第三章 集成运算放大器,2.3.1 集成运算放大器的典型结构及特点,一、集成运放的典型结构,集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。,输入级采用差分放大电路,中间级采用CE(CS)电路,输出级采用互补对称式射极跟随器结构,二、集成运放的主要特点,同一硅片 相同工艺,采用结构对称为特征的电路,元件参数具有良好的一致性和同向偏差,芯片面积小 功耗很低,采用微电流源作为偏置及有源负载,工作电流极小 (如几几十微安),无法制造大容量电容,采用直接耦合方式,电路符号,低频小信号模型,Rid Rod0 Aod,2.3.2 集成运放中的恒流源偏置电路,一、,基本镜像电流源,参考电流,( 时,误差5%),两只特性完全相同的晶体管T1、T2组成镜像电流源,R确定参考电流,T管减小输出电流与参考电流的误差,二、跟随型镜像电流源电路,当50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于0.08%,误差,温度补偿作用：,三、 多路电流源电路,当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射极电阻，可得到不同的输出电流。,2.3.3运放输入级差分放大电路,(1) 直流分析,1. 差分放大电路的基本形式和工作原理,IC1QIC2Q,VC1QVC2QVCCICQRc,VOQVC1QVC2Q0,若RC1 = RC2 = RC,由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等，VOQ0，有效地抑制温漂和零漂。,若Rc1Rc2，则两个三极管的ICQ和VCQ是否相等？,差模成分：两个输入信号之差。,共模成分：两个输入信号平均值。,差模成分反映被测信号的变化，需要进一步放大。 共模成分反映测量的初始条件或外界干扰，不但不必放大，而且还需要加以抑制。,(2) 差分放大电路的动态分析,放大差模信号,抑制共模信号,+VCC,桥式测量电路,反映被测温度的变化,并不反映被测温度的变化,差分放大电路的输入:,差分放大电路交流通路,差模交流通路,共模交流通路,差模输入方式：只考虑差模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个幅度相同而极性相反的信号。,共模输入方式：只考虑共模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个极性相同且幅度也相同的信号。,Avc小,Avd大,差分放大电路具有对差模信号进行放大、对共模信号进行抑制的能力。,关于差放电路的一般分析步骤:,实际电路,直流通路,交流通路,差模交流通路,共模交流通路,实际信号,差模信号,共模信号,差模量,共模量,直流量,总变化量,总量,2. 差分放大电路动态性能指标的计算,(1) 差模电压放大倍数Avd,e点交流接地,差模交流通路,二个输出端上的差模输出电压大小相等而极性相反,共模交流通路,差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相等并且极性也相同；双端输出时，共模输出电压为零。,Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力， Avc 越小，则抑制温漂能力越强。,(4) 共模抑制比KCMR,定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。,常用分贝表示：,理想的差分放大电路双端输出时，KCMR,C1输出时,越大 越大,实用电路中常用恒流源来代替,越大 越大,实用电路中常用恒流源来代替,d,总的交流输出为差模信号作用下的输出和共模信号下的输出相迭加,【例】,已知差分放大电路vI1=5.01V、vI2=4.99V，Avd -80，Avc -0.01，求vO？,解：,3. 输入输出方式,差分放大电路有两个输入端和两个输出端。,端输入，端接地时：vI1vI，vI20,单端输入可作为双端输入一样处理,空载时单端输出的差模电压放大倍数是双端输出的差模电压放大倍数的一半。,vO1vO2,单端输入和双端输入:,单端输出和双端输出:,(2) 差模输入电阻Rid,（单端输入、双端输入一样）,(3) 差模输出电阻Ro,单端输出：,双端输出：,接上负载后,负载中点相当于接地,【例】,差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Rid和输出电阻Ro。,解：先画出差模交流通路：,【例】差分放大电路如图所示，输出端取自T1管的集电极。已知T1、T2管的=80， rbb= 100，RW=200，RC=50k，其余参数如图中所示。设电位器的滑动端置于中间位置。求: （1）该差分放大电路的静态工作点ICQ、VOQ； （2）差模电压放大倍数Avd、 差模输入电阻Rid和输出电阻Ro； （3）共模抑制比KCMR； （4）若输入电压为vI1=16mV、vI2=10mV，求输出电压vO。,解：,(1),(2),差模交流通路,(3),共模交流通路,(4),若vI1=16mV，vI2=10mV，则,4. 场效应管差分放大电路,FET差分放大电路差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流的不对称性。,式中,Rod=2Rd,差模交流通路,2.3.4 运放中间级和输出级,一、中间级电压放大电路 主要任务是提高电压增益，常用共射放大电路。,Rc代之以恒流源； 采用纵向三极管或达林顿复合管，提高； 增加一级CC电路(射极跟随器)进行阻抗变换。,恒流源+射极跟随器,恒流源+复合管,二、运放输出级互补对称共集输出电路,集成运放的输出要求 输出电阻小 最大不失真输出电压尽可能大 输出级的输入电阻又必须大,1运放输出级的基本电路,静态(vi0)时，T、T管均截止，VOQ0,管子属于乙类放大：导通角为=,三极管半周导通,甲类放大：导通角为=2,前面讨论的单管放大电路,甲乙类放大：导通角介于和2之间,正半周(vi0)时，T管导通，T管截止，+VCCT1RLGND,负半周(vi0)时，T1管截止，T2管导通， GNDRLT2-VCC,静态(vi0)时，T、T管均截止，VOQ0,甲类,乙类,甲乙类,最大输出电压幅值,最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。 不会超过电源电压。,输入电阻较高,交越失真,在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。,2甲乙类互补对称输出电路,静态T1、T2处于微导通状态，克服交越失真. VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很小，所以vb1vb2vi。,利用二极管提供静态偏置,Q,利用恒压电路提供静态偏置,选择合适的R1、R2阻值，使VCE3 1.4V。,+VCC,-VEE,RC1,RC2,T1,T2,Re,b1,b2,iE1,iE2,e,c1,(-),(-),(+),(+),b1:同相输入端 b2:反相输入端,2.3.5 集成运放的主要性能指标,集成运放线性放大区所对应的输入信号范围很小。,一、 集成运放的电压传输特性和三项基本参数,例如设Aod=105， 、 为10V， 则Vim10/105 10-4V 0.1mV,实际运放的传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在运放输入级电路中设置了调零端。,在理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标原点。运放的电压既可以用增量(或交流量)表示，也可以用瞬时量表示。,（1）开环差模电压放大倍数Aod,如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid 可达104M以上。,Aod一般为104106(即80120dB)。 在手册中Aod常以V/mV作单位， 如100V/mV即为105。,（2）差模输入电阻Rid,（3）输出电阻Ro,集成运放的Ro通常为100至1k之间。,由3项基本参数可画出运放的低频模型：,二、集成运放的失调参数,集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。,（1）输入失调电压VIO,为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。,（2）输入失调电压漂移dVIO/dT,输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。,（3）输入失调电流 IIO,反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。,偏置电流,输入失调电流,（4）输入失调电流温漂dIIO/dT,反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。,分析输出失调模型,(1) 应选择R1R2。R、R2 称为输入平衡电阻。 (2) R和R2越小，则IIO对VOO的影响也越少。因此，在实际使用时，要求运放两个输入端的外接平衡电阻相等且较小。,(3) 即使运放输入端短路，输出电压也已进入饱和状态(假定Aod=104，VIO为1.5mV，则VOO已达15V)。因此，集成运放在用作线性放大时必须接成闭环方式。,运放的“虚短”和“虚断”,因为理想运放的A很大，在线性工作范围内， ；称为“虚短” 又理想运放的输入电阻 很大，所以输入电流 ；称为“虚断”,分析负反馈运算电路时要经常利用运放的“虚短”和“虚断”,三、集成运放的共模参数,（1）共模抑制比KCMR,集成运放的共模抑制比一般在60dB以上，性能较好的运放在100dB以上。,（2）最大共模输入电压 VIcmax,当共模输入电压超出VIcmax时，将影响运放电路中相关晶体管的工作状态。运放失去正常的差模放大能力。,（3）共模输入电阻Ric,四、集成运放的时域和频域参数,（1）-3dB带宽 f H,BWf Hf Lf H,通用型运放的带宽fH仅为几赫兹至几十赫兹。,（2）单位增益带宽 f c,指运放差模开环电压增益Aod下降至0dB 时的频率。,（3）转换速率SR（也称压摆率）,是衡量运放在大幅度信号作用下工作速度的参数。,（4）全功率带宽 f p,表示当运放输出较大幅度电压时，为保证输出波形不产生因SR为有限值而引起的波形失真，运放所能工作的最高频率。,五、 集成运放应用时应考虑的几个问题,运放类型：, 通用型：其性能指标适合于一般性使用，产品量大面广。 低功耗型：静态功耗在1mw左右，可用于便携设备。 高精度型：失调电压温漂在1V以下。 高速型：转换速率在10V/s左右。 高阻型：输入电阻在1012左右。 宽带型：单位增益带宽在10MHz左右。 高压型：允许供电电压在30V以上。 功率型：允许的供电电压较高可输出电流较大。,选择集成运放时注意的问题：,不要盲目追求指标先进。,应尽量选择通用型运放,应考虑能避免冲击电压和电流的保护措施,要注意单元之间的输出电平配合问题,要注意性能指标的测量条件,在弱信号条件下使用时，应注意噪声系数不能太大, 跨导型：输入量为电压，输出为电流。 差动电流型：输入为差分电流，输出为电压。 其它：如程控型、电压跟随型等。,