第2篇第3章 大學(xué)物理

1、第三章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是非常重要的一種線性集成電路，它的應(yīng)用十分廣泛。它用在模擬信號(hào)的運(yùn)算、放大、檢測(cè)、變換、處理、信號(hào)產(chǎn)生等等。2.3.1 集成運(yùn)算放大器的概述 集成運(yùn)算放大器是通過(guò)半導(dǎo)體集成工藝制成的一種高增益直接耦合式多級(jí)放大器。一、集成運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu)運(yùn)放的典范電路通常有三級(jí)放大電路組成運(yùn)放輸入級(jí)：差分放大（差動(dòng)放大器）電路 該級(jí)要求有低溫漂，高共模抑制比 和高輸入電阻特性。中間放大級(jí)：通常采用CE(CS)放大電路 運(yùn)算放大器的增益主要由這一級(jí)承擔(dān)，所以這一級(jí)要有很高的電壓增益。輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器結(jié)構(gòu) 輸出級(jí)要求能驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，有一定的輸出電流和輸出電壓，因此

2、，對(duì)該級(jí)要求具有低輸出電阻。二、集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)1它具有“二高一低”特性的線性組件。即高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大器2為保證有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并低功耗，電路采用微電流源作為偏置，放大電路負(fù)載采及有源負(fù)載，以提高電壓增益。3在理想條件下，集成運(yùn)算放大器可以看成一個(gè)電壓控制電壓源。等效（VCVS）三、集成運(yùn)放的電路符號(hào)國(guó)標(biāo)符號(hào)簡(jiǎn)化符號(hào)慣用符號(hào)反相輸入端同相輸入端在低頻小信號(hào)的條件下運(yùn)算放大器可用下面電路等效低頻小信號(hào)模型RidRod0Aod在理想條件下有：2.3.2 2.3.2 集成運(yùn)放中的電流源偏置電路 一、基本鏡像電流源T1、T2兩管的參數(shù)和特性完全一致，電流放大倍數(shù)均

3、為。電阻RREF用來(lái)確定參考電流的IREF大小 REFBECCREFRVVIT1管工作在臨界飽和狀態(tài)。而T2管工作在放大狀態(tài)。ILIC2IC1IREF -2IBIREF。輸出電流IL與負(fù)載RL無(wú)關(guān)，與IREF存在近似的“鏡像”關(guān)系，電路稱為鏡像電流源或電流鏡電路。 EBBBIIII1121ECCCIIII121EBCREFIIII122REFREFECLIIIII/2112111當(dāng)三極管的50時(shí)，基本鏡像電流源輸出電流IL與參考電流IREF的誤差5%。鏡像電流源除了電流IL與IREF具有鏡像關(guān)系外，還具有溫度補(bǔ)償作用 二、跟隨型鏡像電流源電路電路由三只晶體管組成，在負(fù)載電阻 上將流過(guò)恒定的電流

4、 。電路要求T1、T2、T3晶體參數(shù)相同，特性也相同。LRLI因此，晶體管T1、T2組成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，參考電阻RREF決定參考電流IREF，T管為減小輸出電流與參考電流的誤差而設(shè)置，射極電阻Re3為提高T1、T2管集電極電流鏡像精度，約為幾十千歐。REFCCREFBECCREFCCLRVRVVIIII212電路中：令 相同)1 (21211133CBEBIIII當(dāng)50時(shí)，輸出電流IL與參考電流IREF的相對(duì)誤差小于誤差小于0.08%溫度補(bǔ)償作用：T IC1 (IL) I REF VREF IC1 (IL) IB VBE 電阻Re3作用：增大T3管工作電流，從而提高提高T3管的。3213eRB

5、BeIIII三、多路電流源電路當(dāng)參考電流IREF確定后，在各支路串入不同的射不同的射極電阻極電阻，可得到不同的輸出電流。333222111eEBEeEBEeEBEeEBERIVRIVRIVRIV332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI差分放大器為克服直接耦合放大器的零點(diǎn)漂移而推出。是集成運(yùn)算放大器十分重要的一級(jí)。2.3.3 差分（動(dòng)）放大電路一、 差分放大電路的基本形式和工作原理電路由二個(gè)參數(shù)和特性完全對(duì)稱的晶體三極管組成，電路的其它元件也對(duì)稱。T1、T2都是共射放大器，發(fā)射極連接在一起后經(jīng)電阻接到負(fù)電源。電路由二組對(duì)稱電源供電。1、直流分析

6、輸入信號(hào)為零，二個(gè)基極接地。因電路參數(shù)是對(duì)稱的，所以：021QOQOOQVVVVVVBEE7 . 0eEEeEEEECRVRVVII2V7 . 02)(CCCIII21EEEIII21EEEIIII221ReCCQCCQoQoRIVVV21 由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，元件參數(shù)和特性相同，因而溫度變化時(shí)VC1Q、VC2Q始終相等，使VOQ0，從而有效地抑制了溫漂和零點(diǎn)漂移抑制了溫漂和零點(diǎn)漂移。請(qǐng)問(wèn)：若Rc1Rc2，則ICQ和VCQ是否相等？2、動(dòng)態(tài)分析由橋式測(cè)量電路引入差模信號(hào)和共模信號(hào)。21IIIdvvv221IIIcvvv差分放大器對(duì)反映變化部分的差模信號(hào)能實(shí)現(xiàn)再放大，而對(duì)反映環(huán)境條件或外界干擾的公

7、共信號(hào)（即共模信號(hào)）不能放大，要加以限止或抑制。差分放大電路的工作原理（1）對(duì)差模信號(hào)的放大能力端和端的信號(hào)為大小相等，而極性相反。221dIIIvvv0ICv這種信號(hào)分別加在端和端的方式稱雙端輸入方式?，F(xiàn)以右邊電路為例分析過(guò)程：畫(huà)差模信號(hào)時(shí)的交流通路再畫(huà)低頻小信號(hào)等效電路用電路原理求解各技術(shù)指標(biāo)。畫(huà)交流通路方法與前介紹方法相同。但是，因差動(dòng)信號(hào)輸入，所以，流過(guò)T1、T2管發(fā)射極電流的增加量正好和減少量相等，即流Re的電流保持不變，即vE0，所以，E點(diǎn)對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于交流接地（虛地）有差模信號(hào)交流通路如圖：21BBII21CCII21EEII0)(21eEEERIIU221IdIIvvvbeI

8、dbeIBBrvrvII2121bcdIccBcCOdOrvRRiRIvv21111bcdIccBcCOdOrvRRiRIvv2222221OOvvdOdOOvvv21bcdIcrvR由此可以求出不同輸出端口對(duì)差模信號(hào)的放大能力二個(gè)輸出端的差模輸出電壓大小相等而極性相反大小相等而極性相反becIdOdvdrRvvA211becIdOdvdrRvvA222單端輸出單端輸出becrR雙端輸出21IIOdIdOdvdvvvvvA（2）對(duì)共模信號(hào)的抑制能力則端和端的信號(hào)大小相等，其極性也相同，這種信號(hào)稱共模信號(hào)。21IIICIvvvv共模交流通路共模信號(hào)輸入后的共模交流通路IcIIvvv21ebeBe

9、EbeBIcRriRiriv)1 (22111ebeIcBBRrvII)1 (221IcIIvvv21ebeIcccCOcORrvRRivv)1 (211021OOOCOvvvv122OOcOvvvebecIcOcvcRrRvvA)1 (211ebecIcOcvcRrRvvA)1 (222差分放大電路的二個(gè)輸出端上的共模輸出電壓大小相等并且極性也相同；雙端輸出時(shí)，輸出電壓為零。0IcOcvcvvAebeIcBBRrvII)1 (221BIIIIEEE)1 (221CIebcCIEeBeEEEvRrvRRIRIIv)1 (2)1 (2)1 (2)(21注意：發(fā)射極E 點(diǎn)的波形！共模抑制比共模抑制

10、比KCMRAvc在一定程度上反映差分放大電路抑制共模干擾和溫漂的能力， A Av vc c 越小越小，則抑制溫漂能力抑制溫漂能力越強(qiáng)越強(qiáng)。定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值。vcvdCMRAAK常用分貝表示：(dB) lg20vcvdCMRAAK理想的差分放大電路雙端輸出時(shí)， KCMR21IIOdIdOdvdvvvvvAbecrR0IcOcvcvvAbecIdOdvdrRvvA211ebecIcOcvcRrRvvA)1 (211引入恒流源概念！IcvcIdvdOcOdOvAvAvvv可見(jiàn)，差動(dòng)放大器若在端和端輸入信號(hào)時(shí)，這信號(hào)中即包含有差模信號(hào) ，又含有共模信號(hào) 。這時(shí)，差分

11、放大器的輸出電壓應(yīng)包括對(duì)差模信號(hào)放大后的電壓 ，和對(duì)共模信號(hào)放大后的輸出電壓 。IdvIcvodvocv即有：Avd大Avc小IcvcIdvdcOdOOvAvAvvv11111IcvcIdvdcOdOOvAvAvvv22222差模輸入方式：只考慮差模輸入電壓，即差分放大電路的輸入端加上兩個(gè)幅度相同而極性相反的信號(hào)。共模輸入方式：只考慮共模輸入電壓，即差分放大電路的輸入端加上兩個(gè)極性相同且幅度也相同的信號(hào)。 差分放大電路具有對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大、對(duì)差分放大電路具有對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大、對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制的能力。共模信號(hào)進(jìn)行抑制的能力。【例例2.3.1】 已知某差分放大電路的兩個(gè)輸入端端和端分別加入v

12、I1=5.01V、vI2=4.99V，的信號(hào)電壓，其電路的差模電壓增益Avd -80，共模電壓增益為Avc -0.01，試求vO？ vE？ vE？電路的差模信號(hào)為：兩端輸入信號(hào)之差V02. 0V99. 4V01. 521IIdIvvv電路的共模信號(hào)為：兩端輸入信號(hào)之平均值V0 . 52V99. 4V01. 5221IIcIvvvV65. 1V05. 0V6 . 1V0 . 5)01. 0(V02. 080IcvcIdvdOvAvAv差分放大器的輸出電壓有：ICECECEdEvvvvv0ICECECEdEEvvVvvUv7 . 007 . 0注意：發(fā)射極E 點(diǎn)的波形?。?）差動(dòng)電路在不同輸入輸出

13、下動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 輸入方式以上分析為雙端輸入方式。在許多情況下，輸入信號(hào)只加在一個(gè)端子上，而另一端接地，以便放大器與信號(hào)源間有公共地端，如圖所示，這稱單端輸入方式。將單端輸入分解成雙端輸入情況22021IIIIIIdvvvvvv2221IIIIcvvvv差模差模成分：兩個(gè)輸入信號(hào)之差之差。共模共模成分：兩個(gè)輸入信號(hào)平均值平均值。所以IvdIvcIvdIcvcIdvdOvAvAvAvAvAv1111112單端輸入時(shí)的電壓放大倍數(shù)與差模輸入（雙端單端輸入時(shí)的電壓放大倍數(shù)與差模輸入（雙端輸入）時(shí)的電壓放大倍數(shù)近似相同。輸入）時(shí)的電壓放大倍數(shù)近似相同。KCMR足夠大時(shí)足夠大時(shí)差動(dòng)電路對(duì)差模信號(hào)和共模信號(hào)

14、有不同的響應(yīng),有Rid 和Ric差模輸入電阻RidbeIdIdidrivR2共模輸入電阻RicoebeICICiCRrIuR)1 (2輸出方式beLIdOdvdrRvvA2/LcLRRR 雙端輸出：12coRR 單端輸出：beLIdOdvdrRvvA211LcLRRR/1coRR 【例2.3.2】差分放大電路如圖所示，已知=80，rbe=2k。求該電路的差模電壓放大倍數(shù)Avd、差模輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。1 .6605. 0812580)1 ()1 (22ebeceBbeBcBIdOdvdRrRRiriRivvAkRrivRebeIdIdid1 .12)05. 0812(2)1 (2kRi

15、vRcvROOoIdL1020【例2.3.3】 電路如圖所示，已知=80，rbb=100，Rw在中間位置，RL=50k求：(1) ICQ；(2) Avd、Rid和Ro；(3) KCMR；( 4 ) 若 vI 1= 1 6 m V ， vI2=10mV，求vO1。OQV解：解：(1)靜態(tài)分析：022EEeEQwEQBEbBQVRIRIVRImA1 . 05721 . 08157 . 012221ewbBEEEEQCQRRRVVIIV5 . 3251 . 0V12505050)/(LcCQCCLcLOQRRIVRRRV直接耦合輸出直接耦合輸出(2) 求Avd、Ri和Ro；k2 .211 . 026

16、81100)1 (EQTbbbeIVrr2 .29) 1 . 0812 .215(2)50/50(80/2)1 ()/(21wbebLcIdOdvdRrRRRvvAk 6 . 86) 1 . 0812 .215(2/2)1 ( 2wbebidRrRRk 50coRR(3) 求共模抑制比KCMR；216. 00.1)572(812 .2152580)22/)(1 ()/(ewbebLcIcOcvcRRrRRRvvA42.6dB)( 135216. 02 .29即vcvdCMRAAK(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，則mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvv注意相位！注意相位

17、！-178mVmV13)216. 0(mV62 .29IcvcIdvdOvAvAv二、集成運(yùn)放輸入級(jí)的電路形式 1. 場(chǎng)效應(yīng)管差分放大電路FET差分放大電路差模輸入電阻很高，減小了輸入偏置電流的不對(duì)稱性。1122LmgsLgsmIdOdvdRgvRvgvvAIdIdidivRRo=2Rd 2、FETBJT混合型差分放大電路混合型差分放大電路 通用型集成運(yùn)放的具體電路多種多樣，但其輸入級(jí)電路的組成原理基本相似，均以差分放大電路為基礎(chǔ)，通常采用雙端輸入、單端輸出方式，并由電流源提供偏置電流及作為有源負(fù)載，從而可以達(dá)到有效地抑制共模信號(hào)、放大差模信號(hào)的目的。運(yùn)放中間級(jí)是運(yùn)放電壓增益的主要承擔(dān)者主要任

18、務(wù)是提高電壓增益，所以，常用共射或共源放大電路。從電壓增益表達(dá)式可知，提高電壓增益的主要途經(jīng)如下：beLcvrRRA)/( Rc代之以恒流源恒流源； 采用縱向三極管或達(dá)林頓復(fù)合管復(fù)合管，提高； 增加一級(jí)CC電路(射極跟隨器射極跟隨器)進(jìn)行阻抗變換。2.3.4 2.3.4 集成運(yùn)放的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)放的中間級(jí)和輸出級(jí)一、集成運(yùn)放中間級(jí)的電路形式一、集成運(yùn)放中間級(jí)的電路形式dsmorRgR)1 (11恒流源恒流源+ +射極跟隨器射極跟隨器T1、R1構(gòu)成恒流源電路，其內(nèi)阻為 而T2是射極跟隨器，T3是準(zhǔn)共射放大電路，R3加了點(diǎn)負(fù)反饋以提高電路的工作穩(wěn)定性。3222)1 (bebeirrR2331

19、32)/(iiceceIOvRRrrvvA恒流源恒流源+復(fù)合管復(fù)合管二、運(yùn)放輸出級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路集成運(yùn)放的輸出要求 輸出電阻小， 最大不失真輸出電壓盡可能大， 輸出級(jí)的輸入電阻又必須大，T1T21運(yùn)放輸出級(jí)的基本電路如右圖所示，由兩只參數(shù)和特性完全對(duì)稱的PNP和NPN管組成互補(bǔ)對(duì)稱電路。靜態(tài)靜態(tài)(vi=0)時(shí)，T、T管均截止，UO0；T1T2在輸入正弦信號(hào)時(shí)：當(dāng)輸入信號(hào)正半周(vi0)時(shí)，T T管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，T T管截止管截止，流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流路經(jīng)為：VCCT1RLGND當(dāng)輸入信號(hào)負(fù)半周(vi0)時(shí)，T T1 1管截止，管截止，T T2 2管管導(dǎo)通導(dǎo)通，電流路經(jīng)將為GNDRLT2-V

20、CC在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，流過(guò)負(fù)載的電流正好也是一個(gè)信號(hào)周期?；パa(bǔ)對(duì)稱放大電路的最大輸出電壓T1T2由于互補(bǔ)對(duì)稱電路在一周內(nèi)二只晶體管輪流導(dǎo)電，并盡量工作在極限狀態(tài)，即截止和飽和導(dǎo)電兩個(gè)極限狀態(tài)，所以在輸出特性上畫(huà)出兩管的工作時(shí)的負(fù)載線如圖。最大輸出電壓為VCCVCES。當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，最大不失真輸出電壓幅度一般為(1214)V。輸入電阻較高LbeiRrR)1 (T1T2乙類放大電路的交越失真問(wèn)題在輸入信號(hào)小于三極管的開(kāi)啟電壓時(shí)，T與T管均截止，產(chǎn)生交越失真。2甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路靜態(tài)T1、T2處于微導(dǎo)微導(dǎo)通通狀態(tài)，VOQ0。當(dāng)輸入正弦波時(shí)，由于二極管的動(dòng)態(tài)電阻很動(dòng)態(tài)電阻很小小，所以vb1

21、vb2vi。利用二極管提供靜態(tài)偏置，使輸入信為零時(shí)，兩只管子不完全截止。利用恒壓電路提供靜態(tài)偏置32113CEBEVRRRVBECEVRRV)1 (123選擇合適的R1、R2阻值，使VCE3 1.4V。乙類功率放大器：導(dǎo)通角為=，或靜態(tài)時(shí)管子截止；，或靜態(tài)時(shí)管子截止；甲類功率放大器：導(dǎo)通角甲乙類功率放大器：導(dǎo)通角介于介于和和22之間，靜之間，靜態(tài)時(shí)，晶體管微弱導(dǎo)電；態(tài)時(shí)，晶體管微弱導(dǎo)電；T1T2下面幾種功率放大器。根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)的高低（或晶體管的導(dǎo)電角）可以分成為=22，晶體管在整個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)電，靜，晶體管在整個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)電，靜態(tài)時(shí)，晶體管也完全導(dǎo)電；態(tài)時(shí)，晶體管也完全導(dǎo)電；2.3.5 集成運(yùn)

22、放的主要性能指標(biāo)一、 集成運(yùn)放的電壓傳輸特性和三項(xiàng)基本參數(shù)例如設(shè)Aod=105， 、 為10V，則Vim10/105 10-4V 0.1mVomVomV集成運(yùn)放線性放大區(qū)線性放大區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)范圍很小范圍很小。實(shí)際運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放的傳輸特性曲線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，稱為輸出失調(diào)輸出失調(diào)。為了彌補(bǔ)輸出失調(diào)電壓，通常在運(yùn)放輸入級(jí)電路中設(shè)置了調(diào)調(diào)零端零端。在理想條件理想條件下集成運(yùn)放的電壓傳輸特性曲線通過(guò)坐標(biāo)原原點(diǎn)點(diǎn)。運(yùn)放的電壓既可以用增增量量(或交流量)表示，也可以用瞬時(shí)量瞬時(shí)量表示。（1）開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AodIdNPIdIdidivvivR如CF741的Rid1M，高阻型運(yùn)放的Rid 可達(dá)104

23、M以上。NPOIdOodvvvvvAAod一般為104106(即80120dB)。在手冊(cè)中Aod常以V/mV作單位，如100V/mV即為105。（2）差模輸入電阻Rid（3）輸出電阻Ro集成運(yùn)放的R。通常為100至至1k之間。二、集成運(yùn)放的失調(diào)參數(shù)集成運(yùn)放在vId=0時(shí)的輸出電壓稱作輸出失調(diào)電壓輸出失調(diào)電壓，記作VOO。（1）輸入失調(diào)電壓VIO為了使輸出電壓回到零，需在輸入端加上反向補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。odOOIOAVV（2）輸入失調(diào)電壓漂移dVIO/dT輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)，反映輸入失調(diào)電壓隨溫度而變化的程度。（3）輸入失調(diào)電流 IIO反映集成運(yùn)放輸入端輸輸入端輸入電流的

24、不平衡入電流的不平衡程度。BNBPIOIII2BNBPIBIII偏置電流偏置電流輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流（4）輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT反映輸入失調(diào)電流IIO隨溫度而變化的程度。分析輸出失調(diào)模型IOIBIBIdVRIRIV1)(2)(2)()()(21212)(1)(IOIBIOIBIBIOIdIRRIRRVRIRIVV2)()(2121IOIBodIOodIdodOOIRRIRRAVAVAV(1) 應(yīng)選擇R1R2。R、R2 稱為輸入平衡電阻輸入平衡電阻。(2) R和R2越小，則IIO對(duì)VOO的影響也越少。因此，在實(shí)際使用時(shí)，要求運(yùn)放兩個(gè)輸入端的外接平衡電阻相等且較小。2)()(2121IOIBodIOodIdodOOIRRIRRAVAVAV(3) 即使運(yùn)放輸入端短路，輸出電壓也已進(jìn)入飽和狀態(tài)(假定Aod=104，VIO為1.5mV，則VOO已達(dá)15