集成运算放大器电路-模拟电子电路-PPT精选全文完整版

第4章 集成运算放大器电路
4―3―2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参
数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接 并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极 耦合差动放大器。
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
第4章 集成运算放大器电路
IC2
R1 R2
Ir
(4―7) (4―8)
第4章 集成运算放大器电路
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
UCC
Ir
UCC U BE1 Rr R1
UCC Rr R1
(4―9)
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
＋
UBE1 －
IE1
R1
IB2 ＋
UBE2 － R2
(4―11)
Ir
IC1
IB3
IC1
IC3
IC1 IC2,
IC3
3 1 3
IE3
IE3
IC2
IC1
1
IC2
2
若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各
式可得
IC3
(1 2ຫໍສະໝຸດ 222)Ir
(4―12)
第4章 集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
Ro 2 rce
4―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。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
第4章 集成运算放大器电路
一、单管电流源电路
图4―2(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特 性曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也 不击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从 集电极看进去相当于一个恒流源。由交流等效电路知， 它的动态内阻为rce ，是一个很大的电阻。为了使IC更 加稳定，可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)， 便得到图4―2(b)所示的单管电流源电路。图4―2(c)为该 电路等效的电流源表示法，图中Ro为等效电流源的动态 内阻。利用图4―2(b)电路的交流等效电路可以证明，Ro 近似为
UCC
RC
RC
RL
UC1 ＋ Uo － UC2
V1
V2
Ui1
Ui2
RE
IC1Q
IC 2Q
I E1Q
I E 2Q
1 2
I
UE1Q UE2Q UCC 0.7 IC1Q RC
UC1Q UC 2Q UCC IC1Q RC
－UEE
图4―12 基本差动放大器
第4章 集成运算放大器电路
首先来分析图4―12电路的静态工作点。为了使差 动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。由图可知，当Ui1=Ui2=0时：
第4章 集成运算放大器电路
V3
uo
ui
V1
UCC V2
Rr
V3 ΔIC3
ΔIC1
ui
V1
UCC V2 ΔIC2
uo
I
(a)
(b)
图4―10 (a)共射电路；(b)具有倒相功能的共射电路
第4章 集成运算放大器电路
图 4―10(b) 为 另 一 种 接 法 的 有 源 负 载 共 射 电 路 。 V3 ,V2管组成镜像电流源作V1管的有源负载，而输出取 自恒流管V2的集电极。
Rr Ir
UCC V3
IC2
IC3
(a)
(b)
图4―5 (a)三集电极横向PNP管电路；(b)等价电路
第4章 集成运算放大器电路
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4―6所示的比例电流源电路。由图可知
因为 所以
UBE1 IE1R1 UBE2 IE2R2
U BE1
第4章 集成运算放大器电路
IC 0
IC
IC
R1
IB
Ro
R2
R3
UCE
－ UEE
(a)
(b)
(c)
图4―2 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路； (c)等效电流源表示法
第4章 集成运算放大器电路
Ro
rce(1
rbe
R3
R3
RB )
(4―1)
式中，RB=R1‖R2。 需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即
第4章 集成运算放大器电路
关于集成电路的制造工艺见附录A。 集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的 组成结构看，一般是由输入级、中间放大级、输出级 和电流源四部分组成，如图4―1所示。
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输
中
输
Ui
入
间
出
级
级
级
Uo
电流源电路
图4―1 集成运算放大器组成框图
第4章 集成运算放大器电路
要保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。
第4章 集成运算放大器电路
二、镜像电流源
在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。
为此，用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短 接在一起来代替电阻R2和R3，便得到图4―3所示的镜 像电流源电路。由图可知，参考电流Ir为
Ir
UCC U BE Rr
UCC Rr
(4―2)
由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。
由图可知
IC2
IC1
Ir
2 I B1
Ir
2
IC2
1
(4―3)
Ir
UCC U BE Rr
UCC Rr
IC2
IC1
Ir
2 I B1
Ir
2
IC2
1
IC2
1I r 21
第4章 集成运算放大器电路
V2 IE2
四、微电流电流源
第4章 集成运算放大器电路
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。这时可令图4―6电路 中的R1=0,便得到图4―7所示的微电流电流源电路。
由式(4―5)、(4―6)可知，在R1=0时：
IE2
1 R2
(U BE1
UBE2 )
UT R2
ln
Ir IC2
五、负反馈型电流源
第4章 集成运算放大器电路
以上介绍的几种电流源，虽然电路简单，但有两 个共同的缺点：一是动态内阻不够大，
UCC
Ir
Rr
IC1
IB3
V1
IC3 V3
IE3
IC2 V2
图4―8 威尔逊电流源
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又
Ir
UCC
U BE3 Rr
U BE2
UCC
2U BE Rr
I E1 IE2
当β1>>时，IE1≈Ir,IE2≈IC2，由此可得
R2
UT IC2
ln
Ir IC2
(4―10)
UCC
Ir
Rr
V1
第4章 集成运算放大器电路
IC2 V2
R2
图4―7微电流电流源
第4章 集成运算放大器电路
此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算
出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10μA时，
UT
ln
I E1 IS1
U BE 2
UT
ln
IE2 IS2
IS1
IE2 IS2
UBE1 UBE2
UT
ln
I E1 IE2
UT
ln
IE2 I E1
(4―5) (4―6)
UBE1 IE1R1 UBE2 IE2R2
U BE1
UT
ln
I E1 IS1
U BE2
UT
ln
IE2 IS2
IS1 IS2
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4―5(a)电路就是一个例子。它利用一 个三集电极横向PNP管组成双路电流源(横向PNP管是 采用标准工艺，在制作NPN管过程中同时制作出来的 一种PNP管，详见附录A)，其等价电路如图4―5(b)所 示。
第4章 集成运算放大器电路
UCC
Rr
4―4所示。图中为三路电流源，V5管是为了提高各路 电流的精度而设置的。因为在没有V5管时，IC1=Ir-4IB1, 加了V5管后， IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β5)，故此可得
第4章 集成运算放大器电路
IC2
IC3
IC4
1(1 5) 1(1 5) 4
Ir
(4―4)
因β1(1+β5)4容易满足，所以各路电流更接近Ir，并 且受β的温度影响也小。
则R2为
R2
26 10
10 3 10 6
ln
1000 10
12k
如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr≈15kΩ。
由此可见，要得到10μA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27kΩ。 如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5MΩ。
R2
UT IC2
ln
(4―15) (4―16) (4―17)
可见，静态时，差动放大器两输出端之间的直流 电压为零。下面分析差动放大器的动态特性。分析过 程中特别提醒读者注意射极公共电阻RE的作用。
第4章 集成运算放大器电路
一、差模放大特性
如果在图4―12差动电路的两个输入端加上一对大 小相等、相位相反的差模信号，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而 Uid1=-Uid2。由图可知，这时一管的射极电流增大，另 一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。 因此流过RE的信号电流始终为零，公共射极端电位将 保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可 视为差模地端，即RE相当对地短路。
I E1 IE2
UT ln 10 60mV
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时 两 管 UBE 电 压 (>600mV) 的 10% 。 因 此 ， 可 近 似 认 为 UBE1≈UBE2。这样，式(4―5)简化为
IE1R1 IE2R2
若β1，则IE1≈Ir, IE2≈IC2,由此得出
(4―13)
可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且 输出电流受β的影响也大大减小。
图4―9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。关 于它的稳流原理留给读者自行分析。
UCC
Ir
Rr
V1
V4
第4章 集成运算放大器电路
IC2 V2 V3
图4―9 串接电流源
Ir
V5
Ir Ic1 I B5
I c1
IE5
5 1
V1
I c1
4I B1
5 1
I c1
4 I c1
1(5 1)
IC1
IC2
IC3
IC4
1(1 5 ) 1(1 5 ) 4
Ir
IC2
IC3
IC4
V2
V3
V4
图4―4 多路镜像电流源
UCC
Rr
Ir
IC1 IC2
IC3
第4章 集成运算放大器电路
V1
V2
第4章 集成运算放大器电路
第4章 集成运算放大器电路
4―1 集成运算放大器的特点 4―2 电流源电路 4―3 差动放大电路 4―4 集成运算放大器的输出级电路 4―5 集成运放电路举例 4―6 MOS集成运算放大器 4―7 集成运算放大器的主要性能指标
第4章 集成运算放大器电路
4―1 集成运算放大器的特点
集成运放是一种多级放大电路， 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。 与此同时， 在电路的选择及构成 形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。 因此， 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。
第4章 集成运算放大器电路
4―3 差动放大电路
4―3―1零点漂移现象 单级共射放大器如图4―11所示。由前面讨论可知，
在静态时，由于温度变化、电源波动等因素的影响， 会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上 下漂动。
RB
＋ ΔUip
－
第4章 集成运算放大器电路
UCC RC
ΔUC
图4―11 放大器的零点漂移
UE UBE 0.7V 则流过RE的电流I为
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
(4―14)
故有
第4章 集成运算放大器电路
IC1Q
IC 2Q
I E1Q
I E 2Q
1 2
I
UE1Q UE2Q UCC 0.7 IC1Q RC
UC1Q UC 2Q UCC IC1Q RC
第4章 集成运算放大器电路
六、有源负载放大器
集成运放要有极高的电压增益，这是通过多级放大 器级联实现的。在电压增益一定时，为了减少级数，就 必须提高单级放大器的电压增益。因此，在集成运放中， 放大器多以电流源作有源负载。典型的有源负载共射放 大电路如图4―10(a)所示。图中，V2,V3管构成镜像电流 源作V1管的集电极负载。由于该电流源的动态内阻为rce3， 所以此时V1管的电压增益只需将共射增益表达式中的RC 用rce3取代即可。当实际负载RL通过射随器隔离后接入， 则该级放大器可获得极高的电压增益。
U BE1 U BE2
UT
ln
I E1 IE2
UT
ln
IE2 I E1
第4章 集成运算放大器电路
UCC
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
＋
－ UBE1
IE1
R1
IB2 ＋
UBE2－ R2
V2 IE2
图4―6比例电流源
第4章 集成运算放大器电路
当两管的射极电流相差10倍以内时：
UBE1 UBE2
UT
ln
UCC
Rr
Ir
IC1 V1
IC2 V2
图4―3 镜像电流源
因此可得
IC2
1I r 21
第4章 集成运算放大器电路 (4―3)
如果β11,则IC2≈Ir。可见，只要Ir一定，IＣ2就恒定； 改变Ir,IC2也跟着改变。两者的关系好比物与镜中的物 像一样，故称为镜像电流源。
将上述原理推广，可得多路镜像电流源，如图