第 4章 集成运算放大器电路
1,差模电压放大倍数差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比 。 在双端输出时,输出电压为
2121
2121
22
22
ididididid
ododododod
UUUUU
UUUUU
输入差模电压为所以
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
(4― 18)
式中,R′L=RC‖ RL。 可见,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数 。2
1
第 4章 集成运算放大器电路可见,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,且两输出端信号的相位相反 。 需要指出,若单端输出时的负载 RL接在一个输出端到地之间,则计算
Aud时,总负载应改为 R′L=RC‖ RL。
单端输出时，则
ud
id
od
id
od
ud
ud
id
od
id
od
ud
A
U
U
U
U
A
A
U
U
U
U
A
2
1
2
2
1
2
1
12
(
1
11
(
单）
单）
(4― 19)
(4― 20)
或第 4章 集成运算放大器电路
2,差模输入电阻差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比 。 由图 4― 13可得
be
id
id
id
id
id rI
U
I
UR 22 1
3,差模输出电阻双端输出时为
(4―21)
Cod
Cod
RR
RR
单）(
2单端输出时为
(4―22a)
(4― 22b)
第 4章 集成运算放大器电路二,共模抑制特性如果在图 4― 12差动放大器的两个输入端加上一对大小相等,相位相同的共模信号,即 Ui1=Ui2=Uic,由图可知,此时两管的射极将产生相同的变化电流 ΔiE,使得流过 RE的变化电流为 2ΔiE,从而引起两管射极电位有 2 RE Δ iE的变化 。 因此,从电压等效的观点看,相当每管的射极各接有 2 RE的电阻 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,图 4― 12电路的共模等效通路如图
4― 14所示 。 利用该电路,现在来分析它的共模指标 。
1.共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数定义为
ic
icoc
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
当电路完全对称时,Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零,即 Auc=0。
第 4章 集成运算放大器电路单端输出时的共模电压放大倍数定义为
Ebe
C
ic
oc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
Rr
R
U
U
U
U
A
U
U
A
U
U
A
2)1(
21
(
2
(
1
(
单）
单）单）
或
(4― 23)
由图 4―14 可得通常满足 (1+β)2RE>>rbe,所以上式可简化为
E
C
uc R
RA
2(单）
(4― 24)
第 4章 集成运算放大器电路可见,由于射极电阻 2RE的自动调节 (负反馈 )作用,
使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小 。 在实际电路中,均满足 RE>RC,故 |Auc(单 )|<0.5,即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制 。 共模负反馈电阻 RE越大,则抑制作用越强 。
第 4章 集成运算放大器电路
2,共模输入电阻由图 4― 14不难看出,共模输入电阻为
]2)1([212
1
Ebe
ic
ic
ic
ic
ic RrI
U
I
UR (4― 25)
3.共模输出电阻单端输出时为
Coc RR?单）(
(4―26)
第 4章 集成运算放大器电路三,共模抑制比 KCMR
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,我们引入参数共模抑制比 KCMR。 它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,即
uc
ud
C M R A
AK? (4― 27)
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
KCMR也常用 dB数表示，并定义为
(4―28)
第 4章 集成运算放大器电路
KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性 。 在双端输出理想对称的情况下,因 Auc=0,所以 KCMR趋于无穷大 。 但实际的差动电路不可能完全对称,因此
KCMR为一有限值 。 在单端输出不对称的情况下,
KCMR必然减小,由式 (4― 18),(4― 19)和 (4― 23)可求得
uc
ud
C M R A
AK? (4― 29)
第 4章 集成运算放大器电路四,对任意输入信号的放大特性如果在图 4― 12差动放大器的两个输入端分别加上任意信号 Ui1和 Ui2,即 Ui1和 Ui2既不是差模信号,也不是共模信号,这时可以把 Ui1和 Ui2写成如下形式：
22
2121
2
11
2121
1
22
22
icid
iiii
i
icid
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
(4― 30)
(4― 31)
第 4章 集成运算放大器电路不难看出,差动电路相当输入了一对共模信号
2121
21
21
21
21
2
2
iiididid
ii
icic
ic
ii
icic
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
和一对差模信号根据定义,这时的差模输入电压为
(4―32)
(4― 33)
(4―34)
第 4章 集成运算放大器电路
idudicucidud
icucidud
iiudidud
icuciduduc
iiididid
ii
idid
ic
ii
icic
UAUAUA
UAUAU
UUAUA
UAUAUA
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
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1
2
1
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2
2
)(
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21
0
2121
21
21
21
21
单单单单端输出时，有故双端输出时，由于和电压和共模输出电压之输出电压应为差模输出第 4章 集成运算放大器电路图 4―12 基本差动放大器 图 4―14 基本差动放大器的共模等效通路第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 3具有恒流源的差动放大电路图 4― 12所示的基本差动放大器,存在两个缺点：
一是共模抑制比做不高,二是不允许输入端有较大的共模电压变化 。 对于前者,是因为差放管 V1,V2的 rbe与
RE相关,即 RE较大而忽略 rbb′时,由式 (4― 15),rbe可近似为与 RE成正比 。 对于单端输出,将上式代入式
(4― 29)可得
T
EE
CT
LEE
Cbe
EL
C M R U
U
RU
RU
Rr
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22(?
单）
(4―38)
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EE
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EQ
T
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UI
U
UR
I
Ur
第 4章 集成运算放大器电路若 UEE=15V,则室温下,KCMR(单 )的上限约为 300，
而与 RE的取值无关 。 可见,不能单靠增大 RE来提高共模抑制比 。 对于后者,因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化,进而将影响差放管的静态工作电流,使 rbe改变 。 因此,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,这是我们不希望的 。
第 4章 集成运算放大器电路为此,用恒流源代替图 4― 12电路中的 RE,可以有效地克服上述缺点 。 一种具有恒流源的差动放大电路如图 4― 15(a)所示 。 图中,恒流源为单管电流源 。 这是分电流源,小电流电流源等 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路； (b)电路的简化表示为此，用恒流源代替图 4―12 电路中的 RE，可以有效地克服上述缺点。
一种具有恒流源的差动放大电路如图 4―15(a) 所示。图中，恒流源为单管电流源。这是分电流源、小电流电流源等。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 15(a)电路的静态工作点,可按以下方法估算：
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
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3
33
21
2
2
1
2
2
图 4― 15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路；
第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 4差动放大器的传输特性在图 4― 16电路中,设恒流源电流 I小于差放管的集电极临界饱和电流,即 I<UCC/RC,从而使差放管的工作点偏向截止区 。 在此条件下,图中的两个对称差放管 V1,V2
TBETBE
TBETBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eIeIi
eIeIi
//
2
//
1
22
11
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)1(
(4―39a)
(4―39b)
由图可知
21 EE iiI
第 4章 集成运算放大器电路
TBETBE
TBETBE
Tid
TidTid
TidTid
Tid
T
BEBE
T
BEBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
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u
th
II
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1
2
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11
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12
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)
2
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)
2
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)
2
(
22221
)1()1(
)1()1(
同理第 4章 集成运算放大器电路图 4― 17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4― 17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路一,两管集电极电流之和恒等于 I
当 uid=0 时,差 动 电 路 处 于 静 态,这时
iC1=iC2=ICQ=I/2。 当差模电压输入时,一管电流增大,
另一管电流减小,且增大量等于减小量,两管电流之和恒等于 I。
第 4章 集成运算放大器电路二,传输特性具有非线性特性由图 4― 17不难看出,在静态工作点附近,当
|uid|≤UT,即室温下,uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。 这表明 iC1,iC2和 uo与 uid成线性关系 。 当 |
uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时,传输特性明显弯曲,而后趋于水平,说明 | uid |继续增大时,iC1,iC2和 uo将保持不变 。 这表明差动电路在大信号输入时,具有良好的限幅特性或电流开关特性 。 此时,一管截止,恒流源电流全部流入另一管 。
第 4章 集成运算放大器电路为了扩展传输特性的线性区范围,可在每个差放管的射极串接负反馈电阻 R(或在基极串接电阻 RB),如图 4― 18(a)所示 。 扩展后的电流传输特性曲线见图
4---18(b)。 显然,R(RB)越大,扩展的线性区范围将越大,如图 (b)曲线 ①,② 所示 。 不过,随着线性区范围的扩大,曲线的斜率减小,表明差动放大器的增益将随之降低 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4― 18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路三,差动放大器的增益与 I成正比由图 4― 17(a)所示曲线可知,小信号工作时,在工作点处,iC受 uid的线性控制,其控制作用的大小可以用跨导 gm来衡量 。 gm定义为工作点处,双端输出电流的变化量 ΔiC与输入差模电压变化量 Δuid之比,即
1
22
mQ
id
C
m
Q
id
C
m
g
u
i
g
u
i
g
因为 ΔiC=ΔiＣ１ -ΔiＣ 2=2ΔiＣ１,所以上式变为
(4― 44)
第 4章 集成运算放大器电路式中,gm1=ΔiＣ１ /Δuid,为 Q点处单端输出时的跨导,
反映在传输特性上,是图 4― 17(a)曲线在 uid =0处的斜率 。
在 uid =0处,对式 (4― 41a)求导,可得
T
mm U
Igg
22 1
T
u
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c
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I
du
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1
1
(4― 45)
(4―46)
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(4― 47)
(4― 48)
Tid Uuc e
Ii
/1 1
第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调理想对称的差动放大器,当输入信号为零时,双端输出电压应为零 。 但是在实际电路中,由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称,因而使得输出不为零 。 我们把这种零输入时输出电压不为零的现象,
称为差动放大器的失调 。
第 4章 集成运算放大器电路
S
CS
S
S
C
CC
C
C
CCCCC
S
S
C
C
TBEBE
BEBEIO
I
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I
I
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I
I
I
I
UUU
UUU
1
2
2
1
21
1
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2
1
21
21
)(
)l n (
(4―49)
(4―50)
(4―51)
(4―52)
第 4章 集成运算放大器电路
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU (4― 53)
)(
C
C
BIO R
RII
(4―54)
第 4章 集成运算放大器电路由于差动放大器存在失调,因而实际电路中应设法进行补偿 。 具体的办法是在电路中加入调零措施 。
一种方法是在集成电路的制造过程中,采用电阻版图激光处理技术,调整集电极电阻,使零输入时零输出 。
这种方法效果好,但成本高 。 另一种方法是在外电路中加调零电位器,通过实地调整,作到零输入时零输出 。 图 4― 20示出了两种常用的调零电路,分别称为射极调零和集电极调零电路 。
第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温度漂移差动放大器虽然可以通过调零措施,在某一时刻补偿失调,作到零输入时零输出,但是失调会随温度的改变而发生变化 。 对这种随机的变化,任何调零措施还作不到理想跟踪调整 。 因此,差动放大器仍有零点的温度漂移 (简称温漂 )现象 。 那么失调的温漂有多大呢?
失调电压 UIO的温漂,可以通过式 (4― 53)对温度 T求导得出,并考虑到 ΔRC/RC,ΔIS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定,则第 4章 集成运算放大器电路
IOIOB
IO
IOT
S
S
C
CT
S
S
C
CIO
CII
dT
d
dT
d
I
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T
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T
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R
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I
I
R
R
dT
dU
11
)()(
(4―57)
(4―58)
第 4章 集成运算放大器电路
4―4 集成运算放大器的输出级电路图 4― 21示出了互补型射随器的原理图 。 V1,V2是两个特性相同的异型输出管,其中 V1为 NPN管,V2为
PNP管,它们分别与负载 RL构成射极输出器 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4―21
第 4章 集成运算放大器电路由图 4― 21可知,当忽略管子饱和压降时,最大输出电压幅度近似为 ± UCC,而最大输出电流幅度近似为
± UＣＣ /RL。 由于晶体管实际存在导通电压,硅管约为
0.7V,因而在正负半周内,只有当信号的绝对值大于
0.7V时,管子才导通 。 而在 0.7～ -0.7V之间,两管的输出电流近似为零 。 因此,输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真,如图 4― 22所示 。 这种失真通常称为交越失真 。 图 4― 22是利用两管的合成转移特性曲线
(即 iC与 uBE的关系曲线 ),形象地来说明交越失真产生的原因 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 22 交越失真产生的原因及波形第 4章 集成运算放大器电路为了克服交越失真,可以分别给两管发射结加一正向偏压,其值等于或稍大于导通电压 。 因而只要有信号输入,V1,V2即可轮流导通,从而消除交越失真 。
在集成运放中,常用的偏置方式如图 4― 23所示 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 23
(a)二极管偏置方式； (b)模拟电压源偏置方式
0.7
0
-0.7
0.6
-0.1
-0.8
0.8
0.1
-0.6
第 4章 集成运算放大器电路
(4― 59)
可见,UAB是某一倍数的 UBE4,所以该电路也称为 UBE
的倍增电路 。 调整 R1,R2的比值,可以得到所需的偏压值 。
由于 R1从集电极反接到基极,具有负反馈作用,因而使 A、
B间的动态电阻很小,近似为一个恒压源
)1()1(
2
1
4
2
1
22
224214
22114114
R
R
U
R
R
RIU
RIUIII
RIRIURIUU
BEAB
BEB
BECEAB
所以，而时，当忽略第 4章 集成运算放大器电路
4―5 集成运放电路举例
4―5―1 集成运算放大器 F007
双极型集成运放 F007是一种通用型运算放大器 。
由于它性能好,价格便宜,所以是目前使用最为普遍的集成运放之一 。 F007的电路原理图如图 4― 24所示 。
图中各引出端所标数字为组件的管脚编号 。 F007由三级放大电路和电流源等组成,下面分别作一介绍 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4―24 F007 电路原理图第 4章 集成运算放大器电路参照图 4― 24,整个电路由四部分组成
1.偏置电路：由 V7,V8,V9~V13组成
2.输入级,V1~V6,其中 V7为 V5,V6提供偏置
3.中间级,V16,V17
4.输出级,V15,V18,V19,V14
V13作为中间放大级的有源负载,又供给输出级偏置电流 。
V8～ V13,R4和 R5构成电流源组 。 其中,V11,V5和 V12产生整个电路的基准电流 。 V10和 V11组成小电流电流源,作镜像电流源 V8,V9的参考电流,并为 V3,V4提供基极偏流 。 V8的输出电流为输入级提供偏置 。
V12,V13组成镜像电流源,作中间放大级的有源负载 。
有关 F007和部分集成运放的性能指标见表 4-1。
1,差模电压放大倍数差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比 。 在双端输出时,输出电压为
2121
2121
22
22
ididididid
ododododod
UUUUU
UUUUU
输入差模电压为所以
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
(4― 18)
式中,R′L=RC‖ RL。 可见,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数 。2
1
第 4章 集成运算放大器电路可见,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,且两输出端信号的相位相反 。 需要指出,若单端输出时的负载 RL接在一个输出端到地之间,则计算
Aud时,总负载应改为 R′L=RC‖ RL。
单端输出时，则
ud
id
od
id
od
ud
ud
id
od
id
od
ud
A
U
U
U
U
A
A
U
U
U
U
A
2
1
2
2
1
2
1
12
(
1
11
(
单）
单）
(4― 19)
(4― 20)
或第 4章 集成运算放大器电路
2,差模输入电阻差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比 。 由图 4― 13可得
be
id
id
id
id
id rI
U
I
UR 22 1
3,差模输出电阻双端输出时为
(4―21)
Cod
Cod
RR
RR
单）(
2单端输出时为
(4―22a)
(4― 22b)
第 4章 集成运算放大器电路二,共模抑制特性如果在图 4― 12差动放大器的两个输入端加上一对大小相等,相位相同的共模信号,即 Ui1=Ui2=Uic,由图可知,此时两管的射极将产生相同的变化电流 ΔiE,使得流过 RE的变化电流为 2ΔiE,从而引起两管射极电位有 2 RE Δ iE的变化 。 因此,从电压等效的观点看,相当每管的射极各接有 2 RE的电阻 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,图 4― 12电路的共模等效通路如图
4― 14所示 。 利用该电路,现在来分析它的共模指标 。
1.共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数定义为
ic
icoc
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
当电路完全对称时,Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零,即 Auc=0。
第 4章 集成运算放大器电路单端输出时的共模电压放大倍数定义为
Ebe
C
ic
oc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
Rr
R
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U
U
U
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2)1(
21
(
2
(
1
(
单）
单）单）
或
(4― 23)
由图 4―14 可得通常满足 (1+β)2RE>>rbe,所以上式可简化为
E
C
uc R
RA
2(单）
(4― 24)
第 4章 集成运算放大器电路可见,由于射极电阻 2RE的自动调节 (负反馈 )作用,
使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小 。 在实际电路中,均满足 RE>RC,故 |Auc(单 )|<0.5,即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制 。 共模负反馈电阻 RE越大,则抑制作用越强 。
第 4章 集成运算放大器电路
2,共模输入电阻由图 4― 14不难看出,共模输入电阻为
]2)1([212
1
Ebe
ic
ic
ic
ic
ic RrI
U
I
UR (4― 25)
3.共模输出电阻单端输出时为
Coc RR?单）(
(4―26)
第 4章 集成运算放大器电路三,共模抑制比 KCMR
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,我们引入参数共模抑制比 KCMR。 它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,即
uc
ud
C M R A
AK? (4― 27)
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
KCMR也常用 dB数表示，并定义为
(4―28)
第 4章 集成运算放大器电路
KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性 。 在双端输出理想对称的情况下,因 Auc=0,所以 KCMR趋于无穷大 。 但实际的差动电路不可能完全对称,因此
KCMR为一有限值 。 在单端输出不对称的情况下,
KCMR必然减小,由式 (4― 18),(4― 19)和 (4― 23)可求得
uc
ud
C M R A
AK? (4― 29)
第 4章 集成运算放大器电路四,对任意输入信号的放大特性如果在图 4― 12差动放大器的两个输入端分别加上任意信号 Ui1和 Ui2,即 Ui1和 Ui2既不是差模信号,也不是共模信号,这时可以把 Ui1和 Ui2写成如下形式：
22
2121
2
11
2121
1
22
22
icid
iiii
i
icid
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
(4― 30)
(4― 31)
第 4章 集成运算放大器电路不难看出,差动电路相当输入了一对共模信号
2121
21
21
21
21
2
2
iiididid
ii
icic
ic
ii
icic
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
和一对差模信号根据定义,这时的差模输入电压为
(4―32)
(4― 33)
(4―34)
第 4章 集成运算放大器电路
idudicucidud
icucidud
iiudidud
icuciduduc
iiididid
ii
idid
ic
ii
icic
UAUAUA
UAUAU
UUAUA
UAUAUA
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
2
1
2
1
)(
,0
2
2
)(
)()(01
21
0
2121
21
21
21
21
单单单单端输出时，有故双端输出时，由于和电压和共模输出电压之输出电压应为差模输出第 4章 集成运算放大器电路图 4―12 基本差动放大器 图 4―14 基本差动放大器的共模等效通路第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 3具有恒流源的差动放大电路图 4― 12所示的基本差动放大器,存在两个缺点：
一是共模抑制比做不高,二是不允许输入端有较大的共模电压变化 。 对于前者,是因为差放管 V1,V2的 rbe与
RE相关,即 RE较大而忽略 rbb′时,由式 (4― 15),rbe可近似为与 RE成正比 。 对于单端输出,将上式代入式
(4― 29)可得
T
EE
CT
LEE
Cbe
EL
C M R U
U
RU
RU
Rr
RRK
22(?
单）
(4―38)
)2(2)1()1(
E
EE
EQ
EE
TE
EQ
T
be R
UI
U
UR
I
Ur
第 4章 集成运算放大器电路若 UEE=15V,则室温下,KCMR(单 )的上限约为 300，
而与 RE的取值无关 。 可见,不能单靠增大 RE来提高共模抑制比 。 对于后者,因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化,进而将影响差放管的静态工作电流,使 rbe改变 。 因此,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,这是我们不希望的 。
第 4章 集成运算放大器电路为此,用恒流源代替图 4― 12电路中的 RE,可以有效地克服上述缺点 。 一种具有恒流源的差动放大电路如图 4― 15(a)所示 。 图中,恒流源为单管电流源 。 这是分电流源,小电流电流源等 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路； (b)电路的简化表示为此，用恒流源代替图 4―12 电路中的 RE，可以有效地克服上述缺点。
一种具有恒流源的差动放大电路如图 4―15(a) 所示。图中，恒流源为单管电流源。这是分电流源、小电流电流源等。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 15(a)电路的静态工作点,可按以下方法估算：
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
321
3
33
21
2
2
1
2
2
图 4― 15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路；
第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 4差动放大器的传输特性在图 4― 16电路中,设恒流源电流 I小于差放管的集电极临界饱和电流,即 I<UCC/RC,从而使差放管的工作点偏向截止区 。 在此条件下,图中的两个对称差放管 V1,V2
TBETBE
TBETBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eIeIi
eIeIi
//
2
//
1
22
11
)1(
)1(
(4―39a)
(4―39b)
由图可知
21 EE iiI
第 4章 集成运算放大器电路
TBETBE
TBETBE
Tid
TidTid
TidTid
Tid
T
BEBE
T
BEBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
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eeII
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i
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/2
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//
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2
1
2
1
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2
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22
11
21
12
)1(
)1(
)
2
()(
)
2
(
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)
2
(
22221
)1()1(
)1()1(
同理第 4章 集成运算放大器电路图 4― 17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4― 17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路一,两管集电极电流之和恒等于 I
当 uid=0 时,差 动 电 路 处 于 静 态,这时
iC1=iC2=ICQ=I/2。 当差模电压输入时,一管电流增大,
另一管电流减小,且增大量等于减小量,两管电流之和恒等于 I。
第 4章 集成运算放大器电路二,传输特性具有非线性特性由图 4― 17不难看出,在静态工作点附近,当
|uid|≤UT,即室温下,uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。 这表明 iC1,iC2和 uo与 uid成线性关系 。 当 |
uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时,传输特性明显弯曲,而后趋于水平,说明 | uid |继续增大时,iC1,iC2和 uo将保持不变 。 这表明差动电路在大信号输入时,具有良好的限幅特性或电流开关特性 。 此时,一管截止,恒流源电流全部流入另一管 。
第 4章 集成运算放大器电路为了扩展传输特性的线性区范围,可在每个差放管的射极串接负反馈电阻 R(或在基极串接电阻 RB),如图 4― 18(a)所示 。 扩展后的电流传输特性曲线见图
4---18(b)。 显然,R(RB)越大,扩展的线性区范围将越大,如图 (b)曲线 ①,② 所示 。 不过,随着线性区范围的扩大,曲线的斜率减小,表明差动放大器的增益将随之降低 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4― 18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路三,差动放大器的增益与 I成正比由图 4― 17(a)所示曲线可知,小信号工作时,在工作点处,iC受 uid的线性控制,其控制作用的大小可以用跨导 gm来衡量 。 gm定义为工作点处,双端输出电流的变化量 ΔiC与输入差模电压变化量 Δuid之比,即
1
22
mQ
id
C
m
Q
id
C
m
g
u
i
g
u
i
g
因为 ΔiC=ΔiＣ１ -ΔiＣ 2=2ΔiＣ１,所以上式变为
(4― 44)
第 4章 集成运算放大器电路式中,gm1=ΔiＣ１ /Δuid,为 Q点处单端输出时的跨导,
反映在传输特性上,是图 4― 17(a)曲线在 uid =0处的斜率 。
在 uid =0处,对式 (4― 41a)求导,可得
T
mm U
Igg
22 1
T
u
id
c
m U
I
du
dig
id 40
1
1
(4― 45)
(4―46)
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I
U
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RgA
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di
R
du
du
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2
(4― 47)
(4― 48)
Tid Uuc e
Ii
/1 1
第 4章 集成运算放大器电路
4― 3― 5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调理想对称的差动放大器,当输入信号为零时,双端输出电压应为零 。 但是在实际电路中,由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称,因而使得输出不为零 。 我们把这种零输入时输出电压不为零的现象,
称为差动放大器的失调 。
第 4章 集成运算放大器电路
S
CS
S
S
C
CC
C
C
CCCCC
S
S
C
C
TBEBE
BEBEIO
I
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I
I
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I
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I
I
I
I
UUU
UUU
1
2
2
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1
2
2
1
21
21
)(
)l n (
(4―49)
(4―50)
(4―51)
(4―52)
第 4章 集成运算放大器电路
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU (4― 53)
)(
C
C
BIO R
RII
(4―54)
第 4章 集成运算放大器电路由于差动放大器存在失调,因而实际电路中应设法进行补偿 。 具体的办法是在电路中加入调零措施 。
一种方法是在集成电路的制造过程中,采用电阻版图激光处理技术,调整集电极电阻,使零输入时零输出 。
这种方法效果好,但成本高 。 另一种方法是在外电路中加调零电位器,通过实地调整,作到零输入时零输出 。 图 4― 20示出了两种常用的调零电路,分别称为射极调零和集电极调零电路 。
第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温度漂移差动放大器虽然可以通过调零措施,在某一时刻补偿失调,作到零输入时零输出,但是失调会随温度的改变而发生变化 。 对这种随机的变化,任何调零措施还作不到理想跟踪调整 。 因此,差动放大器仍有零点的温度漂移 (简称温漂 )现象 。 那么失调的温漂有多大呢?
失调电压 UIO的温漂,可以通过式 (4― 53)对温度 T求导得出,并考虑到 ΔRC/RC,ΔIS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定,则第 4章 集成运算放大器电路
IOIOB
IO
IOT
S
S
C
CT
S
S
C
CIO
CII
dT
d
dT
d
I
dT
dU
T
U
T
U
I
I
R
R
dT
dU
I
I
R
R
dT
dU
11
)()(
(4―57)
(4―58)
第 4章 集成运算放大器电路
4―4 集成运算放大器的输出级电路图 4― 21示出了互补型射随器的原理图 。 V1,V2是两个特性相同的异型输出管,其中 V1为 NPN管,V2为
PNP管,它们分别与负载 RL构成射极输出器 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4―21
第 4章 集成运算放大器电路由图 4― 21可知,当忽略管子饱和压降时,最大输出电压幅度近似为 ± UCC,而最大输出电流幅度近似为
± UＣＣ /RL。 由于晶体管实际存在导通电压,硅管约为
0.7V,因而在正负半周内,只有当信号的绝对值大于
0.7V时,管子才导通 。 而在 0.7～ -0.7V之间,两管的输出电流近似为零 。 因此,输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真,如图 4― 22所示 。 这种失真通常称为交越失真 。 图 4― 22是利用两管的合成转移特性曲线
(即 iC与 uBE的关系曲线 ),形象地来说明交越失真产生的原因 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 22 交越失真产生的原因及波形第 4章 集成运算放大器电路为了克服交越失真,可以分别给两管发射结加一正向偏压,其值等于或稍大于导通电压 。 因而只要有信号输入,V1,V2即可轮流导通,从而消除交越失真 。
在集成运放中,常用的偏置方式如图 4― 23所示 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4― 23
(a)二极管偏置方式； (b)模拟电压源偏置方式
0.7
0
-0.7
0.6
-0.1
-0.8
0.8
0.1
-0.6
第 4章 集成运算放大器电路
(4― 59)
可见,UAB是某一倍数的 UBE4,所以该电路也称为 UBE
的倍增电路 。 调整 R1,R2的比值,可以得到所需的偏压值 。
由于 R1从集电极反接到基极,具有负反馈作用,因而使 A、
B间的动态电阻很小,近似为一个恒压源
)1()1(
2
1
4
2
1
22
224214
22114114
R
R
U
R
R
RIU
RIUIII
RIRIURIUU
BEAB
BEB
BECEAB
所以，而时，当忽略第 4章 集成运算放大器电路
4―5 集成运放电路举例
4―5―1 集成运算放大器 F007
双极型集成运放 F007是一种通用型运算放大器 。
由于它性能好,价格便宜,所以是目前使用最为普遍的集成运放之一 。 F007的电路原理图如图 4― 24所示 。
图中各引出端所标数字为组件的管脚编号 。 F007由三级放大电路和电流源等组成,下面分别作一介绍 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4―24 F007 电路原理图第 4章 集成运算放大器电路参照图 4― 24,整个电路由四部分组成
1.偏置电路：由 V7,V8,V9~V13组成
2.输入级,V1~V6,其中 V7为 V5,V6提供偏置
3.中间级,V16,V17
4.输出级,V15,V18,V19,V14
V13作为中间放大级的有源负载,又供给输出级偏置电流 。
V8～ V13,R4和 R5构成电流源组 。 其中,V11,V5和 V12产生整个电路的基准电流 。 V10和 V11组成小电流电流源,作镜像电流源 V8,V9的参考电流,并为 V3,V4提供基极偏流 。 V8的输出电流为输入级提供偏置 。
V12,V13组成镜像电流源,作中间放大级的有源负载 。
有关 F007和部分集成运放的性能指标见表 4-1。
