂移 第29页/共115页 432差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图412所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成,通过两管射极连接并经公共电阻RE将
10、它们耦合在一起,所以也称为射极耦合差动放大器。第30页/共115页 图412 基本差动放大器 第31页/共115页 首先来分析图412电路的静态工作点。为了使差动放大器输入端的直流电位为零,通常都采用正、负两路电源供电。由于V1,V2管参数相同,电路结构对称,所以两管工作点必然相同。由图可知,当Ui1=Ui2=0时:则流过RE的电流I为(414)第32页/共115页 可见,静态时,差动放大器两输出端之间的直流电压为零。下面分析差动放大器的动态特性。分析过程中特别提醒读者注意射极公共电阻RE的作用。故有(415)(416)(417)第33页/共115页 一、差模放大特性 如果在图412差动电路的
11、两个输入端加上一对大小相等、相位相反的差模信号,即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而Uid1=-Uid2。由图可知,这时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。因此流过RE的信号电流始终为零,公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言,公共射极端可视为差模地端,即RE相当对地短路。第34页/共115页 通过上述分析,可得出图412电路的差模等效通路如图413所示。图中还画出了输入为差模正弦信号时,输出端波形的相位关系。利用图413等效通路,我们来计算差动放大器的各项差模性能指标。第35页/共115页图413基本差动放大器的差模等效通路第36页/共115页
12、1.差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时,输出电压为输入差模电压为 所以(418)式中,RL=RC RL。可见,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。第37页/共115页 可见,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,且两输出端信号的相位相反。需要指出,若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间,则计算Aud时,总负载应改为RL=RCRL。单端输出时,则(419)(420)或 第38页/共115页 2.差模输入电阻 差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比。由图413可得 3.差模输出电阻 双端输出时为(421)单
13、端输出时为(422a)(422b)第39页/共115页 二、共模抑制特性 如果在图412差动放大器的两个输入端加上一对大小相等、相位相同的共模信号,即Ui1=Ui2=Uic,由图可知,此时两管的射极将产生相同的变化电流iE,使得流过RE的变化电流为2iE,从而引起两管射极电位有2 RE iE的变化。因此,从电压等效的观点看,相当每管的射极各接有2 RE的电阻。第40页/共115页 通过上述分析,图412电路的共模等效通路如图414所示。利用该电路,现在来分析它的共模指标。1.共模电压放大倍数 双端输出时的共模电压放大倍数定义为 当电路完全对称时,Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍
14、数为零,即Auc=0。第41页/共115页图414 基本差动放大器的共模等效通路 第42页/共115页 单端输出时的共模电压放大倍数定义为(423)由图414可得 通常满足(1+)2RErbe,所以上式可简化为(424)第43页/共115页 可见,由于射极电阻2RE的自动调节(负反馈)作用,使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。在实际电路中,均满足RERC,故|Auc(单)|0.5,即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻RE越大,则抑制作用越强。第44页/共115页 2.共模输入电阻 由图414不难看出,共模输入电阻为(425)3.共模输出电阻 单端输出时为 (426)第45
15、页/共115页 三、共模抑制比KCMR 为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,我们引入参数共模抑制比KCMR。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,即(427)KCMR也常用dB数表示,并定义为(428)第46页/共115页 KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。在双端输出理想对称的情况下,因Auc=0,所以KCMR趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称,因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况下,KCMR必然减小,由式(418)、(419)和(423)可求得(429)第47页/共115页 四、对任意输入信号的放大特性 如果在图412差动放大器的两
16、个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2,即Ui1和Ui2既不是差模信号,也不是共模信号,这时可以把Ui1和Ui2写成如下形式:(430)(431)第48页/共115页 不难看出,差动电路相当输入了一对共模信号和一对差模信号 根据定义,这时的差模输入电压为(432)(433)(434)第49页/共115页 433具有恒流源的差动放大电路 图412所示的基本差动放大器,存在两个缺点:一是共模抑制比做不高,二是不允许输入端有较大的共模电压变化。对于前者,是因为差放管V1,V2的rbe与RE相关,即RE较大而忽略rbb时,由式(415),rbe可近似为 与RE成正比。对于单端输出,将上式代入式(429
17、)可得(438)第50页/共115页 若UEE=15V,则室温下,KCMR(单)的上限约为300,而与RE的取值无关。对于双端输出,在电路不对称时,也有类似情况。可见,不能单靠增大RE来提高共模抑制比。对于后者,因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化,进而将影响差放管的静态工作电流,使rbe改变。因此,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,这是我们不希望的。第51页/共115页 为此,用恒流源代替图412电路中的RE,可以有效地克服上述缺点。一种具有恒流源的差动放大电路如图415(a)所示。图中,恒流源为单管电流源。这是分电流源、小电流电流源等。第52页/共115页
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