[信息与通信]第6章运算放大器.ppt

,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,线性集成电路 运算放大器 集成稳压器 功率放大器,一、特点: 1.直接耦合 2.偏置电流较小 3.几十R几十千 4.有源负载代替大电阻、恒流源、T代替D 5.对称性好、差动、 电流源 6.用复合管改进单管性能,第六章 集成运算放大器,Integrated operational amaplifier,集成电路的工艺特点：,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,二、集成运放的基本组成单元,输入级的作用：提供与输出端成同相和反相关系的两个输入端，对其要求是温度漂移要尽可能地小。 中间级：主要完成电压放大。 输出级：向负载提供一定的功率，属于功率放大。 偏置电路:向各级提供稳定的静态工作电流。 辅助环节：电平偏移电路、调零电路、过流保护电路。,多级放大电路Multistage amplifier,一、概述,三种耦合方式：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合 耦合电路的形式,三种耦合方式的特点,1.阻容耦合 1)各级Q独立 2）选择较大的耦合电容可以不衰减传递的信号。 3）不适于放大缓慢变化和直流信号 4）不易集成 2 .直接耦合 1）可放大交、直流信号 2）便于集成 3）Q不独立 4）有零点漂移和电平偏移现象,3 .变压器耦合transformer-coupled 1）各级Q独立 2）利用变压器原边、次边不同的变化，提高放大作用和输出功率 3）不能反映缓慢变化和直流信号,对高、低频信号产生附加相移。 4）不易集成、笨重,二、动态参数的计算 1.电压放大倍数Au,前级,后级,将此结果推广到n级：,2.输入、输出电阻 ri=ri1 ro=ron,声控自动门前级,6.1 集成运算放大器中的电流源,(1)电流源电路是一个电流负反馈电路， 并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿， 以减小温度对电流的影响。,(2)电流源电路用于模拟集成放大器中 以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。,(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、 动态范围大的特性。,电 流 源 概 述,(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。,(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。,(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜象电流源、精密电流源、 微电流源、多路电流源等。,三极管基本电流源,用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。分压偏置基本放大电路就具有这一功能，其电路如图所示。,分压偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，具有稳流特性。电压源的内阻小，电流源的内阻大，内阻越大稳流特性越好。,(a) (b) 三极管电流源,1. 镜像电流源,基准电流：,无论Rc的值如何， IC2的电流值将保持不变。,一 电流源电路,因为：,所以：,6.1 集成运算放大器中的电流源,IREF=IC1+2IB ，IC2=IB=IC1 由此得：,若 1，则IC2=IC1 IREF,2,电路优点,结构简单，并具有一定的温度补偿作用。 缺点： 1.受VCC影响大，当VCC变化时，IC2几乎同样随之变，不适应电源电压在大幅度变动下运行。 2.要求小电流时，如微安级，要求R大。 3.电流源输出电阻不够大。 4.当值不够大时，IC2与IRFE相差大。,为解决4，在电路中接入T0，利用T0的电流放大作用，减小IB对IREF的分流作用，提高了IC1与IREF互成镜像的精度。为了避免T0的电流过小而使0下降，常在T0的射极加一电阻Re0，使IE0增大。,所以IC2也很小,2. 微电流源Micro-current source,为了使IC2为弱电流时,R值仍然不大，在镜像电流源的基础上，引入一个电阻Re到V2的发射极如图所示。此时UBE2UBE1。因此，即使IC1较大，但由于Re 的存在，将IC2IC1，即在R不大情况下，也能满足IC2比较小的要求。此外，Re引入电流负反馈，也提高TV2的集电极输出电阻，它更接近于理想的恒流源 由图可得:,多路电流源,各管基极电位相等，即,UBE0+IE0R0=UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2=UBE3+IE3R3,各管的UBE相等，因此有：,依次类推。,比例电流源,MOS管多路电流源,理想电流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点。,恒流源的作用：1.提供放大电路的偏置电流； 2.替代交流大电阻；,带恒流源的差分放大器,3. 电流源的应用,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，,因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。,放大管,电流源作有源负载 Active load,镜像电流源 比例电流源 微电流源,加射极输出器的电流源 威尔逊电流源,基于比例电流源的多路电流源,零漂现象：,输入Vi=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,6.2差分式放大电路differential amplifier,1 直耦放大电路的特殊问题零点漂移,产生零漂的原因：,温漂是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。,这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化称零点漂移-零漂。严重时会淹没有用信号。,衡量：将输出漂移电压折合到输入端来衡量。,当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,当输入端短路时输出将随t缓慢变化，如图,若第一级漂了100 V，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,例如,解决方法：,差动放大电路,要求：两边电路参数完全对称，两管的温度特性也完全对称，信号由两管的基极输入，两个集电极取出。,一、基本形式,1=2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,当ui=0时,uo=uc1-uc2= 0。 当T ic uc1、uc2 uo= uc1- uc2=0。 该电路对ui放大作用如何?,1.共模信号及共模电压放大倍数,用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力。差动电路对称性好时，对共模信号的抑制能力强。,共模信号：大小相等、极性相同的信号。用uiC表示。如图，两管基极输入，ui1=ui2= uiC的信号，则uOC=0。,温度或电源电压波动所产生的干扰信号可看成共模信号。,2.差模信号及差模电压放大倍数,差模信号：大小相等，极性相反的信号uid。,uod=uc1-uc2=2uc1（或2uc2） uid=uid1-uid2=2uid1,等于单管的Au，只是,说明对差模信号有放大作用，对共模信号无放大作用。对uic的抑制作用靠电路的对称。,uid1=- uid2,共模抑制比common mode rejection ratio,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,存在问题：,1）电路难以绝对对称，所以还有零漂。 2）单边没有抑制零漂的措施，所以，当温度变化范围很大时，三极管可能饱和或截止，失去放大作用。 3）不适合单端输出。,二.长尾式差动放大电路,1. 差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号。 单端输入仅从一个输入端对地加信号。,2. 差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,1.电路组成,接入Re作用：共模负反馈，对uid没有负反馈作用。,Re大，反馈效果好，但其上的直流压降会使输出电压的变化范围变小。,VEE：补偿Re上的直流压降.,长尾式，e越大，抑制零漂能力越强。但e大为得到同样的工作电流所需要的值也越高，不经济。解决办法：用代替原来的e。,共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,三. 带恒流源的差动放大电路,根据共模抑制比公式：,可以看出：加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re 。,恒流源相当于阻值很大的电阻。,恒流源不影响差模放大倍数。,恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。,恒流源constant current source的作用,带恒流源的差动放大电路,恒流源的直流电流数值为 IE3 =(VZ - VBE3 )/ Re,？,思 考 题,1. 若在基本差动放大电路中增加两个电阻Re（如图所示）。则动态指标将有何变化？,答：,双端输出差模增益,差模输入电阻,单端输出共模增益,？,思 考 题,2. 差动放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：,反相,vC1与vi1,end,同相,vC2与vi1,同相,vC1与vi2,反相,vC2与vi2,反相,vO与vi1,同相,vO与vi2,3. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？,1. 有源负载差动放大电路,T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,二. 差动输入级,输入阻抗高。 T3、T4为横向PNP管lateral PNP，可承受几十伏的反向电压。,2. 共集共基差动输入级,2.FET差分式放大电路,BJT差分式放大电路对共模输入信号有相当强的抑制能力，但它的差模输入阻抗低。高输入阻抗模拟集成电路中，常采用输入阻抗高，输入偏置电流很小的FET差分式放大电路。如图，带恒流源的JFET单入、单出电路。Ri可达1012，输入偏置电流100pA。,Ri可达1012，输入偏置电流100pA,单入-单出JFET、比例电流源式,gm：T1、T2的互导；Rd=Rd1=Rd2,3.NMOSFET差分式放大电路,偏置电路,有源负载,镜像电流源,NMOSFET差分式放大电路： Ri可达1015，输入偏置电流10pA以下。,3.差分式放大电路的传输特性P241,一. 集成运放的总体结构,6.3 集成运算放大器,二. 简单的集成运放,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,集成运算放大器符号,三. 通用型集成运放F007popular type,主偏置电路产生基准电流,微电流源,1.输入失调电压Vio offset voltage 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电压温漂 dVio /dT,6.4 集成运算放大器的主要参数,4.输入失调电流 Iio ： offset current 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIio /dT,3.输入偏置电流IB ：bias current,6.最大差模输入电压Vidmax,7.最大共模输入电压Vicmax,无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ：common mode rejection ratio KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,8.开环差模电压放大倍数 Aod ：,运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,12.转换速率S R (压摆率)：slew rate 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,11.3dB带宽 f H ：,运算放大器外形图,运算放大器外形图,6.5集成运放应用基础,一、低频等效电路,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压±VCC=±10V。 运放的AVO=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,AVO越大，线性区越小， 当AVO时，线性区0,运算放大器的两个工作区域（状态）,1.Aod= 2.rid= 3.输入偏置电流 iB1=iB2=0 4.CMRR= 5.rod=0 三、理想运放工作在线性区和非线性区的特点。 1.工作在线性区的特点 运放工作在线性区时，其输出与输入 之间应满足以下线性关系: UO=Aod(U+-U-) 1）AOd， 可得U+=U-,二、理想运放的条件,即：理想运放同相输入端的电位u+与反相输入端u-相等，但不是短路，称“虚短”virtual short circuit。 2）rid ，故在输入端-和+为0，没有电流流进、流出运放，故I-=0，I+=0。 即：理想运放的输入电流为0，如同该两点断开一样，称“虚断”。 理想运放工作在线性区的条件：引回深度负反馈。,u+,u-,2.工作在非线性区的特点,UO Aod (U+-U-) Aod很大，只要Uid 很小，UO就超出线性范围， 或达到正向饱和电压UOPP（+） 或达到负向饱和电压UOPP（-）。 U+U-，(U+-U-)0时，Uo=Uom (UOH) U+U-，(U+-U-)0时, Uo=-Uom (UOL) I+=I-=0 即理想运放输入电流=0 （rid=0仍成立）,