第五章-集成电路运算放大器及应用课件.ppt
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- 第五 集成电路 运算放大器 应用 课件
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1、1第五章第五章 集成电路运集成电路运算放大器及应用算放大器及应用基本要求:基本要求:理解差动放大电路的工作原理;理解差动放大电路的工作原理;掌握运算放大器的分析方法。掌握运算放大器的分析方法。基本内容:基本内容:差动放大电路差动放大电路复合管电路复合管电路 集成运算放大器集成运算放大器集成电路运算放大器的应用集成电路运算放大器的应用25.1 差动放大电路 集成电路集成电路运算放大器是一种具有高放大倍运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。数的多级直接耦合放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路当多级直接耦合放大电路的输入端短路(ui0),输出端电压它并不保持恒值,输出端电压它
2、并不保持恒值,而在缓慢地、无规则地变化着,这种现象而在缓慢地、无规则地变化着,这种现象就称为零点漂移。就称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。的影响。抑制零点漂移有效的措施之一是抑制零点漂移有效的措施之一是采用差动放大电路。采用差动放大电路。3 本节主要内容:5.1.1 基本差分电路 5.1.2 长尾式差分电路 5.1.3 长尾式差分电路的工作原理分析 5.1.4 差分放大电路四种接法的分析与比较4特点:特点:结构对称。结构对称。差动放大电路的工作情况差动放大电路的工作情况vi1vi2voRCR1T1RBRCR1T2RB+VCC55.1.
3、1 基本差分电路1、基本差分电路的组成 基本差分电路如图5-1-1和 图5-1-2。其工作原理是利用对称性来解决和克服零漂问题。电路左右两边对称,指电路结构及元件的特性与参数完全相同,使T1、T2在同一个直流电源供电情况下具有相同的静态工作点。6输入信号:输出信号:电压放大倍数:21iiivvv02010vvv2102010iiivvvvvvvA7 当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相反时,定义为差分输入信号或差模输入信号vd。vi1=-vi2,此时,放大电路的输入电压为:或:式中,vd称为差动输入电压。212122iiiidivvvvvv22211iidivvvv22212iidivvv
4、v8 当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相同时,定义为共模输入信号vc。则:或:21iicvvv2211iicivvvv2212iicivvvv9 当输入信号中既有差模信号,又有共模信号时,则 基本差分电路输入端的信号可分解为二种信号的叠加,即 22221211iiiidcivvvvvvv22221212iiiidcivvvvvvv10 根据两式可得出如下结论:在差分放大电路输入端施加的任意形式的信号都可以分解为差模信号与共模信号的叠加,输出端的响应都可视为差模信号与共模信号共同作用的结果。11例 已知基本差分放大电路如图5-1-1所示vi1=5V,vi2=3V,求此时作用于放大电路输入端
5、的差模电压为多少?共模电压为多少?解:根据差模信号的定义,总的差模输入信号为:由电路的对称性可知,每个输入端的输入电压为:VVVvvviid23521VvvVvvdidi12122112Vvvviic423522113 由图可见,对于差 模输入信号,由于vi1=-vi2 则 根据共射放大电路输出与输入反相的特点:得,差模输入信号作用下的电压放大倍数为:Ad称为差模电压放大倍数。对于共模输入信号:由于电路对称,则 AC称为共模电压放大倍数。1212iiidivvvvv01020102vvvvbeLCiidrRRvvvvA)2/(22101021iicivvvv00201vvvo000iiCvvv
6、A3、放大倍数的计算:143、放大倍数的计算:基本差分放大电路只对差模输入信号进行放大,而不对共模信号进行放大。在双端输出的情况下,放大电路的差模电压放大倍数等于一个单级共射放大电路的电压放大倍数。在理想对称的条件下,如果共模信号能够模拟温度的变化,则不难看出,无论温度怎么变化,输出端皆为零,从而达到了抑制输出信号电压的零点漂移。155.1.2 长尾式差分电路 前面介绍的基本差分放大电路中,依靠电路对称,利用两个放大电路的输出之差,抑制了零点漂移电压的输出,但是并没有消除单级放大电路本身的零漂。为了进一步减小或消除零漂,提高抑制零点漂移的效果,需要在基本差分放大电路的基础上进行改进,减小单级放
7、大电路自身的零点漂移。16 在基本差分放大电路的发射极 接入一个射极电阻RE,以便引 入电流负反馈,稳定输入电压,减小零漂。发射极电阻RE犹如在基本差分电路中多了一条尾巴,RE愈大,稳定性愈好,相当于尾巴愈长,故称为长尾式差分电路。射极电阻RE愈大,对共模信号的反馈作用愈强,抑制零漂的效果愈好,但同时,RE上的直流压降也愈大,三极管放大的动态范围愈小。解决办法是增加一个负电源VEE,用以增加三极管的动态范围。如图5-1-3所示。1、长尾式差分电路的组成172、长尾式差分电路的几种接法(1)双端输入双端输出 输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入,从T1、T2的 集电极之间输出。这种接法 称为
8、双端输入双端输出电路。如图5-1-3所示。184.5.2 长尾式差分电路(2)双端输入单端输出 输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入,但输出却 只从T1或T2的集电极单独 对地之间输出,称为双端输入单端输出。如果从T1的集电极输出,称为左侧输出,电压放大倍数为单级共射放大电路的一半,且输出与输入反相,如图5-1-4所示。如果从T2的集电极输出,称为右侧输出,电压放大倍数也为单级共射放大电路的一半,但输出与输入同相。194.5.2 长尾式差分电路(3)单端输入双端输出 输入信号只从三极管 T1或T2的基极一端输 入,从三极管T1和T2 的集电极之间输出。204.5.2 长尾式差分电路(4)单
9、端输入单端输出 输入信号只从三极管T1或 T2的基极一端输入,只从 三极管T1或T2的集电极一 端对地输出。在长尾式差分电路的几种接法中,值得注意的是:在单端输入时(包括单端输入双端输出和单端输入单端输出),由于对称,输入的差模信号在图5-1-5和图5-1-6的虚线所示的输入回路中,将被对半分配到两侧的输入端,相当于双端输入;可以说单端输入等同于双端输入。214.5.3 长尾式差分电路 的工作原理分析 前面就长尾式差分放大电路 的几种接法进行了介绍。下面以 图4-5-4所示的长尾式差分放大电 路为例,对双端输入双端输出电 路的工作原理进行分析。1、静态分析 静态时,输入信号vi1和vi2均为零
10、,等效处理方法是将两个输入端分别对地短路。由于电路左右对称,T1和T2特性相同,则有IC1=IC2、VC1=VC2 得到:V0=VC1-VC2=I0RL=0 (1)I0=0 (2)式(2)表明,在静态时,RL电阻中没有电流流过,相当于开路,也就是说,RL可以拿掉。RL拿掉后的直流通路如图5-1-7所示。225.1.3 长尾式差分电路 的工作原理分析对于输入回路:由于在设计时,RE通常选得比较大,使得IBQ非常小,一般可以忽略,则 (约为-0.7V)根据电路的对称性可知,每个管子的集电极电流为IEQ的一半,即 说明T1的工作点电压VCEQ近似为它的集电极对地电位。0EEEEQBEQBBQVRIV
11、RIEBBEQEEBQRRVVI12BEQBEQBBQEEEEQEQVVRIVRIV0EBEQEEEQRVVI221EQQCQCIII11121CCQCCCEQCQCCCQCEQCEVRIVVRIVVV23 当差分放大电路两输入端加上任意 信号vi1、vi2时,都可以等效为差模 和共模信号的叠号,根据叠加原理,可以分别进行分析。(1)差模信号vid由于电路的对称性使vi均分给两个输入端,即 即在输出端RL两端有信号输出。221iiivvvcCQccCQciIiiIi21CcCQcCcCQcRiVvRiVv210210CCvvv2、动态分析244.5.3 长尾式差分电路 的工作原理分析 此时,在
12、RE上的电流约为,即RE上的差模交流电流为零。则RE上的差模交流电压也为0。使VE点对交流信号而言相当于接地,得:差模交流通路 如图5-1-9所示。CQccIii221254.5.3 长尾式差分电路 的工作原理分析 差模电压增益由于电路对称,RL接在两管集 电极之间,两端电压变化量相 等,极性相反,所以,负载电 阻RL的中点电位不变,相当于交流接地。因此,可以将RL分为相等的两部分,对T1、T2各取RL/2。在双入双出时,两管基极之间的输入是单边的两倍,两管集电极之间的输出也是单边的两倍。所以,此时差放的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。即:其中beBbRCbvvrRiRiAA
13、L21beBLrRR2/LRCLRR26 差模输入电阻:为差模输入信号电压与差模 输入信号电流之比,即从两 个输入端看进去的总差模输入电阻。差模输出电阻:双端输出时,两输出端之间呈现的差模输出电阻为 beBidrRR 2CodRR227(2)共模分析 双入双出电路加共模信号 如图5-1-11所示。加共模信号时:vic1=vic2=vic 由于电路两边对称,RE上的电流变化是每个三极管电流变化的两倍。从电压等效的观点来看,对共模信号而言,每个晶体管发射极相当于各接2RE电阻。如图5-1-12所示。画出共模信号作用下的交流通路如图5-1-13所示。28 共模电压增益 由于电路对称,ic1=ic2=
14、ic,则vc1=vc2 voc=vc1-vc2=0 结论:双入双出差分放大电路对共模信号不会放大。如果干扰信号属于共模信号,则可以用这种放大电路对干扰信号进行抑制。000iciccvcvvvA29 共模抑制比 差分放大电路对差模信号有较高的放大能力,对共模信号有抑制作用,这种抑制作用用“共模抑制比”来评价,定义为:双端输出时,Avc=0,KCMR=通常CMR用dB数来表示,即 vcvdCMRAAKvcvdAAdBCMRlg2030 共模输入电阻由图5-1-14可见,从输入端看进去的共模输入电阻为 共模输出电阻 EbeBicRrRR2121CocRR2315.1.4 差分放大电路四种 接法的分析
15、与比较 差分电路四种接法:双入双出 双入单出 单入双出 单入单出 前面已经对“双入双出”进行了分析,下面对另外三种接法进行分析和比较。321、双入单出电路 与双入双出的图相比较,只是输出负载RL接在T1的C 与地之间。输入差模信号时,由于T1、T2 对称,IEQ不变,对差模输入信号 而言E点电位没有变化,相当于交流接地,只是输出电压从半边输出。因此,放大倍数将为双端输出电路的一半,即 其中 以上单端输出又称为左侧输出。beBLidvdrRRvvA210LCLRRR 331、双入单出电路 如果从T2管的C极输出,称为右侧输出。电路的差模输入电阻为 (由于电路的输入回路没有变)电路的输出电阻 be
16、BLvdrRRA21beBidrRR 2CodRR341、双入单出电路 现在来讨论这种电路的温漂情况,由于温度漂移相当于输入共模信 号的情况,可以用共模放大倍数 来表示。输入共模信号时,由于T1、T2对称,RE上流过的电流为2IE1,对于每个管子来说,可等效为IE1流过阻值为2RE的电阻,如图5-1-16所示。由图可得:由于式中的(1+)2RE一般很大,所以单端输出的温漂也不是很大(Avc不是很大)。EbeBLvcRrRRA2 135此电路的共模抑制比为:EbeBLbeBLRrRRrRRvcvdCMRAAK212beBErRR1beBEbeBEbeBrRRrRRrR121221 由上式可见,增
17、大RE对减小共模 放大倍数和提高共模抑制比都有 好处,所以RE越大,对抑制温漂 越有利。361、双入单出电路例例5-1,双入单出差分电路中,双入单出差分电路中,已知已知VCC=10V、-VEE=-10V,RC=10k,=100,RB=5k,RE=5k,rbe=1k,RL=10k。求:求:Avd,Avc,KCMR。解:解:倍7.411510101002121beBLvdrRRA倍5.01010015510021EbeBLvcRrRRA4.835.07.41vcvdCMRAAKdBAAdBCMRvcvd4.38lg20372、单入双出电路 如图5-1-17所示。可以把信号等效为一个共模 信号和一对
18、差模信号。变换后的电路如图5-1-18所示。变换为双端输入双端输出。22222222212121iidciiidciiiidiiicvvvvvvvvvvvvvvvvvv382、单入双出电路 由于输入信号中有差模和共模两部分信号,所以输出信号也由两部分组成:前面已计算过双入双出的Avc、Avd 其中:Avc=0,cidicicdidoAvAvAvAvv2beBLvdrRRA2/LCLRRR393、单入单出电路 由于单端输入可等效为 双端输入看待。因此,“单入单出”的分析计算过程与“双入单出”时是一样的。beBidrRR 2CodRR2404、差分电路几种接法的性能比较对于差模信号:(1)差模输入
19、电阻Rid与输入方式无关,它们都是:Rid=2(RB+rbe)(2)差模输出电阻Rod只与输出方式有关,而与输入方式无关。单端输出时:Rod=RC 双端输出时:Rod=2RC(3)差模增益(放大倍数)只与输出方式有关,而与输入方式无关。双端输出时:其中 单端输出时:其中 (输入与输出在同一侧时为负,对方一侧时为正)BbeLvdRrRA2LCLRRR BbeLvdRrRA21LCLRRR 414、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号:(1)共模输入电阻Ric与输入方式无关,它们都是 (2)共模输出电阻Roc只与输出方式有关。单端输出时:Roc=RC 双端输出时:Roc=2RC EbeBicRr
20、RR1221424、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号:(3)共模增益(放大倍数)只与输出方式有关,而与输入方式无关。双端输出时:Avc=0 单端输出时:其中EbeBLvcRrRRA12LCLRRR 43(4)共模抑制比只与输出方式有关,而与输入方式无关。双端输出时:KCMR=单端输出时:掌握了以上这些特点和规律,也就掌握了长尾式差分放大电路。beBEbeBEbeBvcvdCMRrRRrRRrRAAK12124、差分电路几种接法的性能比较44VDA4.几种方式指标比较几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(r
21、RR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出 45idRicRoR4.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR46重要结论重要结论在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上,可以知道:要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比,两个关键因素是:电路对称性;共射极电阻。47VCVDCMRAAK双端输出,理想情况双端输出,理想情况 KCMR。CMRK可使单端输出的当Re 时,但是rbe(1+)VT IEIEV
22、EE2Re rbe 2Re(1+)VT VEEbeBErRR121 恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路48理想电流源具有:电流恒定;交流等效电阻无穷大的特点。带恒流源的差分放大器恒流源的作用:1.提供放大电路的射极电流;2.替代交流大电阻;(提高共模抑制比)如果IE 恒定,而Re;则可能使KCMR。注意,此处Re 只要是在交流时即可。49 为此由为此由T3构成的恒流构成的恒流源,输出电阻源,输出电阻r ro3o3取代取代Re,由微变等效电路由微变等效电路计算。计算。oooiur 3505.2 复合管电路复合管电路 为获得高放大倍数,可以利用多个晶体管组成复为获得高放大倍数,可以利用多个晶体管
23、组成复合管,以得到较大的电流放大系数。合管,以得到较大的电流放大系数。1.1.复合管的组成形式复合管的组成形式 一般复合管由两个晶体管组成,两个晶体管的类一般复合管由两个晶体管组成,两个晶体管的类型可以相同,也可不同。型可以相同,也可不同。组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通状态的条件,即满足发射结正向偏置、集电结通状态的条件,即满足发射结正向偏置、集电结反向偏置。反向偏置。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。51522.复合管的主要参数 复合管的主要参数是等效电流放大系效复合管的主要参数是等效电流放大系
24、效和等效和等效输入电阻输入电阻rbe。由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出:复合管的等效电流放大系数是两管电流放出:复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积,即大系数的乘积,即12。(a a)(b)(b)两种接法的复合管中,两种接法的复合管中,T T1 1管是共集电极管是共集电极组态,而组态,而r rbe2be2是是T T1 1管的射极电阻,所以复合管等管的射极电阻,所以复合管等效输入电阻为效输入电阻为r rbebe=r=rbe1be1+(1+1+1 1)r rbe2be2,。,。(c)(d)两种接法的复合管中两种接法的复合管中,rbe=r
25、be1。535.3 集成运算放大器一一.集成运算放大器组成集成运算放大器组成 输输入入级级输输出出级级偏置电路偏置电路中中间间级级UiUo集成电路集成电路运算放大器框图运算放大器框图54 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时,将输出电压除以电压输入电压为零时,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。表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作温度范围内,输入失调电在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。压随温度的变化量与温度
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