模拟集成电路及运算放大器的应用 - 图文

第五章 模拟集成电路及运算放大器的应用

教学内容：

电流源工作原理；差分放大电路的分析和计算；集成运算放大器及主要技术指标，理想运算放大器及其组成的各种运算电路,实际运算放大器运算电路的误差分析。 教学要求：

1、熟悉集成运放的组成及各部分作用，正确理解集成运放主要指标的物理意义； 2、了解电流源的工作原理； 3、了解LM324的工作原理及应用 重点、难点：

集成运放的电路组成及各部分作用，集成运放主要性能指标的物理意义及选用。 教学方法：

讲授法、讨论法 教学时数：

12学时 教学过程：

5.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 5.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源

T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2

VBE2=VBE1，IE2=IE1 ，IC2=IC1

当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略

IO?IC2?IREF?动态电阻

VCC?VBE?(?VEE)VCC?VEE?RR

ro?(?iC2?1)?vCE2IB2?rce

一般ro在几百千欧以上

?IC1??IC1?T?????IC0??IR??VR(IRR)??VB??IB?

1. 电路简单，应用广泛；

2. 要求IC1电流较大情况下，R 的功耗较大，集成电路应避免；

3. 要求IC1电流较小时，要求R 数值较大，集成电路难以实现。 2. 微电流源

IO?IC2?IE2?VBE1?VBE2?VBE?Re2Re2

由于?VBE很小，所以IC2也很小

ro?rce2(1?3. 比例电流源

?Re2rbe2?Re2）

VBE0?IE0Re0?VBE1?IE1Re1 VBE?VTlnIEIS

VBE0?VBE1?VTlnIE0IE1

IE1Re1?IE0Re0?VTlnIE0IE1

若???2 时，则IC0?IE0?IR，IC1?IE1 IC1?Re0RVIIR?TlnR?e0IRRe1Re1IC1Re1 VCC?VBE0R?Re0

IR?

4. 组合电流源

T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF T1和T2、T4和T5构成镜像电流源 T1和T3，T4和T6构成了微电流源

IREF?VCC?VEE?VBE1?VEB4R1

5.1.2 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源

IO?ID2?IREF?VDD?VSS?VGSR

当器件具有不同的宽长比时

IO?W2/L2?IREFW1/L1（?=0）

ro= rds2

用T3代替R，T1~T3特性相同，且工作在放大区，当?=0时，输出电流为

?2(VGS2?VT2)2 ?Kn2(VGS2?VT2)2 ID2?(W/L)2Kn2. MOSFET多路电流源

IREF?ID0 ?Kn0(VGS0?VT0)2

ID2?W2/L2IREFW1/L1

ID3?W3/L3IREFW1/L1

ID4?

W4/L4IREFW1/L1

3. JFET电流源

5.2 差分式放大电路

一. 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象：

在直接耦合放大电路中，输入电压vI＝0，输出电压vO≠0的现象。

2. 零点漂移产生的原因： ① 温度变化， ② 直流电源波动， ③ 器件老化等。

其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。 3. 抑制零点漂移的方法： ① 引入直流负反馈， ② 温度补偿， ③ 典型电路：差分放大电路

二. 差分放大电路

差分放大电路是由对称的两个基本放大电路构成的，两个基本电路参数完全相同，管子的特性也完全相同,电路有两个输入端和两个输出端。电路中两只管子的集电极静态电位在温度变化时将时时相等，因此以两集电极电压差作为输出，可以克服温度的漂移。

共模输入和差模输入工作情况： （1）共模输入

两输入端所加信号vI1和vI2大小相同极性（相位）也相同。 由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化相等，即

?iB1??iB2?iC1??iC2

T1管和T2管集电极电位变化也相等： 从而输出电压

?vC1??vC2vO?vC1?vC2?(VCQ1??vC1)?(VCQ2??vC2)?0结论：差分式放大电路对共模信号有很强的抑制作用，在电路参数完全相同的情况下，共模输出为零。 （2）差模输入

两输入端所加信号vI1和vI2大小相同极性（相位）相反。

结论：差分式放大电路对差模信号有放大作用。但由于有射极电阻Re，其放大能力较差。

差分式放大电路的改进电路：

在差模输入情况下，两管发射极电流与其它电流一样，变化量的大小相等，方向相反。 将两个基本放大电路的发射极电阻合并为一个射极电阻Re，则在差模信号的作用下，Re中的电流变化量为零，即Re对差模信号无反馈作用。即Re对差模信号相当于短路，从而提高了对差模信号的放大能力。

一般情况下，差分式放大电路采用双电源供电，右图为典型的差分式放大电路

5.2.1 差分式放大电路的一般结构 1. 用三端器件组成的差分式放大电路

2. 有关概念

vid=vi1?vi2差模信号

vic=1(vi1?vi2)2共模信号 v?ovid差模电压增益 ?v?ovic共模电压增益

Avd=Avc=?——差模信号产生的输出 其中vo??——共模信号产生的输出 vo总输出电压

??vo=v?o?vo?Avdvid?Avcvic

KCMR=AvdAvc 共模抑制比 反映抑制零漂能力的指标

根据 vid=vi1?vi2

有

vi1=vic?vid2

vi2=vic?vid2

共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分

两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。 5.2.2 射极耦合差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理

静态

IC1=IC2?IC?1IO2

VCE1=VCE2?VCC??VCC?ICRc2?VE?VCC?ICRc2?(?0.7V)

IB1?IB2?动态 差模信号:

ICβ

大小相等，极性相反的输入信号。 vI1= -vI2= vId/2。

△iE1=－△ iE2, 所以e点的电位不变 2. 抑制零点漂移原理

温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。

这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。

iC1? i C1 ? ? i E1 ? v E ? ? 和 v? v BE1 BE2 温度? （vB1、 v不变） B2 iC2? ? iE2?

iC2? 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用 3. 主要指标计算

差分放大电路的四种接法：

? i B1 和 ? i B1根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。 双端输入双端输出

3. 主要指标计算

（1）差模情况

双入、双出

vovo1?vo22vo1?RcAvd=????vidvi1?vi22vi1rbe以双倍的元器件换取抑制零漂的能力 接入负载时

1β(Rc//RL)2Avd=?rbe

双入、单出

Avd1=vo1vo1?R1??Avd??cvid2vi122rbe

Avd=?β(Rc//RL)2rbe

接入负载时

单端输入

等效于双端输入 指标计算与双端输入相同

（2）共模情况 双端输出

共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。 所以voc?voc1?voc2?0

共模增益

Avc?voc?0vic

单端输出

Avc1?voc1voc2??RcR????cvicvicrbe?(1??)2ro2ro

ro? ?Avc1?

抑制零漂能力增强

（3）共模抑制比

KCMR?

AAvdKCMR?20lgvd dBAvcAvc，

双端输出，理想情况

KCMR? ?

KCMR单端输出

Avd1??ro??Avc1rbe

KCMR 越大，抑制零漂能力越强

vo1?Avd1vid(1?单端输出时的总输出电压

（4）频率响应

vicKCMRvid)

高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。 差分放大电路四种接法的比较 ① 各种接法输入电阻相同：

② 差模放大倍数、共模放大倍数、输出电阻与输入方式无关，与输出方式有关： ③ 双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模输入。 4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路

CMOS差分式放大电路

5.3 差分式放大电路的传输特性

vBE/VTi?IeEES根据

iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2

又 vO1＝VCC－iC1Rc1

vO2＝VCC－iC2Rc2

可得传输特性曲线 vO1，vO2＝f（vid） vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线

5.4 集成电路运算放大器

5.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573 集成运算放大电路概述 一. 集成运放的特点

1. 直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。 2. 用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。 3. 用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。 4. 采用复合管。 二. 集成运放电路的组成

偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。

输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。

输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。 1. 电路结构和工作原理

2. 电路技术指标的分析计算 (1)直流分析

IREF?Io?VDD?VSS?VSG5V?VSS?VGS5 ?DDRREFRREF

已知VT 和KP5 ，可求出IREF

根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。

IREF?KP5(VGS5?VT)2

(2)小信号分析

vgs1??vidvvgs2??id2,2

设 gm1 = gm2 = gm 则

vidvidvo2?vgs7?io(ro2//ro4)?(id1?id2)(ro2//ro4) ?[gm1(?)?gm2(?)](ro2//ro422??gmvid(rds2//rds4) ?(id4?id2)(ro2//ro4)vo2Av1???gm(rds2//rds4)vid输入级电压增益 第二级电压增益

Av2= vo/ v gs7=－gm7(rds7//rds8)

总电压增益 Av = Av1·Av2 将参数代入计算得 Av = 40884.8（92.2 dB）

5.4.2 集成运算放大器741 原理电路

简化电路

5.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响 5.5.1 实际集成运放的主要参数 输入直流误差特性（输入失调特性）

1. 输入失调电压VIO

在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）?V。高精度运放OP-117 VIO=4?V。MOSFET达20 mV。 2. 输入偏置电流IIB

输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB＝（IBN＋IBP）/2

BJT为10 nA～1?A；MOSFET运放IIB在pA数量级。 3. 输入失调电流IIO

输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO＝|IBP－IBN|

一般约为1 nA～0.1?A。 4. 温度漂移

（1）输入失调电压温漂?VIO / ?T （2）输入失调电流温漂?IIO / ?T

差模特性

1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO

开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT)

2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro

? BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 ? MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω ? 超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA

? 一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω 3. 最大差模输入电压Vidmax

共模特性

1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric

一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放可达140dB，ric≥100MΩ。 2. 最大共模输入电压Vicmax

一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达± 13V。 大信号动态特性 1. 转换速率SR

放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即

SR?dvo(t)dtmax

2. 全功率带宽BWP

指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即

BWP?fmax?SR2πVom

SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/?s以下，741的SR=0.5V/?s而高速运放要求SR＞30V/?s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/?s。 电源特性

1. 电源电压抑制比KSVR

衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV

5.5.2 集成运放应用中的实际问题 1. 集成运放的选用

根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。

2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路

VP?? (IIB?VN?VOIIO)R22R1I?(IIB?IO)(R1//Rf)?VIOR1?Rf2VP?VN

解得误差电压

1??VO?(1?Rf/R1)?VIO?IIB(R1//Rf?R2)?IIO(R1//Rf?R2)?2??

当R2?R1//Rf时，可以消除偏置电流IIB引起的 误差，此时VO?(1?Rf/R1)(VIO?IIOR2)

VIO 和 IIO引起的误差仍存在。当电路为积分运算时，即Rf换成电容C，则 vO(t)??VIO(t)?IIO(t)R2??1 ?VIO(t)dt??IIO(t)R2dtR1C

??时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。 3. 调零补偿

5.6 运算放大器

5.6.1 集成电路运算放大器

1. 集成电路运算放大器的内部组成单元

集成运算放大器的内部结构框图

运算放大器的代表符号

（a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号 2. 运算放大器的电路模型

通常：

? 开环电压增益 Avo的≥105 （很高）

? 输入电阻

ri ≥ 106Ω （很大）

? 输出电阻 ro ≤100Ω （很小）

vO＝Avo(vP－vN) （ V－＜ vO ＜V＋ ）

注意输入输出的相位关系 当Avo(vP－vN) ≥V＋ 时 vO＝ V＋ 当Avo(vP－vN) ≤ V-时 vO＝ V- 电压传输特性

vO＝ f (vP－vN) 线性范围内

vO＝Avo(vP－vN) Avo——斜率

5.6.2 理想运算放大器

1. vO的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－ 2. 运放的开环电压增益很高 若（vP－vN）＞0 则 vO= +Vom=V＋ 若（vP－vN）＜0 则 vO= –Vom=V－

3. 若V－< vO

则 （vP－vN）?0 4. 输入电阻ri的阻值很高 使 iP≈ 0、iN≈ 0 5. 输出电阻很小， ro ≈ 0

理想：ri≈∞ ro≈0 Avo→∞

vO＝Avo(vN－vP)

5.6.3 基本线性运放电路 5.6.3.1同相放大电路

? 基本电路

（a）电路图

?几项技术指标的近似计算 （1）电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有 vp≈vn， ip＝-in＝0 所以

（b）小信号电路模型

vi?vp?vn?R1?voR1?R2

Av?voR1?R2R??1?2viR1R1

（可作为公式直接使用） （2）输入电阻Ri

Ri?输入电阻定义

viii，根据虚短和虚断有vi＝vp，ii ＝ ip≈0

Ri?所以

vi??ii

（3）输出电阻Ro Ro→0 ?电压跟随器 根据虚短和虚断有

Av?vo?1vi

vo＝vn≈ vp＝ vi （可作为公式直接使用）

电压跟随器的作用

无电压跟随器时 负载上得到的电压

vRLo?R?vss?RL?1100?1?vs?0.01vs

电压跟随器时 ip≈0，vp＝vs 根据虚短和虚断有 vo＝vn≈ vp＝vs

5.6.3.2 反相放大电路

（a）电路图

? 几项技术指标的近似计算

（b）由虚短引出虚地vn≈0

（1）电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有 vn≈ vp＝ 0 ， ii＝0 所以 i1＝i2

voR2vi?vnvn?voA????vviR1 RR12即，

(可作为公式直接使用） ? 几项技术指标的近似计算 （2）输入电阻Ri

Ri?vivi??R1iivi/R1

（3）输出电阻Ro Ro→0 例:直流毫伏表电路

当R2>> R3时，（1）试证明VS＝( R3R1/R2 ) IM ; （2）R1＝R2＝150k?，R3＝1k?，输入信号电压VS＝100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)

解:（1）根据虚断有 II =0

所以 I2 = IS = VS / R1 又根据虚短有 VP = VN =0

R2和R3相当于并联，所以 –I2R2 = R3 (I2 - IM )

IM?(所以

R2?R3VS)R3R1

当R2>> R3时，VS＝( R3R1/R2 ) IM

（2）代入数据计算即可

5.6.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用 5.6.4.1 求差电路

从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。 根据虚短、虚断和n、p点的KCL得：

vn?vpvi1?vnvn?vo?R1R4

vi2?vpR2vo?(?vp?0R3

R3R1?R4R)()vi2?4vi1R1R2?R3R1

RR4R3?,vo?4(vi2?vi1)R1R2当R1

则

若继续有 R4?R1, 则 vo?vi2?vi1

R4R3R?vo?4(vi2?vi1)R1R2时，R1

Avd?从放大器角度看: 增益为：

voR?4vi2?vi1R1

（该电路也称为差分电路或减法电路） 5.6.4.1 求差电路

一种高输入电阻的差分电路

Av?vOv1?v2??R42R(1?2)R3R1

5.6.4.3 求和电路

根据虚短、虚断和n点的KCL得：

vn?vp?0

RRvi1-vnvi2-vnvn-vo??-vo?3vi1?3vi2R2R1R3 R1R2

若 R1?R2?R3 则有-vo?vi1?vi2

（该电路也称为加法电路）

5.6.4.4 积分电路和微分电路 1. 积分电路

根据“虚短”，得vN?0 根据“虚断”，得iI?0

因此

i2?i1?vIR

电容器被充电，其充电电流为i2

设电容器C的初始电压为零，则

vN?vO?11vIidt?dt2C?C?R

1vO??RC?vdt（积分运算）

I式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。

当vI为阶跃电压时，有vO与 t 成线性关系

vO??VIVI1vdt??t??tIRC? RC?

2. 微分电路

vO??RC

dvIdt