模拟电子技术第4章.docx
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模拟电子技术第4章
第4章 集成运算放大器
本章基本内容、教学要点及能力培养目标
本章简要地介绍了集成运算放大电路的组成、基本特性、主要参数及多级直接耦合放大电路的基本单元电路--差分放大电路。
通过本章的学习,要求能掌握差分放大电路的基本构成,能分析常用的几种基本差分放大单元电路;能讲述集成运算放大器的结构、组成,能分析集成运算放大器的基本特性和主要参数。
本章要讨论的问题
●差分放大电路与其它基本放大电路有什么区别?
为什么它能抑制零点漂移?
●差分放大电路的基本构成及几种常用的基本单元电路?
●集成运放由哪几部分组成?
各部分的作用是什么?
●集成运放的电压传输特性有什么特点?
为什么?
●集成运放有哪些主要技术指标?
如何评价集成运放的性能?
4.1 差分放大电路
重点内容
1、差分放大电路的组成及基本单元电路;
2、差模信号、共模信号;
3、带恒流源的改进型差分放大电路。
难点内容
差分放大电路的分析、计算。
例题详解
【案例分析4.1.1】在图4.1.1所示电路中,已知三极管β1=β2=50,rbe≈2kΩ,Re=2kΩ,Rc=10kΩ,RL=20kΩ。
试求:
该电路的差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数。
分析、求解:
本案例分析试图通过具体电路的分析计算,来说明差分放大电路差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数的求取。
由于整个差分放大电路双端输出时的差模放大倍数Avd等于单管放大电路的电压放大倍数,故可通过单管,对称的一半电路(简称半边电路)的微变等效电路求出Avd。
在差模输入时,两管集电极电流变化量大小相等、方向相反,负载RL的中点电位是不随信号变化的零电位,即中点可等效看作交流地,于是有差模信号的交流通路,如图4.1.2(a)所示。
因为半边电路的负载为RL/2,于是有半边电路的差模交流小信号微变等效电路如图4.1.2(b)所示。
从图4.1.2(a)中可以看出,从电路的两个输入端看进去的等效电阻,即电路的差模输入电阻Rid为
Rid=2rbe
此处,Rid≈2×2kΩ=4kΩ
从电路的两个输出端看进去的等效电阻,即电路的差模输出电阻Rod为
Rod=2Rc
此处,Rod=2×10kΩ=20kΩ
从图4.1.2(b)中可以看出双端输出时的差模电压放大倍数Avd为
此处,
=-125
【案例分析4.1.2】在图4.1.1所示电路中,若电路参数同案例分析4.1.1,且输入信号vI1=5.25V,vI2=5V,试求:
该电路的差模输入信号,共模输入信号;双端输出和单端输出时的共模电压增益,共模输入电阻和共模输出电阻。
分析、求解:
本案例分析试图通过具体电路的分析计算,来说明差分放大电路差模输入电阻、差模输出电阻和差模电压放大倍数的求取。
由vI1≠vI2,可知,电路输入信号中既有差模信号的成分,又有共模信号的成分,由式(4.1.9),有
vId=vI1-vI2=(5.25-5)V=0.25V
vIc=(vI1+vI2)/2=(5.25+5)/2V=5.125V
上述分析同时表明,实际中用仪表可检测vI1、vI2和vId,但用仪表不能直接检测vIc。
在图4.4.1所示电路中加入共模信号,此时在共模信号的作用下,由于电路对称,差分放大电路两管集电极电位总是相等的,因此,双端输出时,负载电阻RL中的共模信号电流为零,RL可视为开路;而两管集电极电流的变化总是大小相等、方向相同的,因此,Re上的共模信号压降ve≈2ic1Re=ic1·2Re,从电压等效的观点,可以认为每个三极管的发射极回路中串接了一个2Re的电阻。
①双端输入、双端输出
此时有双端输入、双端输出的共模信号交流通路,如图4.1.3(a)所示;半边电路的共模微变等效电路,如图4.1.3(b)所示。
共模电压放大倍数是指共模输出电压vOc与共模输入电压vIc之比。
由图4.1.3(a)中可以看出,双端输出时共模电压放大倍数Avc为
由于电路完全对称,vOc1=vOc2,故Avc=0。
温度变化或电压波动引起两管集电极电流的变化,可以等效地视为在输入端加入共模信号的结果。
差分放大电路对共模信号的抑制作用,其实质就是用一管集电极电流的变化去补偿另一管集电极电流的变化。
从图4.1.3(a)所示电路的两输入端看进去的共模输入电阻为两个半边等效电路输入电阻的并联值,即
Ric=[rbe+(1+β)·2Re]/2
此处,Ric=[2+(1+50)×2×2]/2kΩ=103kΩ
通常,Re在几千欧以上,故共模输入电阻比差模输入电阻大得多。
从两个输出端看进去的共模输出电阻为从任一输出端看进去电阻的两倍,即
Roc≈2Rc
此处, Roc≈2×10kΩ=20kΩ
②双端输入、单端输出
此时,在图4.1.1所示电路中,RL不能视为开路,RL是接在一管的集电极与“地”之间。
其共模电压放大倍数为
由于(1+β)·2Re>>rbe,上式可简化为
,RL'=Rc//RL
在实际电路中,一般2Re>RL',故Avc1<1。
即差分放大电路对共模信号没有放大作用,且Re越大,Avc越小,电路对共模信号的抑制能力越强。
显然,共模单端输出方式对共模信号的抑制能力要比双端输出方式的小。
电路的共模输入电阻Ric与双端输出电路一样,仍为
Ric=[rbe+(1+β)·2Re]/2
此处, Ric=[2+(1+50)×2×2]/2kΩ=103kΩ
电路的共模输出电阻Roc为Roc=Rc,是双端输出电路共模输出电阻的一半。
此处, Roc=Rc=10kΩ
【案例分析4.1.3】具有调零电位器的差分放大电路及电路参数如图4.1.8所示,三极管的β=50,VBE(on)=0.7V,rbb'=200Ω,试求:
(1)电路的静态工作点,IC1、IC2和VC1、VC2;
(2)差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻;
(3)当RL接在T1管的集电极与地之间时,差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、共模抑制比和输出电阻;
(4)当vI1=5mV、vI2=1mV时,在第3问条件下的单端输出总电压vO1。
分析、求解:
(1)由于实际电路两边参数不可能完全对称,常用调零电位器RP来消除由于电路不对称而引起的零漂现象。
在分析、求解电路时,可假定RP的动触点置于中间位置。
静态时,VC1=VC2,负载RL中的电流为零,可认为RL开路。
由此,有直流通路如图4.1.9所示。
由图4.1.9可得
VC1=VC2=VCC-ICRC≈(6-0.856×3)V=3.432V
(2)差模放大,双端输出时,有
≈2×5.27kΩ=10.54kΩ
Rod=2Rc=2×3=6kΩ
(3)单端输出时,有
Ro1=Rc1=3kΩ
(4)单端输出时,输出总电压为
vId=vI1-vI2=(5-1)mV=4mV
vIc=(vI1+vI2)/2=[(5+1)/2]mV=3mV
vO1=vIdAvd1+vIcAvc1≈[4×(-9.5)+3×(-0.32)]mV=-38.96mV
课堂提问和讨论解答
T4.1.1 什么是差模信号?
什么是共模信号?
解答:
大小相等,极性相反的信号称为差模信号,而大小相等、极性相同的信号称为共模信号。
通常,任意一对输入信号(vI1、vI2),均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和,即
vI1=vIc+vId/2,VI2=vIc-vId/2。
其中,差模输入信号(电压),vId=vI1-vI2;共模输入信号(电压),vIc=(vI1+vI2)/2。
T4.1.2 什么是零点漂移?
产生零点漂移的主要原因是什么?
解答:
零点漂移(简称零漂)是指:
放大电路输入信号△vI为零时,输出信号△vO不为零的现象。
半导体器件是温度参数的敏感元件,由于温度变化所引起的三极管参数的变化(三极管是温度参数的敏感元件)是产生零点漂移现象的主要原因,由此而产生的零点漂移也称之为温度漂移(简称温漂)。
所以,产生零点漂移的主要原因是温度变化。
T4.1.3 差分放大电路为什么能较好地抑制零点漂移?
解答:
温度变化是产生零点漂移的主要原因。
如图4.1.1所示基本差分放大电路,当环境温度发生变化或电源电压出现波动时,由于T1、T2两管特性相同,电路对称,由温度变化或电源电压波动变化引起的两个三极管参数的变化量是相同的,△iC1=△iC2,△vC1=△vC2,所以输出电压变化量为△vO=△vC1-△vC2=0。
这说明,差分放大电路利用电路的对称特性对两管产生的同向漂移具有很强的抑制作用,即差分放大电路对温漂等零点漂移现象具有很强的抑制作用。
T4.1.4 差分放大电路的发射极接恒流源后有什么好处?
解答:
增大差分放大电路发射极电阻Re的阻值,能够有效地抑制每一边电路的温漂,提高共模抑制比,这一点对于单端输出方式尤为重要。
若Re为无限大,根据式(4.1.11)
,RL'=Rc//RL和式(4.1.14)
,有Avc→0,KCMR→∞。
但由于VEE和差分管耐压特性的限制,Re不能取值过大。
若采用直流电阻小、交流电阻大,具备恒流源特性的工作点稳定的共射放大电路来等效代替发射极电阻Re,则既能适用于较低的电源电压,又可提高电路的共模抑制比KCMR。
T4.1.5 差分放大电路有哪四种输入、输出方式?
试比较它们的性能。
解答:
差分放大电路有双端输入、双端输出,单端输入、双端输出,双端输入、单端输出,单端输入、单端输出四种输入、输出方式。
双端输入、双端输出方式适用于输入、输出都不需接地,对称输入、输出的场合;双端输入、单端输出方式适用于将双端输入转换为单端输出的场合;单端输入、双端输出方式适用于将单端输入转换为双端输出的场合;单端输入、单端输出方式适用于输入、输出电路中都需接地的场合。
其性能比较如表4.1.1所示。
表4.1.1 差分放大电路性能比较
连接方式
双端输出
单端输出
典型电路
差模电压
放大倍数
共模放大倍数及共模抑制比
,
非常小,
非常大
式中Re为电流源内阻,非常大
差模输入
电 阻
Rid≈2rbe
共模输入
电 阻
Ric=[rbe+(1+β)·2Re]/2
输 出
电 阻
Ro≈2Rc
Ro≈Rc
用 途
适用于输出不需接地的场合
适用于将双端输入转换为单端输出的场合
4.2 集成运算放大器
重点内容
1、集成运算放大器的基本组成;
2、集成运算放大器的主要技术指标及物理意义;
3、通用型集成运放LM741主要技术指标的典型值。
难点内容
集成运算放大器的主要技术指标的物理意义。
课堂提问和讨论解答
T4.2.1 集成运算放大器内电路通常由哪几部分组成?
各部分的功能是什么?
有什么特点?
解答:
集成运算放大器从本质上看就是一种高性能的直接耦合放大电路,其内部组成通常包含四个基本部分,即差分输入级、中间电压放大级、功率放大输出级和偏置电路,如图4.2.1所示。
其中:
输入级是集成运算放大器的前置电路。
为了减小零点漂移和抑制共模干扰信号,运算放大器的输入级一般都采用具有恒流源的差分放大电路,故又称差动输入级。
中间电压放大级是集成运算放大器的主放大电路。
运算放大器的总的电压增益主要是由中间级提供的,一般都采用带有恒流源负载的复合管结构形式的共射放大电路,以具有较高的输入电阻和较大的电压放大倍数,其电压放大倍数可达几千倍以上,故又称中间电压放大级。
输出极是集成运算放大器的功率放大电路。
为具有较大的电压输出幅度、较高的输出功率与较低的输出电阻,运算放大器的输出级一般都采用准互补功率放大电路或射极输出器电路。
为了限制通过输出管的电流,保证三极管安全工作,实际电路中一般都加有保护电路。
偏置电路为各级电路提供合适的静态工作电流。
运算放大器的偏置电路一般都是由各种类型的恒流源电路构成。
T4.2.2 集成运放有哪些主要的技术指标?
是如何定义的?
近似分析时,是如何理想化处理的?
解答:
集成运放的主要技术指标、定义、理想化处理为:
1、开环差模电压放大倍数(增益)Aod
Aod是频率的函数,但通常给出的是直流开环增益,Aod定义为输出电压变化量与输入差模电压变化量之比。
它是决定运放精度的重要指标,通常用分贝(dB)表示。
2、输入失调电压VIO
一个理想的集成运放,当输入电压为零时,输出电压也应为零。
实际使用中,由于制造工艺等原因,集成运放的差动输入级不可能完全对称,通常在输入电压为零时,存在一定的输出电压,将其折算到输入端就是输入失调电压,它在数值上等于为了使集成运放的输出电压为零,在输入端加入的直流补偿电压。
若运放工作在线性区,输入失调电压VIO为
3、输入失调电流IIO
一个理想的集成运放两输入端的静态电流应该完全相等。
实际上,当集成运放的输出电压为零时,两输入端的电流不相等,这个静态电流之差就是输入失调电流IIO,即
IIO=|IB1-IB2|
4、温度漂移
放大器的温度漂移是指输入失调电压和输入失调电流随温度漂移的大小。
(1)输入失调电压温漂dVIO/dT
这是指在规定温度范围内VIO的温度系数,dVIO/dT亦称为输入失调电压的温度漂移,是衡量运放的重要指标,其值愈小,表明运放的温漂愈小。
一般运放为10~20μV/℃,高质量的运放dVIO/dT值小于0.5μV/℃。
这个指标往往比失调电压更为重要,因为dVIO/dT不能用外接调零电阻的方法补偿。
(2)输入失调电流温漂dIIO/dT
这是指在规定温度范围内IIO的温度系数,也是对放大器失调电流温度漂移的量度。
同样不能用外接调零装置来补偿。
一般运放dIIO/dT为几nA/℃,高质量的运放dIIO/dT值小于几十pA/℃。
5、共模抑制比KCMR
共模抑制比等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值,常用分贝(dB)表示,即
这个指标用以衡量集成运放抑制温漂的能力。
多数集成运放的KCMR在80dB以上,高质量的运放KCMR可达160dB。
6、差模输入电阻rid
rid是集成运放对输入差模信号的输入电阻,即两输入端之间的电阻。
7、开环带宽BW(fH)和单位增益带宽BWG(fT)
开环带宽BW又称-3dB带宽,是指运算放大器在正弦小信号激励下,开环差模电压增益值下降3dB时所对应的输入信号频率fH。
BWG是指集成运放在开环差模电压增益下降到0dB时所对应的输入信号频率fT,此时开环差模电压放大倍数等于1。
8、最大差模输入电压VIdmax
所指的是集成运放正常工作时,反相和同相输入端之间所能施加的最大差模电压值。
9、最大共模输入电压VIcmax
VIcmax是指输入级能正常放大差模信号情况下允许输入的最大共模信号值,若超过此值,则运放不能对差模信号进行放大。
10、转换速率SR
转换速率是指放大器在闭环状态下,输入大信号(例如阶跃信号或突变信号)时,放大器输出电压对时间的最大变化速率,即
本章小结
1、差分放大电路又称差动放大器,是集成运算放大器中重要的基本单元电路,
2、基本差分放大电路由两个单管共射极放大电路组合而成,具有两个输入端和两个输出端,在理想情况下,电路完全对称,即电路左右两边元件特性和参数完全一致,且在外界条件变化时仍能保持一致。
3、理想的差分放大器只放大两输入端的差模信号,抑制两输入端的共模信号。
为提高共模抑制比,实际差分放大器电路多采用恒流源偏置。
4、差分放大电路常见的连接有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。
双端输出方式对共模信号的抑制能力要比单端输出方式强。
5、集成运算放大器的电路组成和结构基本相同,通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个部分组成。
6、集成运算放大器的主要技术参数有:
电源电压范围、输入失调电压VIO、输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO、温度漂移、最大差模输入电压VIdmax、最大共模输入电压VIcmax、转换速率SR、开环差模电压放大倍数(增益)Aod、开环带宽BW和单位增益带宽BWG、差模输入电阻rid、和共模抑制比KCMR等。
习题详解
4.1 在图E4.1所示的差分放大电路中,已知vI1=50mV,vI2=4.98mV,三极管β=100,VBE(on)=0.7V,试求:
(1)T1和T2管的集电极静态电流ICQ1和ICQ2;
(2)电路的差模输入电压vId和共模输入电压vIc。
解:
如图E4.1所示,电路为双端输入、双端输出方式。
(1)当输入信号vI1=vI2=0,即输入信号为零、静态时,由于两管的特性相同、元件参数对称,流经Re的电流为两个三极管发射极电流的和,有
ICQ=ICQ1=ICQ2=
mA≈0.52mA
(2)vId=vI1-vI2=(50-4.98)mV=45.02mV
mV=27.49mV
4.2 差分放大电路如图E4.2所示,已知三极管β=100,rbb'=200Ω,VBE(on)=0.7V,试求:
(1)T1、T2的ICQ1、ICQ2和VCEQ1、VCEQ2;
(2)Avd、Rid和Rod。
解:
如图E4.2所示,电路为双端输入、双端输出方式。
(1)ICQ=ICQ1=ICQ2=
mA≈0.715mA
VCEQ=VCEQ1=VCEQ2=VCC-ICQRC-(-VBE(on))=(15-0.715×10+0.7)V=8.55V
(2)rbe=rbb'+
Ω≈3.84kΩ
Avd=
≈-100×
≈-86.8
Rid=2rbe≈2×3.84kΩ=7.68kΩ
Rod=2Rc=2×10kΩ=20kΩ
4.3 差分放大电路如图E4.3所示,已知三极管β=100,rbe=3.87kΩ,VBE(on)=0.7V,试求:
(1)Avd、Rid和Rod;
(2)Avc1、Ric和KCMR(dB)。
解:
如图E4.3所示,电路为双端输入、单端输出方式。
(1)Avd1=
≈-64.6
Rid=2rbe≈2×3.87kΩ=7.74kΩ
Rod=Rc=10kΩ
(2)Avc1=
≈-0.25
Ric=[rbe+(1+β)·2Re]/2=
≈1012kΩ
KCMR(dB)=
dB≈48.2dB
或,KCMR(dB)≈
dB≈48.2dB
4.4 在图E4.4所示的差分放大电路中,已知三极管β=100,rbb'=200Ω,VBE(on)=0.7V,调零电位器RW的触点位于中间位置,试求:
(1)静态时ICQ1、ICQ2和VCEQ1、VCEQ2;
(2)双端输出时的Avd、Rid和Rod;
(3)RL一端接地从T1管单端输出时的Avd1、Avc1、Ric和KCMR(dB)。
解:
如图E4.4所示
(1)ICQ=ICQ1=ICQ2=
mA≈0.71mA
VCEQ=VCEQ1=VCEQ2=VCC-ICQRC-(-VBE(on))≈(15-0.71×10+0.7)V=8.6V
(2)电路为双端输入、双端输出方式
rbe=rbb'+
Ω≈3.86kΩ
Rid=
≈[2×3.86+(1+100)×0.2]kΩ≈27.9kΩ
Rod=2Rc=2×10=20kΩ
(3)电路为双端输入、单端输出方式
Ric=
≈
kΩ≈1017kΩ
KCMR(dB)=
dB≈37.1dB
4.5 由差分放大电路组成的简单电压表如图E4.5所示,设电流表Mg的满度偏转电流IM=100μA,电流表支路的总电阻RM=2kΩ,两管的β=50,rbb'=200Ω,VBE(on)=0.7V,试计算要使电流表指针满度偏转,需要加多大的输入电压。
解:
如图E4.5所示,电路为单端输入、双端输出方式
(1)IBQ=
mA≈10μA
rbe=rbb'+
≈(200+
)Ω≈2.8kΩ
vO=IMRM=0.1×2V=0.2V
Avd=
≈-50×
≈-3.27
vId=
≈
V≈-61.2mV
4.6 差分放大电路如图E4.6所示,已知三极管β=100,VBE(on)=0.7V,rbb'=200Ω,rce=200kΩ,试求:
(1)IC3、IC1、IC2;
(2)Avd1、Rid和Ro;※(3)Avc1、Ric和KCMR(dB)。
提示[6]:
(1)T3、R1、R2、Re3构成三极管恒流源;
(2)AB两端的交流等效电阻
。
解:
如图E4.6所示
(1)VR2≈VEE
≈2.46V
IC3≈IE3=
mA≈1.467mA
IC1=IC2=
IC3≈
×1.467mA≈0.73mA
(2)rbe1=rbb'+
Ω≈3.76kΩ
Avd1=
≈
≈-66.5
Rid=2rbe1≈2×3.76kΩ=7.52kΩ
Ro=Rc=10kΩ
(3)rbe3=rbb'+
Ω≈1.97kΩ
rAB=rce3
Ω≈4588kΩ
Avc1=
≈-0.0005
Ric=[rbe1+2rAB·(1+β)]/2≈
kΩ≈46.3.4MΩ
KCMR(dB)=
dB≈102.5dB
4.7 集成运算放大器的输入级一般都选用差分放大电路,主要原因是什么?
解答:
为了减小零点漂移和抑制共模干扰信号,集成运算放大器的输入级一般都采用具有恒流源的差分放大电路。
4.8 集成运算放大器的差分输入级电路的发射极一般都带有恒流源,其主要考虑是什么?
解答:
差分放大电路的发射极电阻愈大,抑制共模干扰信号的能力愈强,尤其是对于单端输出方式。
但由于VEE和差分管耐压特性及集成工艺的限制,Re不能取值过大,故一般都采用直流电阻小、交流电阻大的晶体管恒流源来代替Re。
4.9 设某集成运放的开环差模电压增益Avd=100dB,rid=600kΩ,△vO=6V,试求对应的△vId和△iId。
解:
Avd(dB)=
dB≈100dB
△vId=
=60μV
△iId=
=0.1nA
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