模拟电子技术教材八.docx

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模拟电子技术教材八

第三章集成运算放大电路及其应用

学习目标了解集成运算放大电路的基本知识，掌握运放的线性应用和非线性应用。

第一节差动放大电路

集成运算放大电路（放大器）是将一个高增益多级直接耦合放大电路集中制造在一块半导体上的整体。

为抑制零点漂移，集成运算放大电路的第一级通常采用差动放大电路。

    一、基本差动放大电路

    1．电路组成和抑制零漂的原理

（1）电路组成如图3-1所示，基本差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成。

电路中，V1管和V2管型号相同、特性一致，各电阻阻值对应相等。

正电源（+VCC）为两管集电结提供反偏电压，负电源（－VCC）为两管发射结提供正偏电压，Re为两管射极公共电阻，Rb是输入回路电阻。

信号从两个管子的基极输入，集电极输出，构成双端输入、双端输出差动放大电路。

（2）抑制零漂的原理由图3-1可见，差动放大电路的输出为两管集电极电位之差，即uO=uC1-uC2。

当温度变化时，在两管集电极引起的电流变化相同，集电极电压的变化也相同，因此输出电压的变化量ΔuO=ΔuC1-ΔuC2=0。

这就是说，温度变化时，虽然两管分别出现了零漂，但因电路对称，因而相互抵消，即零点漂移得到抑制。

    实际应用中，由于电路不可能做到完全对称，因而零漂不会得到完全抑制，但与单管放大电路相比，零漂已经大为减小。

    2．特性分析由于差动放大电路由两个完全对称的共射电路组成，其静态工作点必然相同，因此静态时的输出电压UO=UC1-UC2=0，即电路具有零输入零输出的特性。

    差动放大电路的动态特性表现在对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力两个方面。

（1）差模放大特性图3-2所示差动放大电路中，两输入端分别输入大小相等而极性相反的信号，即ui1=－ui2，称为差模输入。

差模输入的电位之差，即uid=ui1－ui2=2ui1称为差模输入电压。

    在差模输入电压下，两管的集电极电位一增一减，相应的输出电压，即差模输出电压uod为

    由于电路对称，三极管参数一致，各电阻对应相等，因此

（3-1）

    Aud称为差模电压放大倍数，即

（3-2）

    式中，这是由于两管集电极电位的变化等值相反，而与集电极相连的负载RL的中点电位不变，相当于交流地电位，因此对每个单管共射电路来说，其负载电阻为，即。

    同理，由于两管集电极电流的变化等值相反，所以通过射极公共电阻Re的电流不随差模输入电压变化。

对差模输入电压而言，Re相当于短路，因此差模电压放大倍数与Re无关。

    由式（3-2）可知，双端输出的差模电压放大倍数与单管共射电路的电压放大倍数相同。

差动放大电路采用对称的两个电路，是为了换取对零漂的抑制作用。

    由图3-2可见，差动放大电路的输入电阻为

（3-3）

    双端输出时的输出电阻为

（3-4）

（2）共模抑制特性图3-3所示差动放大电路中，加在两输入端的输入电压大小相等、极性相同，即ui1=ui2，称为共模输入。

共模输入电压用uic表示，uic=ui1=ui2。

    在共模输入电压uic作用下，两管集电极电位相等，相应的共模输出电压。

因此，共模电压放大倍数Auc为

（3-5）

    式（3-5）表明，由于电路对称，因此双端输出的差动放大电路对共模输入信号无放大作用。

但如果电路不对称，则共模电压放大倍数Auc≠0。

    温度对差动放大电路的影响，使得两输出端产生相同变化的零漂，这与输入共模信号的效果是一样的，所以Auc越小，电路对共模输入的抑制能力越强，零漂越小。

    在分析静态工作点稳定的分压式偏置电路时发现，射极电阻Re越大，则静态工作点越稳定，零漂越小。

在差动放大电路中，温漂使两管集电极电流的变化相同，当集电极电流增大时，通过Re的射极电流也增大，并且为单管放大时的两倍，相当于单管放大电路的射极接了一个2Re的电阻，因此差动放大电路具有更强的抑制零漂作用。

    （3）共模抑制比KCMR差动放大电路的差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc的比值称为共模抑制比，即

（3-6）

    若以分贝（dB）表示，则

（3-7）

    共模抑制比是全面衡量差动放大电路的重要指标。

共模抑制比越大，说明电路对差模信号（有用信号）的放大能力越强，对共模信号（无用信号）或零点漂移的抑制能力也越强。

    由于电路对称，Auc=0，因此双端输出差动放大电路的共模抑制比为

（3-8）

    综上所述，双端输出的差动放大电路由于电路对称和射极电阻Re的作用，抑制零漂的能力很强。

理想的差动放大电路KCMR→∞，一般差动放大电路的KCMR为40~60dB，高质量的可达120dB。

    二、带恒流源的差动放大电路

    根据分析，为提高共模抑制比，射极电阻Re越大越好。

但Re增大后，为维持静态工作点不变，负电源电压VEE必须相应增大。

同时，Re增大则其直流能耗也增大，并且集成电路中也不易制作大阻值的电阻。

    采用带恒流源的差动放大电路可以很好地解决以上矛盾，如图3-4所示。

    图3-4a中，虚线方框内的三极管接成静态工作点稳定的共射放大电路，其电流IC3恒定，因此称为恒流源电路。

由图可见，IC3=    IE1+IE2≈IC1+IC2，由于IC3恒定，因此限制了IC1和IC2同时增大或同时减小，使其不随共模信号的增减而变化，这就大大抑制了共模信号，相当于在射极接了一个很大的射极电阻（严格来讲，恒流源的输出电阻为∞）。

在差模输入情况下，当差模输入信号使一管的集电极电流增大时，另一管的集电极电流必将减少同样的值，而IC3≈IC1+    IC2保持恒定。

也就是说，恒流特性对差模输入没有影响。

    恒流源差动放大电路的共模抑制比可达60~120dB，图3-4b是它的简化图。

    三、差动放大电路的输入输出方式

    以上所讨论的差动放大电路中，信号从两个管子的基极输入，从两个管子的集电极输出，因此称为双端输入、双端输出方式。

实际应用中，根据不同的需要，信号也可以从一个管子的基极输入，从一个管子的集电极输出。

因此，差动放大电路的输入输出方式有以下四种。

    1．双端输入、双端输出方式双端输入、双端输出接法如图3-2、3-3所示，其输入、输出端均不接地，适于联结两端对地绝缘的信号源和负载，如输入端接热电偶，输出端接电压表等。

    双端输入、双端输出的差模电压放大倍数、输入电阻和输出电阻、共模抑制比分别见式（3-2）、（3-3）、（3-4）和（3-8）。

    2．单端输入、单端输出方式如图3-5所示，单端输入、单端输出方式下，输入信号从V1管的基极和地之间输入，另一只管子V2的基极接地；输出信号则从V1管的集电极和地之间输出，V2管的集电极悬空。

（1）输入信号的分解图3-5中，输入信号ui1接一个输入端，另一个输入端接地，即ui2=0。

根据定义，差模输入电压为

    （3-9）

    式中，uid1=+ui1，uid2=ui1。

uid1和uid2大小相等而极性相反，为一对差模输入信号。

可见，单端输入对差模信号而言，与双端输入是一致的。

    共模输入信号为

（3-10）

    以上分析表明，单端输入信号可以分解为差模输入与共模输入信号的叠加，即

    这种将输入信号分解为差模输入信号和共模输入信号的方法同样适用于任意输入（ui1≠ui2）的双端输入差动放大电路。

实际上，当双端输入差动放大电路为任意输入时，单端输入就是ui2=0时的一种特例。

（2）差模电压放大倍数由于V2管悬空，因此图3-5所示电路的差模输出电压为

    相应的差模电压放大倍数为

    （3-13）

    可见，单端输出差动放大电路的差模电压放大倍数只有双端输出的一半。

式（3-13）中，负号表示输出电压与输入电压相位相反，称为反相输出。

    当输出电压从V2管的集电极输出时，称为同相输出，其差模电压放大倍数为

    （3-14）

    （3）输入、输出电阻差动放大电路的输入电阻与电路的连接方式无关，而单端输出电阻为双端输出电阻的一半，即Ri=2（Rb+rbe），RO=RC。

    （4）共模抑制比单端输出的差动放大电路，只有通过射极电阻来抑制零点漂移，所以抑制能力没有双端输出强。

若要提高共模抑制比、减小零漂，主要应增大射极电阻，或采用带恒流源的差动放大电路。

    3．双端输入、单端输出方式如图3-6所示。

    4．单端输入、双端输出方式如图3-7所示。

    以上两种输入、输出方式下的电路特性，读者可自行分析。

    总之，在差动放大电路的几种输入、输出方式下，只有输出方式对差模电压放大倍数和输出电阻有影响，即：

不论何种方式，只要是双端输出，其差模电压放大倍数就等于单管放大倍数，输出电阻就等于2RC；只要是单端输出，其差模电压放大倍数和输出电阻就减少一半。

第二节集成运算放大器

 集成运算放大器简称集成运放，是具有高增益的深度负反馈直接耦合多级放大电路。

它最初是作为电子模拟计算机的基本运算单元，完成加减、积分、微分、乘除等数学运算，因此称为运算放大器。

现在，集成运放已广泛应用于信号处理、信号测量以及波形产生等各个方面。

   一、集成运算放大器的特点

   集成运算放大器的特点与其制造工艺紧密相关，主要有以下几点：

   1．由于集成电路制造工艺中难以制造电感以及大容量的电容，因此集成运算采用直接耦合方式。

   2．由于集成运放中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，因此元件参数对称性好，容易制成温度漂移很小的运算放大器。

   3．集成运放中的二极管都是由三极管的集基联结而成。

同时，由于制作高阻值的电阻成本高、占用硅片面积大，且阻值偏差大，因此在集成运放中常用恒流源代替大电阻，或采用外接电阻的方式。

   二、集成运算放大器的组成

   集成运算放大器一般由输入级、中间级、输出级以及偏置电路四个部分组成，如图3-8所示。

  1．输入级对于高增益的直接耦合放大电路，提高质量的关键在输入级，因此要求其输入电阻大，共模抑制比高，能有效抑制零漂。

集成运放的输入级采用带恒流源的差动放大电路。

   2．中间级中间级主要进行电压放大，要求有较高的电压放大倍数，一般由共发射极电路构成。

   3．输出级输出级与负载相连，应具有较大的输出电压，较高的输出功率和较低的输出电阻，并具有过载保护。

因此，一般采用射极输出器或互补功率放大电路。

   4．偏置电路偏置电路为各级提供合适的静态工作点。

   三、集成运算放大器的主要性能指标

   要合理选择和正确使用集成运算放大器，就必须熟悉其性能。

而衡量集成运放性能优劣的主要依据就是它的各种参数。

   1．开环差模电压放大倍数AodAod是集成运放在开环（没有反馈电路）时的输出电压与输入差模信号电压之比。

Aod越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。

Aod一般约为80~140dB。

   2．输入失调电压UIO理想的运算放大器，当输入电压为零时，输出电压也为零。

但由于实际运放的输入级不可能绝对对称，因此当输入电压为零时，输出电压并不为零。

为了使输出电压等于零，需在输入端外加适当的补偿电压，即输入失调电压UIO。

UIO越小越好，高质量集成运放的UIO在1mV以下。

   UIO对温度的变化率dUIO/dt称为输入失调电压温漂，用以表示UIO受温度影响的程度。

高质量集成运放的温漂一般在0.5μV/℃以下。

   3．输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dtIIO是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即IIO=|IB1-   IB2|。

IIO一般为1nA~5nA，好的可小于1nA。

   IIO受温度影响的程度用输入失调电流温漂dIIO/dt表示，一般为1nA/℃~5nA/℃。

   4．输入偏置电流IIBIIB是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2。

IIB一般为几百纳安，其值越小，信号源内阻对静态工作点的影响也越小。

   5．最大共模输入电压UICMUICM是集成运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。

所加电压如果超过这个值，会出现共模抑制比下降、失去差模放大能力等问题。

高质量运放的UICM可达正负十几伏。

   6．最大差模输入电压UIDMUIDM是指集成运放同相输入端和反相输入端所能承受的最大电压值。

所加电压如果超过UIDM，可能会导致输入级晶体管反向击穿而损坏。

   7．共模抑制比KCMRKCMR是集成运放差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般为100dB左右。

KCMR越大，说明差动放大电路各参数的对称性越好。

   8．差模输入电阻RidRid是集成运放两输入端的动态电阻，一般为MΩ级。

   9．输出电阻RoRo是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电阻。

Ro越小，集成运放带负载能力越强。

   10．－3dB带宽fH集成运放的开环增益随频率升高而降低。

fH是当差模电压放大倍数下降3dB（即下降到0.707倍）时的信号频率。

   总之，集成运放具有开环电压放大倍数高、输入电阻高、带负载能力强、漂移小、可靠性高、体积小等优点，它已成为一种通用器件，在各个技术领域得到广泛应用。