第三章集成運算放大電路

1、第三章第三章 集成運算放大電路集成運算放大電路3.2 3.2 電流源電路電流源電路3.3 3.3 差動放大器差動放大器3.5 3.5 輸出級電路輸出級電路3.1 3.1 集成運算放大電路特點集成運算放大電路特點3.4 3.4 中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路第三章第三章集成運算放大電路集成運算放大電路 集成電路是60年代初發(fā)展起來的一種電子器件。它是在一塊硅單晶片上制成多個二極管、三極管、電阻、電容等器件,并將它們連接成實現(xiàn)一定電功能的電子線路。 可見 集成電路集成電路是元器件元器件和電路電路融合成一體的集成組件。3.1 集成運放電路的特點集成運放電路的特點 理想的運放應(yīng)

2、具有理想的運放應(yīng)具有 電壓增益高、 輸入電阻大、輸出電阻小、 工作點漂移小。第三章第三章集成運算放大電路集成運算放大電路 所以 在運放的電路設(shè)計上具有如下幾個特點：特點：1. 級間采用直接耦合方式。因為集成塊中 (以現(xiàn)在的工藝)不能制作大容量的電容器2. 為克服直接耦合電路的溫漂,采用溫度補 償手段差動放大器差動放大器。 利用兩個晶體管參數(shù)的對稱性來抑制溫漂3. 大量采用晶體管、場效應(yīng)管構(gòu)成的恒流恒流 源源來代替大阻值的電阻或用來設(shè)置 電路的靜態(tài)電流。第三章第三章集成運算放大電路集成運算放大電路4. 采用復(fù)合管的接法以改進單管的性能 典型集成電路的原理圖典型集成電路的原理圖 輸入級輸入級 由各

3、種改進型的差分放大器 組成，提供與輸出成同相同相和反相反相關(guān)系 的兩個輸入端，并盡量減少溫漂。 第三章第三章集成運算放大電路集成運算放大電路 中間級中間級 多采用有源負載的共射、共源放大器 。 要求：要求： 高增益 輸出級輸出級 由源極或射極跟隨器組成， 提供一定的電壓和電流變化。 要求要求: 零輸入時零輸出、低輸出抗阻、高效率 偏置電路、有源負載偏置電路、有源負載 由恒流源組成電平位移電路電平位移電路 使輸入端對地電壓為零時 輸出對地電壓也為零另外還有：要求要求：零輸入時低溫漂、高輸入抗阻，高共模抑制比。3.2電流源電路電流源電路 作為作為偏置偏置 ：為：為各級提供穩(wěn)定的直流偏置各級提供穩(wěn)定

4、的直流偏置 作為作為有源負載有源負載 ：用于：用于提高放大器的增益提高放大器的增益一一. .晶體管電流源電路晶體管電流源電路 從晶體管的輸出特性看，工作在放大放大區(qū)區(qū)的晶體管，當(dāng)I IB B一定，即使V VCECE有較大變化，I IC C幾乎不變。3.2二二. .鏡像電流源鏡像電流源 由兩個性能上性能上完全配對完全配對的晶體管和一個電阻R組成為提高精度，這根為提高精度，這根短路線短路線可用晶體管代替可用晶體管代替。P89電流源電路電流源電路3.2RVRVVICCBECCR21222CRBRCCIIIIII212RCII1RCII2因為 一般情況下電流源電路電流源電路3.2上述電路可推廣得到多路

5、電流源參考電流參考電流電流源電路電流源電路)1 (4151432RCCCIIIIRUUIBECCR)2(3.2三三. .比例電流源比例電流源若要Ic2Ir，但與 Ir成一定比例時可采用此電路rCIRRI212111RRURRUUIrCCrBECCr其中 電流源電路電流源電路3.2四四. 微電流電流源微電流電流源 在上述恒流源電路中,若要得到極小電流,則要增大電阻R的值。這在集成工藝中很難實現(xiàn), 則可利用比例恒流源，并使R1=0* *設(shè)計中一般先確定Ic2和Ir的數(shù)值， 再去求R2的值電流源電路電流源電路2222lnCrTBECIIRURUI3.2五五. 負反饋型電流源負反饋型電流源 引入電流負

6、反饋穩(wěn)定輸出電流威爾遜電流源威爾遜電流源電流源電路電流源電路3.3 輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路對于單級共射放大器，在靜態(tài)時由于溫度、電源波動等因素的影響，會使工作點偏移，這種現(xiàn)象稱零點漂移現(xiàn)象 對于直接耦合放大電路，這種漂移會逐級放大，當(dāng)漂移達到一定程度時,會使各級放大器進入截止或飽和,使整個放大電路無法正常工作，所以 采用差分放大器能有效克服零點漂移一電路特點一電路特點電路 ：由兩個相互為發(fā)射極耦合 的共射電路組成 3.3要求：兩個共射電路完全對稱特點：有兩個輸入端和兩個輸出端，所以共有四種組態(tài)： 單端輸入、單端輸出 單端輸入、雙端輸出 雙端輸入、單端輸出 雙端輸入、雙端輸出輸入

7、級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3二性能分析二性能分析1. 靜態(tài)時（即靜態(tài)時（即V Vi i0 0時）時） 要求：差分放大器雙端輸入電壓為0時， Vo=0。即零輸入時零輸出。UE= -UBE -0.7V 流過流過R RE E 的電流的電流 EEEEEEERURUUI7 . 0）（故電路對稱時 I IC1QC1Q=I=IC2QC2QIIE1QE1Q=I=IE2QE2Q=I/2=I/2 U UC1QC1Q= =U UC2QC2Q= =U UCCCC- -I Ic cR RC C 輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路U U0 0=U=UC1C1-U-UC2C2=0=03.3 *當(dāng)兩管的特性和

8、參數(shù)不完全一致或兩邊RC不等時，為實現(xiàn)靜態(tài)輸入電壓為零時輸出端靜態(tài)電壓也為零，可在兩個集電極或發(fā)射極之間加電位器RW,調(diào)節(jié)RW使放大器的靜態(tài)輸出電壓為零。2.2.差模放大特性差模放大特性差模信號差模信號 幅度相等，相位相反 的一對輸入信號即 Ui1=Uid1, Ui2=Uid2 而Uid1= -Uid2 輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3此時流過T1T1管的電流：iC1=IC1+IC 流過T2T2管的電流：iC2=IC2-IC則流過RE的電流不變，仍為靜態(tài)電流IEE,靜態(tài)電壓為R REI IEE而不產(chǎn)生差模信號電壓。所以，所以，對差模信號而言，對差模信號而言，R RE可視可視為短路為

9、短路又又: 在差模輸入時，兩管輸出端電位一端升 另一端降。且，升的量等于降的量所以，所以，雙端輸出時雙端輸出時, R, RL L的中點電位為的中點電位為 差模地端差模地端, , 每管負載為每管負載為 1/2 RL L輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3則可畫出差模 等效電路差模輸入電阻 從兩輸入端看進去Rid = 2 rbe （雙入）Rid = 2 rbe （單入）若 RWE0,Rid=2rbe+(1+)RWE/2差模輸出電阻Rod = 2RC （雙出）Rod = RC （單出）輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3 差模電壓增益（只與輸出端有關(guān)）若RW0，則 可見 單端輸出 是

10、 雙端輸出的一半， 且兩個輸出信號的相位相反。雙端輸出：單端輸出：Aud= idodUUid1od1UUid2od2UUbeLrR=udidodidodudAUUUUA212111)(單udidodidodudAUUUUA212112)(單2)1 (WbeLudRrRA輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3. 共模抑制特性共模抑制特性 共模信號共模信號幅度與相位均相同的 一對輸入信號 即:Ui1= Uic1 Ui2=Uic2 = Uic1此時，T1管電流：iC1=IC1+IC T2管電流：iC2=IC2+IC則流過 RE的共模信號為單管的兩倍3.3輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3

11、 從等效觀點來看，每管發(fā)射極相當(dāng)于接入相當(dāng)于接入2RE 的的電阻電阻。 在輸出端，由于共模輸入信號引起兩個管子集電極的電位變化完全相同。 流過負載的電流為流過負載的電流為零，零， 相當(dāng)于相當(dāng)于RL開路開路輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3則可畫出共模等效電路* * 共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)021icOCOCicOCucUUUUUA雙端輸出時：單端輸出時：ECEbeCucRRRrRA221)(）（單輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路icocicocucUUUUA21)(單從上式看出 : RERC， |Auc單單|UCQ2(UCQ1)，則T2管將進入飽和區(qū)。即Ui1UCQ1=

12、3.86V若(Ui1-UBE2)(UBQ3+UBE2)=-4+0.7=-3.3V最大共模輸入范圍 -3.3VUi13.86V輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3三三. . 差動放大電路的傳輸特性差動放大電路的傳輸特性放大器的輸出電流 和輸出電壓與差模 輸入電壓的函數(shù)關(guān)系)2(th21TidccUuIii)1 ()1 () 1() 1(21212121222111EEEEEEEETBESTBESETBESTBESEiiiiiiiiIuueIuueIiuueIuueIi)2(thTidcoUuIRu輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3雙端輸出時,輸出電壓的幅值為 V VOMOM=I

13、=IEEEER RC C單端輸出時,輸出電壓的幅值為V VOM1OM1=V=VOM2OM2=1/2 I=1/2 IEEEER RC C討論：討論：1.兩管集電極電流之和恒等于I IEEEE其中一管電流增大,另一管電流必相應(yīng)減少在U Uidid0 0時，放大器處于靜態(tài)工作狀態(tài)，此時，I ICQ1 CQ1 =I=ICQ2 CQ2 =1/2 =1/2 I IEEEE輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路: )( 4 此時一個管子截止時當(dāng)TidUU3.32.當(dāng)| |U Uidid| |UUT T(26mv(26mv) )時， 在原點附近的差模傳輸特性曲線可近似看 作一條直線。即傳輸特性為線性特性3.當(dāng)

14、| |U Uidid|4U4UT T(100mv(100mv) )時,傳輸特性趨于水平。此時輸出電流I IC1C1、I IC2C2基本不變。 這表明差分放大器在大信號輸入時具有良好的限幅特性。此時一管截止，恒流源電流全部流入另一管。輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.34.為了擴展傳輸特性的線性范圍可在兩管的射極串接負反饋電阻R或在基極串接電阻R RB B，且R R,R RB B越大，線性范圍也越大。輸入級輸入級 差動放大電路差動放大電路3.3 理想對稱的差動放大器當(dāng)輸入信號為零時，雙端輸出電壓應(yīng)為零，而實際中，零輸入時輸出電壓不為零失調(diào)失調(diào)四四. .失調(diào)或漂移失調(diào)或漂移輸入級輸入級 差

15、動放大電路差動放大電路3.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路中間級要求高增益。有多種實現(xiàn)方法：方法一，采用多級級聯(lián)；方法二，為減少級數(shù)可提高放大器的負載電阻，而電流源具有很大的動態(tài)電阻（直流電阻小、交流電阻大），所以可使放大器具有極高的電壓增益。 有源負載電路有源負載電路 以有源器件的動態(tài)電阻 作為大的負載電阻的電路3.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路1.1.共射放大器共射放大器T2、T3構(gòu)成鏡像恒流源電路作為T1管的集電極負載2.2.共集共集放大器（放大器（A AU U11，無電壓放大），無電壓放大）3.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采

16、用有源負載電路3. 具有倒相功能的共射放大器具有倒相功能的共射放大器 4. 差動放大器差動放大器T3、T4組成的恒流源電路作為T1、T2組成的差動放大器的集電極電阻3.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路范例分析范例分析VVonBE3 . 0)(50例例 已知求：ICQ3、ICQ5、VCEQ2 VCEQ5及靜態(tài)時的Vo值差模增益差模輸入電阻Rid 及輸出電阻Ro值ioudVVA差分放大器輸出電壓范圍300bbr3.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路解：mAVVmAkImAICQCQ2500)6(3 . 017 . 40117 . 43 . 0634mA

17、IIICQCQCQ121321mAKICQ17 .23 .035VVVVCEQ3 . 7)3 . 0(3102VmAKKVVCEQ3 . 71)67 . 2(165KmAmVrrrbebebe6 . 1126)1 (300521VVmAKVO06163.4中間級電路中間級電路 采用有源負載電路采用有源負載電路5 .23)4 . 5(27 . 2)1 (61511KrRKrKVVVVVVAbeLbeiOOOiOudKKrKRbeL37 .2)1(/35其中KKrRbeid144 . 5 2KRO6 T2管電流iC2變化范圍為02mA0mA時2mA時VVC10maxVVC43210min所以差分放

18、大器輸出電壓范圍為4V10V3.5 對輸出級而言要有一定的功率輸出（電壓、電流變化范圍大）輸入阻抗高、輸出阻抗低，靜態(tài)輸出電位為零。因為射隨器能滿足這一要求，所以一般采用互補對稱射極輸出電路。特點：特點：1. 為了得到大的功率輸出，放大器工作在 大信號狀態(tài)。2. 在大信號工作時,由于器件的非線性特性， 則小信號交流等效電路不再適用。輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5 3. 電路一般工作在乙類或甲乙類工作狀態(tài)。4. 由于管子工作在大信號狀態(tài)，所以要保證管子安全工作，則在選擇使用器件時對極限參數(shù)的要求十分嚴格。極限參數(shù)：P PCM CM 集電極最大允許管耗I ICMCM集電極最大允許電流

19、 V VBR(CEO)BR(CEO) 集電極反向擊穿電壓輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5一一. .雙電源供電的互補對稱乙類推挽電路雙電源供電的互補對稱乙類推挽電路 OCL電路電路輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5工作原理： 利用兩個互補型的管子實現(xiàn)交替工作，當(dāng)兩管交替工作時，兩管集電極上的半個正弦波電流以相反方向通過RL，所以，在RL上合成的電流為一完整的正弦波。輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5在輸入信號正半周時iC1=Icm Sint VCE1=VCC-VRL VCC-IcmRL Sint由于T1管在靜態(tài)時處于零偏狀態(tài)所以它的Q點在（UCC ,0）處乙類 工

20、作點在截止區(qū)甲乙類 工作點靠近截止區(qū)輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.51.1.輸出功率輸出功率 送到負載上的信號電壓與 信號電流有效值的乘積為電壓利用系數(shù) 若考慮實際飽和壓降時：設(shè)：則其中：輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器LCESCCLRUUP2max)(213.52.2.電源提供的直流功率電源提供的直流功率P PE EcmCCCEECCCCEECCCEIUIUIUDCiUDCiUP2(2121分量）的分量）的由上式可見： PE也是隨輸入信號而, 當(dāng)輸入信號為零時，則PE0。 這是此種電路高效率的一個重要因素電路高效率的一個重要因素輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器) d

21、sin (021ttIDCicmc分量為的其中maxmaxmaxOOEP27. 1P4 P1時當(dāng)3.53.3.集電極效率集電極效率4422121212CCOLOCCLOELELUURUURUPPPP當(dāng)=1（即信號最大時），%5 .784m實際上，因為VCES的存在，不可能為1， 一般c5565輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.54.4.管耗管耗P PC C每管的集電極耗散功率為)(412121121OCLOLOCCLECUPRURUUPPP整個放大器的管耗為2PC1，當(dāng) （即=0.64）時PC1最大，此時CCOUU2LCCLCCLCCCCcmRURURUUP22221)2(4122注意

22、：注意：PC最大時=0.64,并不是1輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.54.4.管耗管耗P PC C當(dāng)=0.64時，每管的集電極最大耗散功率為omax22222210.2P 212 112412LCCLCCLCCLCCCCccRURURURUUPP輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.55.5.功率（晶體）管的功率（晶體）管的安全工作條件安全工作條件關(guān)于安全工作條件的分析,實質(zhì)上是討論功率管的極限參數(shù)PCM、ICM、V(BR)CEO對于乙類功放而言,若1,則當(dāng)NPN（T1）管充分導(dǎo)通時,PNP（T2）管截止。這時負載上的電壓近似等于VCC. 加在截止管（T2）集射極間的最大瞬時電

23、壓為|V VCEmaxCEmax|=V=VCCCC+V+VEEEE2V2VCCCC輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5所以，為保證功率管不被反向擊穿則要求 V(BR)CEO 2Ucc所以 為保證功率管不被反向擊穿則要求：CEOBRCCVV)(2CMLCCcIRVimaxCMoCPPPmaxmax12 . 0輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5所以，根據(jù),條件受V(BR)CEO和ICM限制的最大可能輸出功率為：受條件限制的最大可能輸出功率為:CMCEOBRcmcmLIVIVP)(max4121CMLPP5max輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器實際應(yīng)用中取兩者中的小項3.5二

24、二. .原理電路中存在的問題及解決辦法原理電路中存在的問題及解決辦法問題：問題：1.選擇兩個特性完全一致的異型功率管在大功率情況下是很困難的。2.因為沒有考慮導(dǎo)通電壓VBE(on)的影響,而在實際情況下導(dǎo)通電壓VBE(on) 0,所以輸入信號電壓Vi的瞬時值必須超過VBE(on)才能使管子導(dǎo)通，因此要產(chǎn)生交叉失真。解決方法：解決方法：1.采用復(fù)合管來解決輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5組成原則：組成原則：電流要通順第一級CE與第二級的CB相連， 不能與第二級的BE相連復(fù)合管類型由第一個管子決定NPNPNP達林頓管達林頓管輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5NPNPNP錯誤錯誤錯誤錯誤輸出級輸出級- -功率放大器功率放大器3.5 為了提高復(fù)合管的溫度穩(wěn)定性，溫度穩(wěn)定性，減小穿透電流ICEO1對輸出的影響，一般在T2的發(fā)射結(jié)上并接一個電阻R，構(gòu)成達林頓管。利用這種復(fù)合管來組成互補對稱乙類推