第四章 集成运算放大电路
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当T1,T2,T3均 工 作 在 放 大 状 态 时 , 各电流之间关系为:
IR怎么算? 整理后可得 I o
2 IR 2 2 2
2
Io更加稳定
三、微电流源 晶体管T0 是基准管,它的 U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V ,
工作在放大状态。
图3
(4) 交流分析 差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度镜像电流源作为差
分电路的有源负载。
电压放大级:复合管T16,T17,有源负载IC13
。
输出级中的R7,R8,T15组成倍增电路(交流短路), 给互补输出管T14,T18,T19提供静态偏置,以消除交越越失真。 同相,反相
§4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
得到简化的交流等效电路后,将晶体管用小信号模型替代,就可以 计算放大电路的动态指标。 (1) 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路,主要由T1、T3(共集-共基组合) 和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集—共射电路; 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。 (2) 基准电流分析 T12、R5、T11组成运放的基准电流源,流过R5的基准电流为
1、输入失调电压Uio 输入电压为0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。 Uio越小,电路对称性越好。 2、输入失调电流Iio 输入电压为0时,差分输入级差分对管基极电流之差。 用于表 征差分级输入电流不对称的程度。 3、输入偏置电流IIB 运放两个输入端偏置电流的平均值,用于衡量差分放大对管输 入电流的大小。 4、输入失调电压温漂dUio/dT 在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量dUio与 温度变化量dT之比。 5、输入失调电流温漂dIio/dT 在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量dUio与 温度变化量dT之比。
Rb rbe
Rc用有源负载代替,提高了 放大倍数。
运算放大器的读图过程如下: (1) 运放电路结构分解 根据运放结构特点,将运放分解成输入级、中间级和输出级、 基准电流源等四个基本部分。 (2) 基准电流分析 运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源,由它产生基准参 考电流IR 。 (3) 静态偏置分析 在基准电流基础上,通过镜像直流电流或微镜像直流电流源, 产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源,这些直流恒流源提供 放大用晶体管的静态偏置。 将镜像直流源电路用等效恒流源代替,可以得到等效直流通路 ,用于分析各级直流偏置。 (4) 交流分析 运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加 功能电路,如交越失真补偿电路等, 这些电路通常并不影响放大 电路指标计算。对辅助电路进行简化,可以方便交流分析。
四、以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放的共射(共源)放大电路中,为了提高电压放大 倍数,常用电流源电路取代Rc (或Rd ),这样在电源电压不 变的情况下,既获得合适的静态电流,又可以得到很大的等效 的Rc(或 Rd )。 1、有源负载共射放大电路
IC 2
2
IR
这是一个共发射极放大电 路。以前在Vcc和T1之间 接Rc。现在由电流源代替。
IC 0
VCC U BE 0 IR R
T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为:
IE0 U BE 0 UT ln (1) IS T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为: I E1 U BE 1 UT ln (2) IS
由基极回路方程得:
U BE 0 U BE 1 I E1 Re
IR 当 =2时 , 基 本 镜 像 恒 流 值 IO 2
IR怎么算?
3 增 加T2管 后 , O I R, 更 接 近 R。 I I 4
二.威尔逊恒流源电路,试计算恒流输出值。
T1管是基准管 BE 1 U BEQ 0.7V , U
IR
IC IE3 IC
UCEQ1 U BE 3 U BE 1 1.4V工作在放大状态
3.级间耦合设计 放大电路的主要性能指标有:电压放大倍数,电流放大倍数, 输入电阻,输出电阻和通频带等。不同组态的单级放大电路的的指 标特性如表1。
单级放大电路由于不能同时满足上述四个指标,因而必须采用多级 级联放大。级间耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等 。 由于电解电容成本不高,在分立放大电路中级间常采用阻容耦 合,这样可减少各级之间静态工作点的相互影响。 在集成运放电路中通常只能制作小容量(几十pF)电容,不能 制作大容量电解电容,级间通常采用直接耦合。
若不采用微电源源电路,采用基本恒流源电路,虽然只需要一个 电阻R,但此时电阻阻值要求为:
此阻值远大于微电源电路中电阻R与Re之和,意味着需要占用 更多的芯片面积。
求图示电路各管的集电极电流。它们的β均为5, 例题:
它们b-e间的电压值约为0.7V。
解:先求基准电流,R5上的电流为 基准电流。 2VCC U BE12 U BE11 IR R5
基准电流
输出电流
T2、T3和R组成镜像 电流源。只要确定R, IR就确定。Ic2就确定。 因此可以提供合适的 静态偏置。
这个集电极负载叫做有源负载 (有电源才能工作),电流源 动态电阻等于uCE2/ic2 ,为无穷 大。
对于共射极放大电路
Uo Au Ui
RC // RL
(3) 静态偏置分析 T10与T11构成微镜像电流源,一方面给T3、T4的基极提供 偏置,另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的 集电极提供恒流偏置,同时作为T1、T2的恒流负载。 T13与T12构成镜像电流源。T13一方面给T17提供偏置电流 ,同时作为T17的有源负载。 将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替,得到等效直流 通路如图3所示。
集成运放和分立元件放大电路在电路结构上有何不同考虑 ? 【解答过程】: 1.组成放大电路的器件或原材料。 图1是典型分立(或离散)元器件构成的放大电路原理图
图1 构成这类放大电路的主要元器件有三极管(场效应管)、电阻、 电解电容(耦合或旁路用)等。
图2是uA741运算放大电路的原理图,其中的电阻、电容和晶体管 全部由单晶硅材料制作。
所以线性区很窄。
§4.2集成运放中的电流源电路
集成运放中的电流源由晶体管或场效应管组成,其作用: 1、为各级放大器提供合适的静态工作点; 2、代替大电阻,以提高放大电路的放大能力。
一、基本电流源电路
1、镜像电流源 晶体管T0 是基准管,它的 U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V , 工作在放大状态。 当T0 与 T1特性参数完全一致时,由U BE 0 = U BE1可推得 I B0 = I B1 = I B IC 0 = IC1 = I o 由基极输入回路得, VCC U BE I0 IR I0 2I B I0 2 R Io 基准电流 1 I I 所以,0 2 R 1
三、集成运放的电压传输特性
集成运放符号
集成运放有两个输入端,一个输出端。当uP为正时, uo为正,称uP为“同相输入端”,当uN为正时,uo为 负,称uN为“反相输入端”。 集成运放的电压传输特性是开环时,uo与uPuN之间 关系。 即:
u0 A0(uP uN) A0d uid d
二、集成运放的电路组成
3、输出级:双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式, 其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范 围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真,通常会给输出 管提供适当的偏置电流。 4、偏置电路:运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置 电路设计有很大不同,主要由各种形式的恒流源电路实现, 熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。
6、最大差模输入电压Uidmax 极 限 运放两输入端能承受的最大差模输入电压,超过此电压时,差 参 分管将反向击穿。 数 7、最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下,共模输入电压的允许范围。共模 电压超过此值,输入差分对管饱和。 8、开环差模增益Aod 运放在无反馈条件下,输出电压变化量与输入电压变化量之比。
30 0.7 0.7 0.73mA 39 T10与T11构成微电流源:
I C10 I C10
UT I R 26 0.73 ln ln 3 I R4 I C10 C10 28A
T12与T13构成镜像电流源:
I C13 I C12
5 IR 0.73m A 0.52m A 2 5 2
式中Aod为差模开环放大倍数,一般很大,可达几十万倍。 uid 为净输入电压,即差模输入电压, uid u P u N
设A0d 105
uo的最大值Uom=10V。
则uId 104V 0.1mV
电压传输特性
则uid 在 0.1mV范 围 内 , 运 放 工 作 在 性 状 态 , 线 若 超 出 .1mV , 运 放 工 作 在 正 负 饱 和 态 0 状 (非 线 性 状 态 )。
(3)
将式(1),式(2)代入式(3),同时考虑IC0IE0 IC1IE1
I E 0 UT UT IR Re ln ln I E1 I E1 IC1 IC1 (4)
基准 输出
例,当电源电压等于+15V,
,
若要产生 IC 1 10A 的恒流源,试确定电阻R1的值。
将参数代入式(4)可得 Re 11.97K
第四章
集成运算放百度文库电路
§4.1集成运算放大电路概述 一、集成运放的电路结构特点
集成运算放大电路:高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
二、集成运放的电路组成
1、输入级:运算放大器的输入级通常是差分放大电路,其主 要功能是抑制共模干扰和温漂,双极型运放中差分管通常采 用CC-CB复合管,以便拓展通频带。 2、中间级:电压放大,要求:放大倍数要尽可能大,通常采 用共射或共源电路,并采用恒流源负载和复合管以增加电压 放大倍数。
(2)加射极输出器的电流源 增加 T2 管可以进一步减少恒流输 出 与基准电流 之间的差值。 T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1,所以IB0 =IB1=IB 。
I C1 I C 0 I R I B 2 I R I C1 IR 2 1 ( ) 1 IE2 2I 2 I C1 I R B1 I R 1 1 ( ) 1
图2
2.静态偏置电路设计 分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜,成本远低于三 极管。因此,分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器 形式。而集成运放由于制作工艺的特点,制作一个大电阻所需的硅 芯片面积要远高于制作晶体管的面积。因此,在集成放大电路中会 尽量少用电阻,一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。 分立元件放大电路中常用的大容量(大于1 )电容通常是铝 质电解电容,小容量电容有瓷片电容等,成本一般都较低。设计时 可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直流隔直作用(图1中 的C1,C2)。而集成运放中,利用PN结电容效应很难制作出容量稍 大的电容。 由于制造工艺的限制,分立元件放大电路中不同三极管特性参 数的离散性很大,例如,即使同一批次三极管的放大倍数 可能在 200~400之间,设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同 一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。 因此,集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路。 集电极负载也不采用电阻,而是采用恒流源作为负载。
输出电流
当
时,I 0
IR
。
IO和IR呈镜像关系,此电路称为镜像电流源。
恒流输出管T1 的交流通路如图(b)所示,将晶体管用微变等效 模型替代后的电路模型如图(c),显然,恒流源的内阻
2 、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种,如图所示。 (1)多路电流源电路
以基准管的集电极面积为基准,
可得到一组与集电极面积成正 比的多个恒流源 I O1 , I O 2 , I O 3 。
IR怎么算? 整理后可得 I o
2 IR 2 2 2
2
Io更加稳定
三、微电流源 晶体管T0 是基准管,它的 U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V ,
工作在放大状态。
图3
(4) 交流分析 差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度镜像电流源作为差
分电路的有源负载。
电压放大级:复合管T16,T17,有源负载IC13
。
输出级中的R7,R8,T15组成倍增电路(交流短路), 给互补输出管T14,T18,T19提供静态偏置,以消除交越越失真。 同相,反相
§4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
得到简化的交流等效电路后,将晶体管用小信号模型替代,就可以 计算放大电路的动态指标。 (1) 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路,主要由T1、T3(共集-共基组合) 和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集—共射电路; 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。 (2) 基准电流分析 T12、R5、T11组成运放的基准电流源,流过R5的基准电流为
1、输入失调电压Uio 输入电压为0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。 Uio越小,电路对称性越好。 2、输入失调电流Iio 输入电压为0时,差分输入级差分对管基极电流之差。 用于表 征差分级输入电流不对称的程度。 3、输入偏置电流IIB 运放两个输入端偏置电流的平均值,用于衡量差分放大对管输 入电流的大小。 4、输入失调电压温漂dUio/dT 在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量dUio与 温度变化量dT之比。 5、输入失调电流温漂dIio/dT 在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量dUio与 温度变化量dT之比。
Rb rbe
Rc用有源负载代替,提高了 放大倍数。
运算放大器的读图过程如下: (1) 运放电路结构分解 根据运放结构特点,将运放分解成输入级、中间级和输出级、 基准电流源等四个基本部分。 (2) 基准电流分析 运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源,由它产生基准参 考电流IR 。 (3) 静态偏置分析 在基准电流基础上,通过镜像直流电流或微镜像直流电流源, 产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源,这些直流恒流源提供 放大用晶体管的静态偏置。 将镜像直流源电路用等效恒流源代替,可以得到等效直流通路 ,用于分析各级直流偏置。 (4) 交流分析 运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加 功能电路,如交越失真补偿电路等, 这些电路通常并不影响放大 电路指标计算。对辅助电路进行简化,可以方便交流分析。
四、以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放的共射(共源)放大电路中,为了提高电压放大 倍数,常用电流源电路取代Rc (或Rd ),这样在电源电压不 变的情况下,既获得合适的静态电流,又可以得到很大的等效 的Rc(或 Rd )。 1、有源负载共射放大电路
IC 2
2
IR
这是一个共发射极放大电 路。以前在Vcc和T1之间 接Rc。现在由电流源代替。
IC 0
VCC U BE 0 IR R
T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为:
IE0 U BE 0 UT ln (1) IS T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为: I E1 U BE 1 UT ln (2) IS
由基极回路方程得:
U BE 0 U BE 1 I E1 Re
IR 当 =2时 , 基 本 镜 像 恒 流 值 IO 2
IR怎么算?
3 增 加T2管 后 , O I R, 更 接 近 R。 I I 4
二.威尔逊恒流源电路,试计算恒流输出值。
T1管是基准管 BE 1 U BEQ 0.7V , U
IR
IC IE3 IC
UCEQ1 U BE 3 U BE 1 1.4V工作在放大状态
3.级间耦合设计 放大电路的主要性能指标有:电压放大倍数,电流放大倍数, 输入电阻,输出电阻和通频带等。不同组态的单级放大电路的的指 标特性如表1。
单级放大电路由于不能同时满足上述四个指标,因而必须采用多级 级联放大。级间耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等 。 由于电解电容成本不高,在分立放大电路中级间常采用阻容耦 合,这样可减少各级之间静态工作点的相互影响。 在集成运放电路中通常只能制作小容量(几十pF)电容,不能 制作大容量电解电容,级间通常采用直接耦合。
若不采用微电源源电路,采用基本恒流源电路,虽然只需要一个 电阻R,但此时电阻阻值要求为:
此阻值远大于微电源电路中电阻R与Re之和,意味着需要占用 更多的芯片面积。
求图示电路各管的集电极电流。它们的β均为5, 例题:
它们b-e间的电压值约为0.7V。
解:先求基准电流,R5上的电流为 基准电流。 2VCC U BE12 U BE11 IR R5
基准电流
输出电流
T2、T3和R组成镜像 电流源。只要确定R, IR就确定。Ic2就确定。 因此可以提供合适的 静态偏置。
这个集电极负载叫做有源负载 (有电源才能工作),电流源 动态电阻等于uCE2/ic2 ,为无穷 大。
对于共射极放大电路
Uo Au Ui
RC // RL
(3) 静态偏置分析 T10与T11构成微镜像电流源,一方面给T3、T4的基极提供 偏置,另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的 集电极提供恒流偏置,同时作为T1、T2的恒流负载。 T13与T12构成镜像电流源。T13一方面给T17提供偏置电流 ,同时作为T17的有源负载。 将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替,得到等效直流 通路如图3所示。
集成运放和分立元件放大电路在电路结构上有何不同考虑 ? 【解答过程】: 1.组成放大电路的器件或原材料。 图1是典型分立(或离散)元器件构成的放大电路原理图
图1 构成这类放大电路的主要元器件有三极管(场效应管)、电阻、 电解电容(耦合或旁路用)等。
图2是uA741运算放大电路的原理图,其中的电阻、电容和晶体管 全部由单晶硅材料制作。
所以线性区很窄。
§4.2集成运放中的电流源电路
集成运放中的电流源由晶体管或场效应管组成,其作用: 1、为各级放大器提供合适的静态工作点; 2、代替大电阻,以提高放大电路的放大能力。
一、基本电流源电路
1、镜像电流源 晶体管T0 是基准管,它的 U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V , 工作在放大状态。 当T0 与 T1特性参数完全一致时,由U BE 0 = U BE1可推得 I B0 = I B1 = I B IC 0 = IC1 = I o 由基极输入回路得, VCC U BE I0 IR I0 2I B I0 2 R Io 基准电流 1 I I 所以,0 2 R 1
三、集成运放的电压传输特性
集成运放符号
集成运放有两个输入端,一个输出端。当uP为正时, uo为正,称uP为“同相输入端”,当uN为正时,uo为 负,称uN为“反相输入端”。 集成运放的电压传输特性是开环时,uo与uPuN之间 关系。 即:
u0 A0(uP uN) A0d uid d
二、集成运放的电路组成
3、输出级:双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式, 其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范 围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真,通常会给输出 管提供适当的偏置电流。 4、偏置电路:运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置 电路设计有很大不同,主要由各种形式的恒流源电路实现, 熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。
6、最大差模输入电压Uidmax 极 限 运放两输入端能承受的最大差模输入电压,超过此电压时,差 参 分管将反向击穿。 数 7、最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下,共模输入电压的允许范围。共模 电压超过此值,输入差分对管饱和。 8、开环差模增益Aod 运放在无反馈条件下,输出电压变化量与输入电压变化量之比。
30 0.7 0.7 0.73mA 39 T10与T11构成微电流源:
I C10 I C10
UT I R 26 0.73 ln ln 3 I R4 I C10 C10 28A
T12与T13构成镜像电流源:
I C13 I C12
5 IR 0.73m A 0.52m A 2 5 2
式中Aod为差模开环放大倍数,一般很大,可达几十万倍。 uid 为净输入电压,即差模输入电压, uid u P u N
设A0d 105
uo的最大值Uom=10V。
则uId 104V 0.1mV
电压传输特性
则uid 在 0.1mV范 围 内 , 运 放 工 作 在 性 状 态 , 线 若 超 出 .1mV , 运 放 工 作 在 正 负 饱 和 态 0 状 (非 线 性 状 态 )。
(3)
将式(1),式(2)代入式(3),同时考虑IC0IE0 IC1IE1
I E 0 UT UT IR Re ln ln I E1 I E1 IC1 IC1 (4)
基准 输出
例,当电源电压等于+15V,
,
若要产生 IC 1 10A 的恒流源,试确定电阻R1的值。
将参数代入式(4)可得 Re 11.97K
第四章
集成运算放百度文库电路
§4.1集成运算放大电路概述 一、集成运放的电路结构特点
集成运算放大电路:高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
二、集成运放的电路组成
1、输入级:运算放大器的输入级通常是差分放大电路,其主 要功能是抑制共模干扰和温漂,双极型运放中差分管通常采 用CC-CB复合管,以便拓展通频带。 2、中间级:电压放大,要求:放大倍数要尽可能大,通常采 用共射或共源电路,并采用恒流源负载和复合管以增加电压 放大倍数。
(2)加射极输出器的电流源 增加 T2 管可以进一步减少恒流输 出 与基准电流 之间的差值。 T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1,所以IB0 =IB1=IB 。
I C1 I C 0 I R I B 2 I R I C1 IR 2 1 ( ) 1 IE2 2I 2 I C1 I R B1 I R 1 1 ( ) 1
图2
2.静态偏置电路设计 分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜,成本远低于三 极管。因此,分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器 形式。而集成运放由于制作工艺的特点,制作一个大电阻所需的硅 芯片面积要远高于制作晶体管的面积。因此,在集成放大电路中会 尽量少用电阻,一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。 分立元件放大电路中常用的大容量(大于1 )电容通常是铝 质电解电容,小容量电容有瓷片电容等,成本一般都较低。设计时 可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直流隔直作用(图1中 的C1,C2)。而集成运放中,利用PN结电容效应很难制作出容量稍 大的电容。 由于制造工艺的限制,分立元件放大电路中不同三极管特性参 数的离散性很大,例如,即使同一批次三极管的放大倍数 可能在 200~400之间,设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同 一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。 因此,集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路。 集电极负载也不采用电阻,而是采用恒流源作为负载。
输出电流
当
时,I 0
IR
。
IO和IR呈镜像关系,此电路称为镜像电流源。
恒流输出管T1 的交流通路如图(b)所示,将晶体管用微变等效 模型替代后的电路模型如图(c),显然,恒流源的内阻
2 、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种,如图所示。 (1)多路电流源电路
以基准管的集电极面积为基准,
可得到一组与集电极面积成正 比的多个恒流源 I O1 , I O 2 , I O 3 。