集成运算放大器.docx

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集成运算放大器

第六章集成运算放大器

运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路.由于该电路最初是用于书的运算,所以称为运算放大器.随着半导体技术的发展,我们将整个放大器的管子、电阻元件、和引线制作在面积仅为0.5平方毫米的硅片上，组成集成运算放大器，简称集成运放。

集成运放工作在放大区时，输入与输出呈线性关系，所以又成集成运算放大器为线形继承电路。

6.1零点漂移

运算放大器均采用直接耦合方式，在第二章已经对直接耦合方式的特点及问题做了介绍。

这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。

输入交变信号为零时的输出电压值被成为放大器的零点。

零点不一定为零，但希望它是零。

由于直接耦合使得各级Q点互相影响，如果前级Q点发生变化，则会影响到后面各级的Q点。

由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经过多级放大器放大，使输出端产生很大的变化。

最常见的是由于环境温度的变化引起的工作点漂移（称为温漂），它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。

当输入短路时，输出将随时间缓慢变化，这种输入电压为零，输出电压偏离零点的变化称为零点漂移，简称零漂。

这种输出显然不反映输入信号的输出，这种假象将会造成测量误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时，将会淹没真正的信号。

零漂不能一输出电压的大小来衡量。

因为放大电路的放大倍数越高，输出漂移必然愈大，与此同时，输出信号也愈大，所以零漂一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。

产生零漂的原因，主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响。

为了解决零漂，人们采取了多种措施，但最有效的措施之一是采用差动放大电路。

6.2差动放大电路

6.2.1基本形式

图6-1

基本差动式放大器如图6-1所示。

图中T1,T2是特性相同的晶体管，电路对称,参数也对称。

如：

VBE1=VBE2,Rc1=Rc2=Rc,Rb1=Rb2=Rb,β1=β2=β。

电路有两个输入端和两个输出端。

差动电路对电路的基本要求是：

两个电路的参数完全对成，两个管子的温度特性也完全对称。

6.2.2工作原理

（1）当vi1=vi2=0时，即静态时，由于电路完全对称：

Ic1=Ic2=I0/2,Rc1Ic1=Rc2Ic2，Vo=Vc1-Vc2=0即输入为0时,输出也为0。

（2）加入差模信号时，即vs1=-vs2=vsd/2，从电路看vB1增大使得iB1增大,使ic1增大,使得vc1减小vB2减小使得iB2减小,又使得ic2减小，使得vc2增大.由此可推出：

vo=vc1-vc2=2vc1，每个变化量v不等于0,所以有信号输出。

　　若在输入端加共模信号,即vs1=vs2，由于电路的对称性和恒流源偏置,理想情况下vo=0，无输出。

　　这就是所谓"差动"的意思；即两个输入端之间有差别，输出端才有变动。

6.2.3、抑制零点漂移的原理

在差分电路中，无论是温度的变化，还是电流源的波动都会引起两个三极管的iC及vC的变化。

这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号，在理想情况下，vo不变，从而抑制了零漂。

凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。

常见的有：

（1）vi1不等于-vi2，信号中含有共模信号；

（2）干扰信号（通常是同时作用于输入端）；

（3）零漂。

　　实际情况下，要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的，但输出漂移电压也将大为减小。

综上分析，放大差模信号，抑制共模信号是差放的基本特征。

通常情况下，我们感兴趣的是差模输入信号，对于这部分有用信号，希望得到尽可能大的放大倍数；而共模输入信号可能反映由于温度变化产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰信号。

对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制，不予放大传送。

6.2.4主要技术指标的计算

（1）静态工作点的估算

　　IC1=IC2=Ic=IO/2

　　VC1=VC2=Vcc-IcRc

　　IB1=IB2=Ic/β=IB=I/2β

（2）差摸电压增益和输入、输出电阻

　　差放电路有两个输入端和两个输出端。

同样，输出也分双端输出和单端输出方式。

组合起来,有四种连接方式：

双端输入双端输出、双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出。

（a）双入双出电路

　　差模输入：

vi1=-vi2=vid/2，则iC1上升时,iC2下降。

　　若电路完全对称时，则△iC1=△iC2，因为IO不变，因此ve=0，电路可以用图6.9表示。

　　由上面的计算可见,负载在电路完全对称,双入双出的情况下,AVD=AV1,可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。

　　差模输入电阻Ri：

从两个输入端看进去的等效电阻Ri=2rbe

　　差模输出电阻R0：

从两个输出端看进去的等效电阻R0=2RC

R0,Ri是单管的两倍。

（b）双入单出电路

　　对于差模信号:

由于另一三极管的C极没有利用，因此V0只有双出的一半。

　　差模输入电阻:

由于输入回路没变,所以Ri=2rbe,

　　差模输出电阻:

R0=Rc1。

（c）单端输入电路

　　对于单端输入，相当与图6.10的b2接地。

当vi>0时，ic1增大，使ie1也增大，ve增大。

由于T2的b极通过接地，则vBE2=0-ve=-ve，所以有vBE2减小,ic2也减小。

整个过程，在单端输入vi的作用下，两个BJT的电流为ic1增大,ic2减少。

所以单端输入时，差分放大的T1、T2仍然工作在差分状态。

单端输入与双端输入是一致的。

小结：

①只要是双端出，不管是单入还是双入，其AVD、Ri、Ro都是一样的。

②只要是单端出，不管是单入还是双入，其AVD、Ri、Ro也是一样的。

（3）共模电压增益

①双端输出的AVC。

　　因为vi1=vi2，此时变化量相等，即vC1=vC2，因此

　　实际上，电路完全对称是不容易的，但即使这样，AVC也很小，放大电路的抑制共模能力还是很强的。

②单端输出的AVC

　　对于共模信号,因为两边电流同时增大或同时减小.因此在e极处得到的是两倍的ie。

ve=2ieRe,这相当于每个BJT的发射极分别接2Re电阻,如图6.11所示。

（这里的Re就是恒流源交流等效电阻）因此有

（4）共模抑制比KCMR

KCMR是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。

定义为：

AVD越大,AVC越小.则共模抑制能力越强,放大器的性能越优良,所以KCMR越大越好。

理想情况下：

双端输出的KCMR=∞

单端输出的共模抑制比为：

双端输出电路的总输出电压：

单端输出电路的总输出电压：

例1：

集成运放BG305的输入级如图6.12所示，各BJT的β1=β2=30，β3=β4=β5=β6=50，各BJT的VBE=0.7V，Rb=100K，Rc=50K，Rw=10K（滑动端调至中点），Re=1K，RL即第二级的Ri为23.2K。

求：

（1）该放大级的静态工点；

（2）差动放大倍数AVD；

　　（3）差动输入电阻Ri，差动输电阻Ro。

解

（1）求放大级的静态工点

解

（2）差动放大倍数AVD

解（3）差动输入、出电阻Ri、Ro

6.3电流源电路

6.3.1镜像电流源电路

　　电路如图6.1所示。

T1,T2参数完全相同,即β1=β2,ICEO1=ICEO2，从电路中可知VBE1=VBE2，IE1=IE2，IC1=IC2

　　当β>>2时,　

　　式中IR=IREF称为基准电流，由上式可以看出，当R确定后，IR就确定，IC2也随之而定，我们把IC2看作是IR的镜像，所以称图6.1为镜像恒流源。

改进电路一：

　　图6.2是带有缓冲级的基本镜象电流源,它是针对基本镜象电流源缺点进行的改进，两者不同之处在于增加了三极管T3，其目的是减少三极管T1、T2的IB对IR的分流作用，提高镜象精度，减少β值不够大带来的影响。

改进电路二：

　　图6.3是带有发射极电阻的镜象电流源，其中Re1=Re2，两管的输入仍有对称性，所以

若此电路Re1不等于Re2，则IC2与（Re1、Re2）的比值成比例，因此，此电流源又称为比例电流源。

6.3.2微电流源

电路如图6.4所示，当IR一定时，IC2可确定为：

可见，利用两管基-射电压差VBE可以控制I0。

由于VBE的数值小，用阻值不大的Re2即可得微小的工作电流--微电流源。

例：

电路如图6.5所示，

已知：

BJT的参数相同，求各电流源与参考电流的关系。

6.3.3、电流源的主要应用-有源负载

　　前面曾提到，增大Rc可以提高共射放大电路的电压增益。

但是，Rc不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小。

那么，能否找到一种元件代替RC，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小。

因而不致于减小输出幅度呢？

自然地，我们可以考虑晶体管恒流源。

由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中广泛地把它作负载使用--有源负载，如图6.6所示。

6.4集成运算放大器介绍

集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。

为了一直零点漂移，所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。

为了提高放大倍数，中间级一般采用有源负载的共射极放大电路。

输出级为功率大的电路，为提高此电路的带负载能力，多采用互补对称输出级电路。

6.4.1、集成运放的基本组成框图和符号（如图6.14所示）

6.4.2、一个简单的集成运放（如图6.15所示）

（1）直流分析：

（2）放大电路总增益的计算

6.5集成运放的性能指标

1、输入失调电压VIO

2、输入偏置电流IIB

3、输入失调电流IIO

4、温度漂移

5、最大差摸输入电压Vidmax

6、最大共摸输入电压ViCmax

7、最大输出电流IOmax

8、开环电压增益AVO　　　　　　　　　　　　　　　

运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增益。

9、开环带宽BW（fH）

10、单位增益带宽BW（fT）

11、转换速率SR