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1、6.1 集成运算放大器电路特点,6.2 电流源电路,6.3 差动放大电路,6.5 集成运放电路举例,6.4 集成运算放大器的输出级电路,6.6 MOS集成运算放大器,6.7 集成运算放大器的主要性能指标,第6章 集成运算放大器电路,6.1 集成运算放大器电路特点,集成运算放大器(简称集成运放)是一种直接耦合的多级放大电路。性能理想的运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。 集成运放在电路设计上具有许多特点，主要有： (1).级间采用直接耦合方式。 (2).尽可能用有源器件代替无源元件。 (3).利用对称结构改善电路性能。,集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组
2、成结构看，一般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成，组成框图如下：,6.2 电流源电路,电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用: 1. 为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 2. 可作为有源负载，提高单级放大器的增益。,基极电流为IB的一条输出特性曲线如图所示。,一、单管电流源电路,可见，当IB一定时，只要晶体管工作在放大区，IC就基本恒定。因此，从集电极看进去相当于一个电流源，其内阻为rce 。,为了使IC更加稳定，采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)，便得到图所示的单管电流源电路。等效电流的动态内阻Ro 近似为,式中，RB=R1R2。,需要强调，集电极端要实现恒流，必须保
3、证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。,二、镜像电流源 用一个与输出管完全相同的晶体管V1，将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3，便得到下图所示的镜像电流源电路。,两者关系好比物与镜中的物像一样。,将上述原理推广，可得多路镜像电流源，如图所示。,可见，各路电流更接近Ir，并且受的温度影响也小。,加了V5管后,在集成电路中，多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的，图示电路就是一个例子。,三、比例电流源 如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系，可采用图示的比例电流源电路。由图可知,当两管的射极电流相差不大时：,若1，则IE1Ir，IE2IC2
4、，,IE1 R1IE2R2,可得,四、微电流电流源 在集成电路中，有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电流源，Rr势必过大。这时可令比例电流源电路中的R1=0，便得到图示的微电流电流源电路。,R1=0,当11时，IE1Ir，IE2IC2，由此可得,上式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算出所需的电阻R2。如已知Ir=1mA，要求IC2=10A时，则R2为,如果UCC=15V，要使Ir=1mA，则Rr15k。,由此可见，要得到10A的电流，在UCC=15V时，采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27k。如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5M。,五、负反馈型电流源 以上介绍的几种电
5、流源，虽然电路简单，但有两个共同的缺点：一是动态内阻不够大，二是受变化的影响较大。解决方法：引入电流负反馈，如图示威尔逊电流源。,输出电流的自动调整过程如下,若1=2=3= ，可求得,利用交流等效电路，可求出动态内阻,下图给出了另一种反馈型电流源电路。它由两个镜像电流源串接在一起组成，故称串接电流源。,六、有源负载放大器,Ro=rce,为了提高单级放大器的电压增益，集成运放中多以电流源作其有源负载。原理如下：,典型的有源负载共射放大电路如图所示。图中，V2、V3管构成镜像电流源作V1管的有源负载，即可获得极高的电压增益。,IC1IC3 = IC2 = IO,反相共射放大电路,同相共射放大电路,
6、6.3 差动放大电路,6.3.1 零点漂移现象,6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析,6.3.3 耦合元件采用电流源的差动放大电路,6.3.1 零点漂移现象,等效输入漂移电压,显然，UiP 越小，放大器抑制零点漂移的性能越好。,如何克服零点漂移？,由于电路结构上的特点，差动电路能有效地克服零点漂移。,.在多级电路中，重点在于减小输入级的零点漂移。,.减小输入级漂移的关键在于减小等效输入漂移电压。,抵消零点漂移的基本思想：差动放大器的电路构成原理,6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析 如图所示，它由两个完全相同的共射放大电路通过射极连接组成，并经公共电阻RE将它们耦 合在一起，所以也
7、称为 射极耦合差动放大器,单端输出：UO1或UO2到地输出,差动电路有两个基极输入 端和两个集电极输出端：,双端输出：UO=UO1-UO2 输出,差动电路的静态工作点分析 为了使放大器输入端的直流电位为零，通常都采用正、负两路电源供电。由于V1、V2管参数相同，电路结构对称，所以两管工作点必然相同。,对差模信号，电阻RE相当对地短路（即射极为虚地）。,一、差模放大特性,差模信号: 一对大小相等、相位相反的信号，称为差模信号。即Ui1=Uid1，Ui2=Uid2，而Uid1= -Uid2。,差模地电位,差模等 效通路,IE1=IE2,负载电阻RL的中点相当差模地电位。,差模输入电压 Uid=Ui
8、1Ui2 =Uid1Uid2,当输入为差模正弦信号时，输入与输出端波形的相位关系，如图所示。,下面利用等效通路计算差动放大器的各项差模指标。,1. 差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。,输入差模电压为,可见，双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。,在双端输出时，输出电压为,Uid1= -Uid2。,可见，这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半，且两输出端信号的相位相反。,单端输出时，则,或,需要指出，若单端输出时的负载RL接在一个输出端到地之间，则计算Aud时，总负载应改为RL=RCRL。,2. 差模输入电阻 差模输入电阻定义为差模输入
9、电压与差模输入电流之比。由图可得,3. 差模输出电阻 双端输出时为,单端输出时为 Rod(单) = RC,二、共模抑制特性 共模信号：一对大小相等、相位相同的输入信号，称为共模信号，即Ui1=Ui2=Uic。,可见:对共模输入信号，相当每管射极各接有2RE的电阻。,共模等 效通路,IE1=IE2,1.共模电压放大倍数 双端输出时的共模电压放大倍数定义为,当电路完全对称时， Uoc1=Uoc2 Auc=0,单端输出时共模电压放大倍数,可见，由于射极电阻2RE的负反馈作用，差放对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻RE越大，则抑制作用越强。,在差动电路中，因温度变化、电源波动等引起的两差放管等
10、效输入漂移电压，相当一对共模电压，由于RE的负反馈作用，使得每管的输出漂移大为减小。如果双端输出，则被完全抵消。这正是差动电路能有效克服零点漂移的根本原因。,2. 共模输入电阻 由图不难看出，共模输入电阻为,3.共模输出电阻,单端输出时为,三、共模抑制比KCMR 为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，引入参数共模抑制比KCMR。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即,KCMR也常用dB数表示，并定义为,KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。 在双端输出理想对称的情况下，因Auc=0，所以KCMR趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此KCMR 为一
11、有限值。,在单端输出时的不对称情况下， KCMR 必然减小。由其增益式可求得,四、对任意输入信号的放大特性 如果在差动放大器的两个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2，它们可以分别表示为,差模输入电压为,双端输出时，因为Auc=0，所以,单端输出时，只要共模抑制比足够高， 则,由此可见，在任意输入信号下，差动放大器将和信号的一半作为共模分量加以抑制，而将差信号作为差模分量加以放大。当KCMR足够高时，无论双端还是单端输出，差动放大器只放大两输入端的差信号。,电路意义,差动放大器的输入方式,1.双端输入方式,2.单端输入方式,无论哪种输入方式， 差动放大器只放大两输入端的差信号。,差动放大器放大
12、性能小结,6.3.3 耦合元件采用电流源的差动放大电路,如何进一步提高共模抑制比KCMR？,用电流源代替RE，可以大大提高共模抑制比！,一种用单管电流源代替RE的差动放大电路如图所示。,简化 电路,采用恒流源后的差动放大器，其差模指标没有发生变化。此时的共模电压放大倍数，无论双端输出还是单端输出都近似为零，因而共模抑制比趋于无穷大。,此外，由于电流源的输出端电位允许在很大范围内变化，因此扩大了差动放大器的共模输入电压范围。,对于图示电路,且,否则，差放管V1、V2或恒流管V3将进入饱和，使电路不能正常工作。,6.3.4 差动放大器的传输特性,由图可知,而,在图示电路中，设恒流源电流 I 小于差
13、放管的集电极临界饱和电流，即IUCC/RC，从而使差放管的工作点偏向截止区。,可见，iC1和iC2与输入差模电压成双曲线正切函数关系。,故有,电流传输特性：,电压传输特性,电流传输特性曲线,电压传输特性曲线,1. 在任意时刻，两管集电极电流之和恒等于I 当uid=0时，差动电路处于静态，这时iC1=iC2=ICQ=I/2。当差模电压输入时，一管电流增大，另一管电流减小，且增大量等于减小量，两管电流之和恒等于I。,分析传输特性曲线，可以得出如下结论：,2. 传输特性具有非线性特性,. 在Q点附近，当|uid|UT(26mV)，传输特性近似为一段直线。这表明iC1、iC2和uo与uid成线性关系。
14、,可见，差动电路作为线性放大器时，其差模输入动态范围很小，应限制在UT （26mV）之内。,扩展传输特性线性区范围的方法,V,1,V,2,U,EE,I,电阻Re（RB）越大，扩展的线性区范围越大。,+ Uid ,扩展后的电流传输特性曲线,+ Uid ,此时,. 当| uid | 4UT(即超过100mV)时，传输特性趋于水平，这表明差动电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性或电流开关特性。此时，一管截止，恒流源电流全部流入另一管（但不饱和）。,iC2=0 iC1=I,iC1=0 iC2=I,限幅特性应用举例,可见，将输入正弦波变换为近似方波。,3. 差动放大器的增益与I成正比 由电流传输特性曲
15、线可知，小信号(26mV)工作时，在工作点处，iC受uid的线性控制，其控制作用的大小可以用跨导gm来衡量。gm定义为工作点处，双端输出电流的变化量iC与输入差模电压变化量uid之比，即,因为iC=i-i2=2i， 所以上式变为,gm1反映在传输特性上，是在uid =0处的斜率。在uid =0处，对下式求导,即,可得,可见，gm和Aud均与恒流源电流I成正比。,一、差动放大器的失调 理想对称的差动放大器，当输入信号为零时，双端输出电压应为零。但是在实际电路中，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。,关于差动放大器的失调及温漂讨论,在零输入时输出电压不为零的现象，称为差
16、动放大器的失调。,为了使双端输出电压为零： 在输入端所加补偿电压。称为 输入失调电压，用UIO表示； 所加的补偿电流称为输入失 调电流，用IIO表示。,差动放大器的调零电路,此时,差动放大器虽然可以通过调零措施，在某一时刻补偿失调，作到零输入时零输出，但是失调会随温度的改变而发生变化。对这种随机的变化，任何调零措施还作不到理想跟踪调整。 因此，差动放大器仍有零点的温度漂移(简称温漂)现象。,二、失调的温度漂移,失调电压的温漂与失调电压本身的大小成正比。,失调电流的温漂主要取决于的温度系数和失调电 流本身的大小。,可见，为了减小失调的温漂，首先要减小失调本身。,作业 6-4， 6-5， 6-6， 6-10,例差动放大器如图所示。 1.若UCC=UEE=12V， R1=6k，R2=2k, R3=6k，RC=6k，RL=6k, =100，r be1= r be2=3
