集成运放电路工作原理
集成运放电路简介
如前所述,集成运放电路是一种高放大倍数,高输入电阻,低输出电阻的直接耦合放大电路.由于
直接耦合式电路存在的温漂问题,所以对温漂影响最大的第一级电路几乎毫无例外地采用了差动放
大形式.为了得到高放大倍数,中间级大多采用了共射(共源)放大电路,并常常设计成有源负载以获得
更高的放大倍数.同时为了提高带负载能力,多采用互补型跟随式输出级电路.运放电路一般多由二至
三级放大环节组成,这是因为级数越多,输出与输入信号之间相移越大,引入负反馈以后,越容易产生
自激振荡,使得电路无法正常工作.级数少一级,则比较容易采取简单的方法消除可能产生的自激振荡.
(有关自激振荡见本书4.6节.)
下面我们介绍两种型号的集成运放电路.一种是由双极型晶体管组成的集成运放--F007;另一种是
由场效应管组成的集成运放--C14573.
3.3.1 F007双极型集成运放
F007是目前国内比较通用的集成运放.我们准备简单介绍它的原理电路图,工作原理,分析计算它的
电压放大倍数,输入输出电阻等项性能.它的原理图如图所示.图中各引出端所标数字为组件的管脚编号.
一.电路组成
F007的组成框图如图所示,由三级放大环节和偏置电路等组成.下面分别进行介绍.
输入级已在图中示出.T1~T4组成共集-共基组态的差动放大电路,T5~T7组成有源负载.T8,T9电流源
提供T1,T2的偏置电流IC8,另一路IC9与T10,T11组成的微电流源IC10配合为T3,T4提供偏置电流I34.这样
做的目的是为了抑制温度漂移.其过程是:当温度升高使IC1,IC2增加从而使IC8,IC9增加时,由于IC10基
本恒定,则I34减少,使IB3,IB4减少,将IE1,IE2,及IC1,IC2的增加降下来,使他们基本稳定.输入级是双端
输入(b1,b2)单端输出(c4)形式.
中间级由T16,T17复合管组成的带有源负载(T13)的共射电压放大电路.
输出级是由T14和T18,T19复合管组成的准互补电路.T15和R7,R8构成UBE倍增电路,设置静态偏置,以
克服交越失真.D1和D2起过流保护作用,其原理如下:当输出信号为正且输出电流在额定值以内时,D1管不
导通;若输出电流过大,则R9上压降变大,使D1管两端电压上升而导通,造成对iB14的分流,则限制了iE14的
增大.D2的作用与D1一样,它是在信号为负值时起保护作用.由于T14和T18的特性不同,所以R9和R10也不相
等.
基准电流IR由T11,T12和R5确定,然后通过镜像电流等关系确定其他支路的偏置电流.外接电位器Rw起
调零作用,如前图中的Rw.
二.工作原理
1.静态分析
静态分析时先抓住基准电流IR,然后再求其他支路的电流.
我们在前例中已计算出IR=0.73mA,IC10=28uA,IC12=IC13=0.365mA.
由IC10可求出IC8,IE1等电流.这个关系比较复杂,因为它们互相影响,我们可以联立方程求解.根据厂
家提供的硅PNP管的贝塔值贝塔P=4,可求出IC8=21.6uA.则IE1=0.5*(IC8+2*IC8/贝塔P)=16.2uA.设贝塔1=
150,则IB1=100nA.
其他支路的电流就不再列出数值了.
2.交流性能分析
输入级的计算如前例,得Aiu=-2.46*10的-4次方S,Ri=975k.
第二,三级的等效电路如图所示.我们设外接负载电阻包括R9(或R10)在内为2k.厂家提供贝塔16=100,贝塔
17=贝塔14=150.
则R13=(1+贝塔14)*(RL+R9)=300k
根据计算,rce17=rce13=274k
^UO2=-^IO1*贝塔16*贝塔17*(rce17||rce13||R13)
=-1.41*10的9次方*^IO1
Aui=-1.41*10的9次方
设输出级电压放大倍数接近1,则总的电压放大倍数Au为
Au=^UO/^UI=(^IO1/^UI)*(^UO2/^IO1)*(^UO/^UO2)
=Aiu*Aui*1
=3.5*10的5次方=110dB
按照如图所标的电压极性,Au为正值,则"+"端为同相输入端,表示它的极性与输出端极性相同;"-"端
为反相输入端,表示与输出端极性相反.
电路的输入电阻即第一级的输入电阻,Ri=975k约=1M.
电路的输出电阻Ro=R9+(rbe14+(rce13||rce17))/(1+贝塔14)约=(rce13||rce17)/贝塔14=1k.
电容C是相位补偿电容,约30pF.它的作用是消除自激振荡,其工作原理将在后面介绍.
F007的各项性能指标见附录3D.
3.3.2 C14573 CMOS型集成运放
C14573是由场效应管组成的集成运放电路.由于采用N沟道与P沟道互补的场效应管,故称为CMOS(即
互补MOS)型.与双极型晶体管组成的集成运放相比,CMOS集成运放具有输入电阻高,集成度高,电源适用范
围宽等特点.C14573是四个运放制作在同一块基片上并封装成一个器件的,他们具有相同的温度系数,可
以很方便地进行补偿而组成性能较好的电路.
如图所示是C14573中一个运放的原理电路.下面结合此电路进行分析.
一.电路组成
根据与晶体管的对应关系可看出,这是两级放大电路,全部都是增强型MOS管.
第一级是由T3,T4(P沟道管)组成的共源差动放大电路.T5和T6(N沟道管)构成的镜像电流源作为有源
负载.T2作为电流源提供偏置电流.
第二级是由T8组成的带有源负载(T7)的共源放大电路.
T2和T7的电流由T1确定,这是一个多路电流源电路,T1的电流大小是通过外接电阻R确定的.
电容C与F007中的C作用一样,也是起相位补偿作用的.
VDD与VSS为直流电源,他们的差值要求不大于15v,不小于5v,可以是单电源供电(正或负),也
可以正负电源不对称.但要注意,输出电压的范围将随电源的选择而改变.
二.工作原理
确定电路的静态电流只须先确定流过T1的电流IR,其他的电流则可随之而定了.设T1的开启电
压为UGS(th),则IR=(VDD+VSS-UGS(th))/R.IR一般多选为20~200uA.
下面分析交流性能.
第一级的电路与前图所示电路原理是一样的.我们可以直接求出Aiu.设T3,T4参数相同,T5,T6
参数相同,则
Aiu=^IO1/^UI=-2*^ID4/^UI=-gm4
由于第二级是接在T8管的栅源之间,Ri2很大,而第一级的输出电阻是rDS4||rDS6,所以第一级
的电压放大倍数
Au1=-gm4*(rDS4||rDS6)
第二级为有源负载共源放大电路,很容易求出在负载开路时的电压放大倍数为
Au2=-gm8*(rDS7||rDS8)
Au=Au1*Au2=gm4*gm8*(rDS4||rDS6)*(rDS7||rDS8)
此电路输出开路时的电压放大倍数可达10的4次方(即80dB)以上.由于它的输出电阻比较大,故
带负载能力较差.但它多用于场效应管为负载的电路或负载电阻较高的场合,故作为电压放大电路还
是很好的.
以图中所示的电压极性,得到Au为正值,则标"+"为同相输入端,标"-"为反相输入端.
C14573输入电阻很高,输入的静态电流约为1nA.
由于VDD和VSS可在一定范围内选择数值,所以输出电压范围可变,一般为:下陷值=-VSS+1.05V,上
限值=VDD-2V.
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