集成電路運(yùn)算放大器

6.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源

電流源是提供恒定電流的電子線路，在模擬集成電路中，廣泛的使用電流源為放大器提供穩(wěn)定的偏置電路或作為放大電路的有源負(fù)載。

電路如圖所示，設(shè)T1、T2的參數(shù)完全相同。即

VBE1=VBE2,E1=E2,

CEO1=CEO2,C1=C2,1=2，

鏡像電流源電路適用于較大工作電流(毫安數(shù)量級(jí))的場(chǎng)合，若需減小

C2的值，必要求R的值很大，而這在集成電路中難以實(shí)現(xiàn)。因此需要研究改進(jìn)型的電流源。1.鏡像電流源

當(dāng)

較大時(shí)，

B

可以忽略，所以

C2

近似等于基準(zhǔn)電流

REF,

2.微電流源在T2的射極電路接入電阻Re2,當(dāng)基準(zhǔn)電流

REF一定時(shí),C2可確定如下：

利用兩管基-射極電壓差VBE可以控制輸出電流

C2。由于VBE的數(shù)值小,故用阻值不大的Re2即可獲得微小的工作電流由于T1對(duì)T2有溫度補(bǔ)償作用，所以

C2的溫度穩(wěn)定性較好。

由于電流源具有直流電阻小而交流電阻很大的特點(diǎn)，在模擬集成電路中，廣泛的把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。

如圖所示電流源作為集電極負(fù)載。電流

C2=C1等于基準(zhǔn)電流

C3(REF)。同時(shí)，電流源常用作射極負(fù)載。IC23.電流源用作有源負(fù)載6.2差分式放大電路直接耦合：將前級(jí)的輸出端直接接后級(jí)的輸入端。可用來(lái)放大緩慢變化的信號(hào)或直流量變化的信號(hào)。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2––++RE2零點(diǎn)漂移：指輸入信號(hào)電壓為零時(shí)，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化的現(xiàn)象。uotO產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化。其中晶體管的特性對(duì)溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。一、零點(diǎn)漂移現(xiàn)象即ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。克服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電路：差分放大電路

若由于溫度的升高IC1增加1%，試計(jì)算輸出電壓Uo變化了多少？已知：UZ=4V，UBE=0.6V，RC1=3k，RC2=500，

1=

2=50。溫度升高前，IC1=2.3mA，Uo=7.75V。IC1=2.31.01mA=2.323mAUC1=UZ+UBE2=4+0.6V=4.6V例：uZ–++UCC12VuoRC2T2ui=0RC1R1T1R2––++RDZUC1IB2已知：UZ=4V，UBE=0.6V，RC1=3k，RC2=500，

1=

2=50。溫度升高前，IC1=2.3mA，Uo=7.75V。例：uZ–++UCC12VuoRC2T2ui=0RC1R1T1R2––++RDZIC2=

2?

IC2=500.147mA=7.35mA

Uo=8.325－7.75V=0.575V

提高了7.42%

可見(jiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于溫度的變化，輸出電壓發(fā)生了變化即有零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。IB2UC1零點(diǎn)漂移的危害：直接影響對(duì)輸入信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和分辨能力。嚴(yán)重時(shí)，可能淹沒(méi)有效信號(hào)電壓，無(wú)法分辨是有效信號(hào)電壓還是漂移電壓。

一般把溫度升高10C時(shí)，輸出漂移電壓折合到輸入端的等效漂移電壓作為衡量零點(diǎn)漂移的指標(biāo)。輸入端等效漂移電壓輸出端漂移電壓電壓放大倍數(shù)

只有輸入端的等效漂移電壓比輸入信號(hào)小許多時(shí)，放大后的有用信號(hào)才能被很好地區(qū)分出來(lái)。

由于不采用電容，所以直接耦合放大電路具有良好的低頻特性。通頻帶f|Au

|0.707|Auo|OfH|Auo|幅頻特性

抑制零點(diǎn)漂移是制作高質(zhì)量直接耦合放大電路的一個(gè)重要的問(wèn)題。

適合于集成化的要求，在集成運(yùn)放的內(nèi)部，級(jí)間都是直接耦合。一、差動(dòng)放大電路的工作情況

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。差動(dòng)放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。差動(dòng)放大原理電路

+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出兩管靜態(tài)工作點(diǎn)相同二、差動(dòng)放大電路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)

IC

VC

（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。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T2VC1VC21.零點(diǎn)漂移的抑制2.有信號(hào)輸入時(shí)的工作情況

兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大能力。(1)共模信號(hào)

ui1=ui2

大小相等、極性相同

差動(dòng)電路抑制共模信號(hào)能力的大小，反映了它對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制水平。+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+–ui1ui2++––T2共模信號(hào)需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T22.有信號(hào)輸入時(shí)的工作情況兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，(2)差模信號(hào)

ui1=–ui2

大小相等、極性相反uo=(VC)－(-VC)=2VC即對(duì)差模信號(hào)有放大能力。+–+–+–+–+–+–差模信號(hào)是有用信號(hào)(3)比較輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號(hào)差模信號(hào)

放大器只放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值信號(hào)—差動(dòng)放大電路。(3)比較輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。

這種輸入常作為比較放大來(lái)應(yīng)用，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是常見(jiàn)的。

共模信號(hào)為：差模信號(hào)為：（4）、差分放大電路的輸入輸出形式1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）

2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）

3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）

4.單端輸入、單端輸出（單入單出）差動(dòng)放大器共有四種輸入輸出方式:

差模電壓增益共模電壓增益差模輸入電阻輸出電阻主要討論的問(wèn)題有：

如圖所示，它由兩個(gè)特性相同的BJT，T1、

T2組成對(duì)稱電路，電路參數(shù)也對(duì)稱，即RC1=RC2=RC三、基本差分式放大電路

1.工作原理

(1)靜態(tài)分析當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)電壓時(shí)，輸出信號(hào)電壓Vo也為0。

(2)動(dòng)態(tài)分析當(dāng)在電路兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等、極性相反的信號(hào)電壓時(shí)，一管電流將增加，另一管電流則減小，所以輸出信號(hào)電壓不為0，輸出端間有信號(hào)電壓輸出。這種輸入方式稱為差模輸入。2.主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算

(1)差模電壓增益

a.雙端輸入雙端輸出

當(dāng)集電極c1、c2兩點(diǎn)間接入負(fù)載電阻RL時(shí),

綜上分析可知，在電路完全對(duì)稱、雙端輸入、雙端輸出的情況下，基本差分式電路與單邊電路的電壓增益相等。可見(jiàn)，該電路是用成倍的元器件以換取抑制零點(diǎn)漂移的能力。

b.雙端輸入單端輸出如輸出電壓取自其中一管的集電極(Vo1或Vo2)，則稱為單端輸出，其電壓增益只有雙端輸出時(shí)的一半，即

(2)共模電壓增益

a.雙端輸出如圖所示，當(dāng)從兩管集電極輸出時(shí)，由于電路的對(duì)稱性，其輸出電壓VOC約為0，而

要達(dá)到電路完全對(duì)稱是不易的，即使這樣這種電路抑制共模信號(hào)的能力也是很強(qiáng)的。

b.單端輸出

由上式可知，ro越大，AVC1越小，它抑制共模信號(hào)能力越的強(qiáng)。（CommonModeRejectionRatio)

全面衡量差動(dòng)放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力。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)。（3）共模抑制比共模抑制比

在基本差分式放大電路中若電路完全對(duì)稱，則共模抑制比的表達(dá)式為：

由上式可知，恒流源的交流電阻ro的數(shù)值越大，抑制共模信號(hào)的能力愈強(qiáng)。四、FET差分式放大電路

由BJT組成的差分式電路對(duì)共模輸入信號(hào)有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力，但它的差模輸入阻抗很低。因此，高輸入阻抗模擬集成電路中，常采用輸入電阻高、輸入偏置電流很小的FET差分式放大電路。帶恒流源的JEFT差分式放大電路

如圖所示為帶恒流源的JEFT差分式放大電路。其中JEFT，T1、T2是差分對(duì)管，BJT，T3、T4及R1、R2、R3組成恒流源電路，用于抑制共模信號(hào)，該電路是單入單出差分式放大電路。

式中g(shù)m

為T(mén)1、T2的互導(dǎo)；Rd=Rd1=Rd2其差模電壓增益為：6.3集成運(yùn)放基本知識(shí)一、通用型集成運(yùn)放(OperationalAmplifier)的組成1.模擬集成電路的特點(diǎn)1)

直接耦合：采用差分電路形式，元件相對(duì)誤差小；2)

大電阻用恒流源代替，大電容外接；3)

二極管用三極管代替(B、C極接在一起)；4)

高增益、高輸入電阻、低輸出電阻。2.組成方框圖輸入級(jí)：差分電路，大大減少溫漂。中間級(jí)：采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級(jí)：OCL電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)偏置電路：鏡像電流源，微電流源。輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+

uouid+UCC–UEEuou–u+3電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放

。

中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。

二、通用型集成電路運(yùn)算放大器如圖所示為741模擬集成電路的原理圖。

1.偏置電路

741型集成運(yùn)放由24個(gè)BJT、10個(gè)電阻和一個(gè)電容所組成。在體積小的條件下，為了降低功耗以限制溫升，必須減小各級(jí)的靜態(tài)工作電流，故采用微電流源電路。圖中由

+VCCT12R5T11-VEE

構(gòu)成主偏置電路決定偏置電路的基準(zhǔn)電流

REF。輸入級(jí)的偏置電路本身構(gòu)成反饋環(huán)，可減小零點(diǎn)漂移。

2.輸入級(jí)圖中由T1--T6組成的差分式放大電路，由T6的集電極輸出，T1、T3和T2、T4組成共集–共基復(fù)合差分電路。T1、T2組成共集電路可以提高輸入阻抗，T3、T4組成共基電路和T5、T6和T7組成的有源負(fù)載，有利于提高輸入級(jí)的電壓增益、最大差模輸入電壓并擴(kuò)大共模輸入電壓范圍，同時(shí)改善頻率響應(yīng)。

a.當(dāng)輸入信號(hào)Vi=0時(shí)，差分輸入級(jí)處于平衡狀態(tài)，輸出電流io1=0；

b.當(dāng)接入信號(hào)Vi并使同相輸入端為+，反相輸入端為-時(shí)，差分輸入級(jí)的輸出電流為兩邊輸出電流變化量的總和，使單端輸出的電壓增益提高到近似等于雙端輸出的電壓增益。

c.當(dāng)輸入為共模信號(hào)時(shí)，iC3和iC4相等，io1=0，從而使共模抑制比大為提高。

3.中間級(jí)由T16、T17組成復(fù)合管共射極放大電路，集電極負(fù)載為T(mén)13B所組成的有源負(fù)載，其交流電阻很大，故本級(jí)可以獲得很高的電壓增益，同時(shí)也有較高的輸入電阻。

4.輸出級(jí)本級(jí)是由T14和T20組成的互補(bǔ)對(duì)稱電路。整個(gè)電路要求當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)輸出也應(yīng)為零。三、集成運(yùn)算放大器電路符號(hào)及理想化條件1.運(yùn)放的符號(hào)習(xí)慣用符號(hào)uid+VCC–VEE國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)uouid+VCC–VEE8直流電源接法(VCC=VEE)等效電路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相端輸入電壓u-

—反相端輸入電壓uid—差模輸入電壓uid=u

–

u+Aud—開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

uo=Aud(u+–u

)1)

Aud

2.運(yùn)放特性的理想化6)UIO0，IIO0理想運(yùn)放：4)

KCMR

5)BW

2)

Rid

3)Ro

0傳輸特性O(shè)uiduoUomax–Uomax理想線性區(qū)實(shí)際uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–4.理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的兩個(gè)特點(diǎn)1)u+>u–時(shí)，uo=Uomaxu+<u–時(shí),

uo=–UOmax2)i+

i–

0(虛斷)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個(gè)特點(diǎn)1)

u+

u–(虛短)證：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–u–=uo/Aud

02)

i+

i–

0

(虛斷)證：i+=uid/Rid

0同理i–

0第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符號(hào)國(guó)標(biāo)字母器件類型數(shù)字品種字母工作條件字母封裝符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義C中國(guó)制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS線性放大音響電視穩(wěn)壓器接口電路非線性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封閉扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金屬菱形金屬圓形四、集成電路器件命名及主要性能指標(biāo)1.國(guó)標(biāo)GB-3430-82對(duì)集成電路的規(guī)定2.主要參數(shù)1)

輸入失調(diào)電壓

UIO使UO=0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓2)

輸