第三節(jié) 集成運(yùn)放的基本組成部分

第三節(jié)集成運(yùn)放的基本組成部分偏置電路差分放大輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)下頁(yè)總目錄向各放大級(jí)提供合適的偏置電流克服零點(diǎn)漂移提供負(fù)載所需功率及效率提供電壓放大倍數(shù)集成運(yùn)放的基本組成部分輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路集成運(yùn)放的基本組成下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置電路1.鏡像電流源VCC-

UBE1RIC2≈IREF=VCC-

UBE1RIREF

IC12IBIc2

IREF-2IB當(dāng)β>>2時(shí)下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)IB2IB12IBVT1VT2RR1R2+VCCUBE1≈

UBE22.比例電流源UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2IE1R1

≈IE2R2IC2

≈R1R2IC1R1R2IREFIREFIc2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)IREFIB2IB1Ic12IBVT1VT2RRe+VCC3.微電流源UBE1

-

UBE2

=

IE2ReIc2UBE2UBE1+--+≈

IC2ReUBE

≈UTlnICISUBE1

–UBE2≈UT(

lnIC1IS1IC2IS2–ln)≈IC2ReUTlnIC1IC2≈

IC2ReIE2下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)[例5.3.1]圖示為集成運(yùn)放LM741偏置電路的一部分，假設(shè)VCC

=VEE

=15V

，所有三極管的UBE

=0.7V

，其中NPN三極管的β>>2，橫向PNP三極管的β=2

，電阻R5

=39kΩ

。下頁(yè)上頁(yè)Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF①估算基準(zhǔn)電流IREF

；②分析電路中各三極管組成何種電流源；③估算VT13的集電極電流Ic13；④若要求Ic10=28μA，試估算電阻R4的阻值。首頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF解：①由圖可得②

VT12與VT13組成鏡像電流源，

VT10

、VT11與R4組成微電流源。首頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③不能簡(jiǎn)單認(rèn)為Ic13

≈IREF。④

可認(rèn)為Ic11

≈IREF。首頁(yè)二、差分放大輸入級(jí)+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大電路電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在理想的情況下，兩管的特性及對(duì)應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出兩管靜態(tài)工作點(diǎn)相同（1）電路組成下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)溫度變化時(shí)，

UC1和UC2變化一致，

uO

保持不變。uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0靜態(tài)時(shí)，ui1

=

ui2

=0當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC（兩管變化量相等）對(duì)稱差動(dòng)放大電路對(duì)兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2（2）差模輸入電壓和共模輸入電壓差模輸入電壓

uId

兩個(gè)輸入電壓大小相等、極性相反。下頁(yè)上頁(yè)差模輸入電壓首頁(yè)+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2下頁(yè)上頁(yè)共模輸入電壓

uIc

兩個(gè)輸入電壓大小相等、極性也相同。+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模輸入電壓首頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)實(shí)際上，在差分放大電路的兩個(gè)輸入端加上任意大小、任意極性的輸入電壓uI1和uI2

，都可以將它們認(rèn)為是某個(gè)差模輸入電壓和某個(gè)共模輸入電壓的組合。其中差模輸入電壓uId和共模輸入電壓uIc的值分別為:[例5.3.2]

uI1=5mV,uI2=1mV則:

uId=4mVuIc=3mV首頁(yè)差模電壓放大倍數(shù)AdΔuo

=

Δuc1

–

Δuc2=2

Δuc112=

2·Au1ΔuiΔuc1

=-

Δuc2

=12Au1Δui犧牲一個(gè)放大管的放大倍數(shù)換取對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制，但不理想，因電路不可能完全對(duì)稱，單端輸出時(shí)失去對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制能力。下頁(yè)上頁(yè)（3）差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比ΔuoΔui=

Au1Ad=首頁(yè)共模放大倍數(shù)Ac

=ΔuoΔuic共模抑制比下頁(yè)上頁(yè)差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說(shuō)明差放分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。共模抑制比首頁(yè)+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.長(zhǎng)尾式差分放大電路

引入共模負(fù)反饋降低單管零點(diǎn)漂移提高了共模抑制比補(bǔ)償Re上的直流壓降，提供靜態(tài)基極電流下頁(yè)上頁(yè)(1)電路組成首頁(yè)+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)靜態(tài)分析IBQR

+UBEQ

+2IEQRe

=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)

ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)仿真（3）動(dòng)態(tài)分析Ad=?uo?uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe

）Ro=2

Rc+-?uo?uI1RRcRcVT1VT2?uI2RRL12RL12+-?ui?uc2?uc1下頁(yè)上頁(yè)+?uI1RRcVT1RL12?uc1-?uo=2?uc1?ui=?uI1-

?uI2

=2?uI1首頁(yè)[例5.3.3]在長(zhǎng)尾式差分放大電路中常接入調(diào)零電阻Rw確保靜態(tài)時(shí)輸出為零，如右圖所示。靜態(tài)分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+

β)（

2Re+0.5

Rw

)UCQ=VCC-ICQRcICQ

≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR

+UBEQ

+IEQ（

2Re

+0.5

Rw

)

=VEE下頁(yè)上頁(yè)+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的長(zhǎng)尾式差分放大電路RwRLuI1首頁(yè)動(dòng)態(tài)分析：+?uI1RRcVT1RL12?uc1-0.5RwAd=?uo?uI=Au1Ad=-R+rbe

+（Rc//）12RLβRo=2

Rc?uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie?uc1=（Rc//）12RLβib（1+β）Rw2Rid=2[R+rbe

+（1+β

）Rw2]下頁(yè)上頁(yè)+-?uo?uI1RRcRcVT1VT2?uI2R交流通路RL12RL120.5Rw0.5Rw首頁(yè)3.恒流源式差分放大電路用恒流三極管代替阻值很大的長(zhǎng)尾電阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）電路組成+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLuI1I簡(jiǎn)化表示法下頁(yè)上頁(yè)恒流源式差分放大電路+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLuI1Rb2VT3首頁(yè)(2)靜態(tài)分析通常可從確定恒流三極管的電流開(kāi)始。恒流源式差分放大電路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3URb1=Rb1Rb1+Rb2(VCC+VEE)ICQ3≈

IEQ3=ReURb1–UBEQ3ICQ1=

IEQ2≈12ICQ3βIBQ1=

IBQ2≈ICQ1UBQ1=

UBQ2=-IBQ1R

UCQ1=

UCQ2=VCC-

ICQ1RC下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)仿真+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz[例5.3.4]

估算圖示電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和差模電壓放大倍數(shù)Ad

。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)UB1=

-IB1RIE3IC3IC1IC2UC1UC2IB1IB1解：靜態(tài)工作點(diǎn)下頁(yè)上頁(yè)+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwuI1R1VT3VDz12IC3IC1=UC1=VCC-ICQRCβICQ1IB1

=Uz-UBE3ReIE3

=

首頁(yè)仿真Ad=-R+

rbe

+β

Rc

（1+

β

）Rw2解：差模電壓放大倍數(shù)下頁(yè)上頁(yè)+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路與長(zhǎng)尾式電路的交流通路相同二者的差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻均相同首頁(yè)4.差分放大電路的輸入、輸出接法（1）差分輸入、雙端輸出下頁(yè)上頁(yè)+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-首頁(yè)（2）差分輸入、單端輸出將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo（3）單端輸入、雙端輸出將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為雙端輸出。下頁(yè)上頁(yè)+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-首頁(yè)（4）單端輸入、單端輸出抑制零漂能力較強(qiáng),可使輸入、輸出電壓反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)仿真結(jié)論：1.雙端輸出時(shí)Ad

≈Au1Ro=

2

Rc理想情況下KCMR=

∞2.單端輸出時(shí)Ad

=

Au112Ro=

RcKCMR不如雙端輸出時(shí)高，可選擇從不同的三極管輸出，使ui與uo反相或同相。單端輸入時(shí)兩個(gè)三極管仍基本工作在差分狀態(tài)。Rid

≈

2（R+

rbe

）下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)三、中間級(jí)1.有源負(fù)載要求有較高的電壓增益和輸入電阻，向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)差分與單端信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。IVT2RVT3VT1ui

uo

-+-++VCC放大管用三極管代替負(fù)載電阻RC

，組成有源負(fù)載，獲得較高的電壓放大倍數(shù)下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2.復(fù)合管集成運(yùn)放的中間級(jí)采用復(fù)合管時(shí)，不僅可以得到很高的電流放大系數(shù)，以便提高本級(jí)的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級(jí)的輸入電阻，以免對(duì)前級(jí)放大倍數(shù)產(chǎn)生不良影響。VT1VT2VT3

RVT4

ui

uo

-+-++VCCIREF根據(jù)基準(zhǔn)電流IREF

，即可確定放大管的工作電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3下頁(yè)上頁(yè)ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

Δic2=

2ΔiC4放大管β

足夠大iC3iC1iC2iC4iO電路雖然采用單端輸出接法，卻可以得到相當(dāng)于雙端輸出時(shí)的輸出電流變化量。有源負(fù)載有源負(fù)載差分放大電路首頁(yè)四、輸出級(jí)集成運(yùn)放輸出級(jí)的主要作用是提供足夠的輸出功率以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)還應(yīng)