模電課件第六章集成運放教學資料

1、 6.1 集成電路運算放大器中的電流源 在集成電路中常用電流源代替電路中的各類電阻。如集電極負載電阻RC用電流 源代替，稱為有源負載；偏置電阻Rb用電流源代替，稱為有源偏置；射極電阻Re 用電流源代替，稱為有源負載射極電流源等。因此電流源在集成電路中應用廣泛。 一、鏡像電流源電路 2 2 2 2 2121 2 2 2 1 1 2121 2 ) 2 1 (22 C CCBECC REF CREF C C CBCREFCC B CCC BBBEBE I R V R VV I II I I IIIIII I III IIVV IC2IREF，兩邊的電流象鏡子一樣對稱，稱為“鏡像電流源”。從上式可知，

2、 值越大，鏡像效果越好，為提高鏡像效果，要求IB盡可能小，使IREF盡可能等于 IC1（IC2）。改進電路如P.229圖6.1.2所示。 改進型鏡像電流源電路圖： 2 2 2 2 21 2 2 2 ) 2 1 ( )1 ( 2 )1 ( 2 1 2 2 1 CC C CBCREF CE B C EEC II I IIII II I I III 二、微電流源 2 21 2 221 C e BE e BEBE E eEBEBE I R V R VV I RIVV 因兩管特性基本一致，VBEVBE1VBE2很小，故 IE2很小，只有A級。其作用是：電源VCC波動或溫度變 化引起電路參數(shù)變化，但VBE

3、相對變化量小， IE2變化 也小，達到穩(wěn)定電路的作用。 P.230圖6.1.4多路微電流源 例1 多路比例電流源電路如圖所示，已知各三極管的 參數(shù)、VBE數(shù)值相同，求各電流源IC1、IC2及IC3與 基準電流源IREF的關(guān)系式。 解：由于圖中各三極管的基極連在一起， 故: 相等且 BEBBBB VVVVV, 321 ECEEEE RIVVVV 321 REF BBBB REF REFC I IIII I III 0 321 1 11 1 11 E E REF E E EC R R I R V II 33 3 33 22 2 22 E e REF E E EC E E REF E E EC R

4、R I R V II R R I R V II 可見，改變RE1、RE2和RE3的大小，即可獲得不同數(shù)值的輸出電流。多路電流 源在集成電路中應用很廣，它能同時給多個放大電路提供偏置電流。 三、電流源用作有源負載 舉例：P.231 6.1.3 定性分析圖中所示電路，說明T1、T2在電路中的作用。 T1：共集電極放大電路（射極 輸出器）； T2：為T1射極恒流源。 固定不變 2 2 2 22 2 2221 22 2 e c e BEb e bb bCC B I I R VV I RR RV V 6.2 差分式放大電路 功能:放大兩個輸入信號之差 . 在電路完全對稱的情況下，有: vo=AVd（vi

5、1-vi2） 式中：AVd差分式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)， 它表示對兩個信號之差的放大能力。 差模信號：兩輸入端對地的輸入信號大小相等，極性相反時， 稱差模輸入，即vid1-vi d 2，差模輸入信號為： vi d=vid1-vi d2=2vi d1=-2 vi d2。 共模信號：加在差放兩輸入端的大小相等，極性相同的信號， 即 vic=vic1=vic2。 一般加在兩輸入端的信號是任意的，但都可以分解為差模信號和 共模信號，即： vi1vi d1+vic1 ，vi2vi d2+vic2, 如下圖所示的零漂：當當ui=0,u00時，相當于拆算到輸入端的等效漂移 電壓。即為共模輸入信號。 設(shè)u

6、i1=10mv ui2=6mv 分解： ui1=8+2 ui2=8-2 共模分量共模分量：Uic1=uic2=8mv 差模分量差模分量：Uid1=2mv uid2=-2mv 所以，任意兩個輸入信號都可分解為差模信號和共模信號，其 中，差模信號是兩個輸入信號之差，即：vi d=vid1-vid2=vi1-vi2， 共模信號是兩個輸入信號的算術(shù)平均值：vic=( vi1+vi2)/2。 當用共模信號和差模信號共同表示輸入信號時，有： idici idici vvv vvv 2 1 2 1 2 1 差放的輸出電壓：vo=AVdvid+AVcvic 式中：AVd為差模電壓放大倍數(shù)，表示對差模信號的放大

7、力； AVc為共模電壓放大倍數(shù)，表示對共模信號的放大能力。 差動放大電路一般有兩個輸入端：差動放大電路一般有兩個輸入端： 雙端輸入雙端輸入從兩輸入端同時加信號。從兩輸入端同時加信號。 單端輸入單端輸入僅從一個輸入端僅從一個輸入端對地對地加信號。加信號。 差動放大電路可以有差動放大電路可以有 兩個輸出端。兩個輸出端。 雙端輸出雙端輸出從從C1 和和C2輸出。輸出。 單端輸出單端輸出從從C1 或或C2 對地輸出對地輸出。 6.2 .1 差動放大電路差動放大電路 一一. .結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): : 對稱性結(jié)構(gòu)對稱性結(jié)構(gòu) 即：即： 1= 2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1

8、=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb 1靜態(tài)分析 靜態(tài)時，vi1=vi2=0， 電路對稱，VBE1VBE2VBE，RC1RC2RC， 所以，vEVBE， 2 0 21 I II CC 1 21 C BB I II VCE1VCE2VC1VEVCCIC1RC+VBE 輸出電壓：VoVC1VC20。 2.抑制零點漂 移的原理: 零漂現(xiàn)象零漂現(xiàn)象： 輸入輸入ui=0時，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。時，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。 產(chǎn)生零漂的原因產(chǎn)生零漂的原因： 由溫度變化引起的。由溫度變化引起的。當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小 變化時，這種變

9、化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大 的電壓漂移。因而零點漂移也叫的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂溫漂。 特點：變法緩慢 ）漂移信號在直接耦合漂移信號在直接耦合 放大電路中能逐級放大放大電路中能逐級放大 u o 0 t 差放對零漂零漂抑制作用 原理：因電路對稱，IC1=IC2 ，VC1=VC2 所以：VC=（VC1）（VC2）= 差模特性 差放輸入為差模信號，即vi1=vi d1, vi 2=vi d2=vi d1 雙端輸入、雙端輸出 ； ）差模信號的交流通路 : 由于vi1=-vi 2 ， IB1=-IB2, IC1=

10、-IC2 VE=（IE1IE2）r0 =0 所以r0對差模信號相當于交流 短路 . RL：因為RL兩端的電壓：vC1=-vC2, 所以RL中點電位為零，相當于接地，各三極 管所帶負載為RL的一半，即RL /2。 ）差模電壓放大倍數(shù)：單邊等效電路如圖 be L C Vd id od idid odod id od Vd r R R A v v vv vv v v A 2 / 2 2 1 1 1 21 21 若負載開路，即RL=則： be C Vd r R A 所以，雙端輸出時，電路的電壓放大倍數(shù)等于單邊等 效電路的電壓放大倍數(shù)。 )差模輸入電阻 為兩個單邊等效電路的輸入電阻之和， 即： RidR

11、id1 + Rid2 = 2Rid12rbe ）差模輸出電阻 雙端輸出時：即：Rod2Rod12RC ）雙端輸入、單端輸出 ： 1 1 1 21 11 2 1 2 Vd id od idid od id od Vd A v v vv v v v A be LC Vd r RR A 2 / 即： 從從T1管取輸出管取輸出.反相輸出反相輸出 單端輸出時，電壓放大倍數(shù)等于單邊等 效電路電壓放大倍數(shù)的一半。 從從T2管取輸出管取輸出.同相輸出同相輸出 be LC Vd id od idid od id od Vd r RR A v v vv v v v A 2 / 2 1 2 2 2 2 21 22

12、輸入電阻Ri：與輸出方式無關(guān)，Ri 2rbe 輸出電阻Ro：RodRod1RC ）單端輸入：vi1=vi d，vi2=0，可分解為差模 信號和共模信號： 121 121 2 1 )( 2 1 iiiic iiiid vvvv vvvv 112 111 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 iiidici iiidici vvvvv vvvvv 單端輸入時與雙端輸入完全相同的特性。 歸納 ： 差放電路的各項性能指標（AVd、Rid、Rod）只與 輸出方式有關(guān)，與輸入方式無關(guān)。 雙端輸出時，AVdAVd1，Rod= 2Rod1； 單端輸出時，AVdAVd1/2，Rod=Rod1。 輸入電

13、阻Rid與輸入、輸出方式都無關(guān)Rid=2Rid1。 、共模特性 1）共模信號 的交流通路： r0 ：i0=iE1+iE2=2iE1， vE=i0 r0 =2iE1 r0 =iE1 （ 2r0 ） RL :電路對稱 vC1=vC2流過RL的共模信號電 流為零 .RL對共模信號相當于開路。 得交流通路 : 作業(yè)：P.269-T6.1.2，T6.2.2 2)共模電壓放大倍數(shù) 雙端輸出 : 0 21 iC OCOC iC OC VC v vv v v A 0 2 / r RR A LC VC 因電路的對稱: voc=voc1-voc20 單端輸出 : 01 1 21 2)1 ( )/( rr RR v

14、 v AAA be LC ic oc VCVCVC 一般:（1+）2 r0 rbe， 1， 3)共模輸入電阻: 2)1 ( 2 1 2 1 01 rrRR beicic 4)共模輸出電阻 : 雙端輸出時：ROC=2Roc1=2RC 單端輸出時：ROC=Roc1=RC 5)共模抑制比KCMR: 也用分貝（dB）數(shù)來表示 : )(lg20dB A A K VC Vd CMR 定義：P.236，KCMR|AVd/AVC|，它是衡量放大器對抑制共 模信號的能力的大小。要求KCMR越大越好。集成運放的 KCMR至少70dB（103 ）。 雙端輸出時雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比

15、：可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比： be E VC Vd CMR r R A A K 1 1 6)、如何提高共模抑制比KCMR 1、簡單差放存在的問題 差分電路兩邊的元器件參數(shù)、性能不可能完全一致； 雙端輸出時，AVC0，才能使KCMR ；如是單端輸出， AVC1RL,/（2RE），而工程上又往往要求輸出信號有一端接地， 即采用是單端輸出，簡單的差放不能使KCMR ； 2、解決的辦法： 只有加大RE。 RE稱為射極等效電阻。 在兩個差分管的射極處加接“長尾電阻” Re 。當然，Re 越大越好。（如P.271T6.2.5、6.2.6） Re太大，不便集成，采用恒流源代替Re。 （如P.2

16、71 T6.2.3、6.2.7） 例1:電路如右圖所示，已知，1=2=50， VCC=VEE=15V，RC=RL=10K，RE=20K, RB=5.1K，求： （1）靜態(tài)工作點。 （2）雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)AVd、差 模輸入電阻Rid及輸出電阻Rod； （3）當RL接在T1的集電極與地之間時的差模 電壓放大倍數(shù)AVd、共模電壓放大倍數(shù)AVc及共 模抑制比KCMR。 （4）vi1=5mV，vi2=1mV時，求T1管輸出時的 輸出電壓vo1 解：解：1. 靜態(tài)分析確定靜態(tài)工作點： 靜態(tài)時vi1=vi2=0，由基極回路可列出：02 1 EEEEBEBB VRIVRI EB BEEE B RR

17、 VV I )1 (2 1 因：VEEVBE，（1+）RERB，所以： A R V II E EE BB 35. 7 20512 15 )1 (2 21 mAIII BCC 368.035.750 121 VVRIV EEEEE 28. 01520368. 022 VVRIVVVVV ECCCCECCECE 6 .1128. 010368. 015 1121 7 .18 8 . 31 . 5 5/10 50 2 / 1 1 1 beB L C id od VdVd rR R R v v AA 畫出單邊差模信號微變等效電路如圖: K I r E be 8 . 3 368. 0 26 51200

18、26 )1 (200 雙端輸出時： KRRR KrRRR Codo beBidid 2022 8 .17)8 . 31 . 5(2)(22 1 1 單端輸出時： 0 .14 )8 . 31 . 5(2 )10/10(50 )(2 )/( 2 1 2 1 1 1 1 beB LC id od VdVd rR RR v v AA 畫出單邊共模信號微變等效電路如圖所示： 117 12. 0 14 12. 0 202518 . 31 . 5 10/1050 2)1 ()( )/( 1 1 Vc Vd CMR EbeB LC ic oc Vc A A K RrR RR v v A 當vi1=5mV，vi

19、2=1mV時， mVvAvAv mVvvv mVvvv icVcidVdo iiic iiid 36.563)12. 0(4)14( 3)( 2 1 4 1 21 21 例2：P.271 6.2.3 電路如圖題電路如圖題6.2.3所示，所示，Re1Re2100，BJT的的100，VBE0.6V，求：求： （1）Q點（點（IB1、IC1、VCE1）；（）；（2）當當ui10.01V、ui20.01V時，求輸出電壓時，求輸出電壓 uOuO1uO2的值；（的值；（3）當）當C1、C2間接入負載電阻間接入負載電阻RL5.6k時，求時，求uO的值；的值； （4）求電路的差模輸入電阻）求電路的差模輸入電阻

20、Rid、共模輸入電阻共模輸入電阻Ric和輸出電阻和輸出電阻Ro。 解解：（1）求Q點： IC1IC2IO/2221mA IB1IB2IC/1mA/10010A 靜態(tài)時： Vi1Vi20 ；VB10；VBE10.6V， VCE1VCCIC1RC1VBE15V 4 .43 1 ebe C VD Rr R A （2）求輸出電壓VO rbe200（1）26IEQ2.8k uOAVDuidAVD（ui1ui2）0.87V （3）求uO kRRR LCL 87.1 2 1 / 1 5 .14 1 ebe L VD Rr R A uOAVDuidAid（ui1ui2）0.29V （4）求Rid、RiC、RO Rid2rbe（1）Re122.8（1100）0.125.8k RiCrbe（1）Re12(1)ro/22ro（1）/2 ro（1）100（1100）10M RO2RC25.611.2k 6.3 集成電路運算放大器集成電路運算放大器 一一. 集成運放的總體結(jié)構(gòu)集成運放的總體結(jié)構(gòu) u u u 電壓放大級 輸出級 偏置電路 uo + 差動輸入級 u u- 二二. 簡單的集成運