集成運(yùn)放電路工作原理
集成運(yùn)放電路簡介
如前所述,集成運(yùn)放電路是一種高放大倍數(shù),高輸入電阻,低輸出電阻的直接耦合放大電路.由于
直接耦合式電路存在的溫漂問題,所以對溫漂影響最大的第一級電路幾乎毫無例外地采用了差動放
大形式.為了得到高放大倍數(shù),中間級大多采用了共射(共源)放大電路,并常常設(shè)計(jì)成有源負(fù)載以獲得
更高的放大倍數(shù).同時(shí)為了提高帶負(fù)載能力,多采用互補(bǔ)型跟隨式輸出級電路.運(yùn)放電路一般多由二至
三級放大環(huán)節(jié)組成,這是因?yàn)榧墧?shù)越多,輸出與輸入信號之間相移越大,引入負(fù)反饋以后,越容易產(chǎn)生
自激振蕩,使得電路無法正常工作.級數(shù)少一級,則比較容易采取簡單的方法消除可能產(chǎn)生的自激振蕩.
(有關(guān)自激振蕩見本書4.6節(jié).)
下面我們介紹兩種型號的集成運(yùn)放電路.一種是由雙極型晶體管組成的集成運(yùn)放--F007;另一種是
由場效應(yīng)管組成的集成運(yùn)放--C14573.
3.3.1 F007雙極型集成運(yùn)放
F007是目前國內(nèi)比較通用的集成運(yùn)放.我們準(zhǔn)備簡單介紹它的原理電路圖,工作原理,分析計(jì)算它的
電壓放大倍數(shù),輸入輸出電阻等項(xiàng)性能.它的原理圖如圖所示.圖中各引出端所標(biāo)數(shù)字為組件的管腳編號.
一.電路組成
F007的組成框圖如圖所示,由三級放大環(huán)節(jié)和偏置電路等組成.下面分別進(jìn)行介紹.
輸入級已在圖中示出.T1~T4組成共集-共基組態(tài)的差動放大電路,T5~T7組成有源負(fù)載.T8,T9電流源
提供T1,T2的偏置電流IC8,另一路IC9與T10,T11組成的微電流源IC10配合為T3,T4提供偏置電流I34.這樣
做的目的是為了抑制溫度漂移.其過程是:當(dāng)溫度升高使IC1,IC2增加從而使IC8,IC9增加時(shí),由于IC10基
本恒定,則I34減少,使IB3,IB4減少,將IE1,IE2,及IC1,IC2的增加降下來,使他們基本穩(wěn)定.輸入級是雙端
輸入(b1,b2)單端輸出(c4)形式.
中間級由T16,T17復(fù)合管組成的帶有源負(fù)載(T13)的共射電壓放大電路.
輸出級是由T14和T18,T19復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)電路.T15和R7,R8構(gòu)成UBE倍增電路,設(shè)置靜態(tài)偏置,以
克服交越失真.D1和D2起過流保護(hù)作用,其原理如下:當(dāng)輸出信號為正且輸出電流在額定值以內(nèi)時(shí),D1管不
導(dǎo)通;若輸出電流過大,則R9上壓降變大,使D1管兩端電壓上升而導(dǎo)通,造成對iB14的分流,則限制了iE14的
增大.D2的作用與D1一樣,它是在信號為負(fù)值時(shí)起保護(hù)作用.由于T14和T18的特性不同,所以R9和R10也不相
等.
基準(zhǔn)電流IR由T11,T12和R5確定,然后通過鏡像電流等關(guān)系確定其他支路的偏置電流.外接電位器Rw起
調(diào)零作用,如前圖中的Rw.
二.工作原理
1.靜態(tài)分析
靜態(tài)分析時(shí)先抓住基準(zhǔn)電流IR,然后再求其他支路的電流.
我們在前例中已計(jì)算出IR=0.73mA,IC10=28uA,IC12=IC13=0.365mA.
由IC10可求出IC8,IE1等電流.這個關(guān)系比較復(fù)雜,因?yàn)樗鼈兓ハ嘤绊?我們可以聯(lián)立方程求解.根據(jù)廠
家提供的硅PNP管的貝塔值貝塔P=4,可求出IC8=21.6uA.則IE1=0.5*(IC8+2*IC8/貝塔P)=16.2uA.設(shè)貝塔1=
150,則IB1=100nA.
其他支路的電流就不再列出數(shù)值了.
2.交流性能分析
輸入級的計(jì)算如前例,得Aiu=-2.46*10的-4次方S,Ri=975k.
第二,三級的等效電路如圖所示.我們設(shè)外接負(fù)載電阻包括R9(或R10)在內(nèi)為2k.廠家提供貝塔16=100,貝塔
17=貝塔14=150.
則R13=(1+貝塔14)*(RL+R9)=300k
根據(jù)計(jì)算,rce17=rce13=274k
^UO2=-^IO1*貝塔16*貝塔17*(rce17||rce13||R13)
=-1.41*10的9次方*^IO1
Aui=-1.41*10的9次方
設(shè)輸出級電壓放大倍數(shù)接近1,則總的電壓放大倍數(shù)Au為
Au=^UO/^UI=(^IO1/^UI)*(^UO2/^IO1)*(^UO/^UO2)
=Aiu*Aui*1
=3.5*10的5次方=110dB
按照如圖所標(biāo)的電壓極性,Au為正值,則"+"端為同相輸入端,表示它的極性與輸出端極性相同;"-"端
為反相輸入端,表示與輸出端極性相反.
電路的輸入電阻即第一級的輸入電阻,Ri=975k約=1M.
電路的輸出電阻Ro=R9+(rbe14+(rce13||rce17))/(1+貝塔14)約=(rce13||rce17)/貝塔14=1k.
電容C是相位補(bǔ)償電容,約30pF.它的作用是消除自激振蕩,其工作原理將在后面介紹.
F007的各項(xiàng)性能指標(biāo)見附錄3D.
3.3.2 C14573 CMOS型集成運(yùn)放
C14573是由場效應(yīng)管組成的集成運(yùn)放電路.由于采用N溝道與P溝道互補(bǔ)的場效應(yīng)管,故稱為CMOS(即
互補(bǔ)MOS)型.與雙極型晶體管組成的集成運(yùn)放相比,CMOS集成運(yùn)放具有輸入電阻高,集成度高,電源適用范
圍寬等特點(diǎn).C14573是四個運(yùn)放制作在同一塊基片上并封裝成一個器件的,他們具有相同的溫度系數(shù),可
以很方便地進(jìn)行補(bǔ)償而組成性能較好的電路.
如圖所示是C14573中一個運(yùn)放的原理電路.下面結(jié)合此電路進(jìn)行分析.
一.電路組成
根據(jù)與晶體管的對應(yīng)關(guān)系可看出,這是兩級放大電路,全部都是增強(qiáng)型MOS管.
第一級是由T3,T4(P溝道管)組成的共源差動放大電路.T5和T6(N溝道管)構(gòu)成的鏡像電流源作為有源
負(fù)載.T2作為電流源提供偏置電流.
第二級是由T8組成的帶有源負(fù)載(T7)的共源放大電路.
T2和T7的電流由T1確定,這是一個多路電流源電路,T1的電流大小是通過外接電阻R確定的.
電容C與F007中的C作用一樣,也是起相位補(bǔ)償作用的.
VDD與VSS為直流電源,他們的差值要求不大于15v,不小于5v,可以是單電源供電(正或負(fù)),也
可以正負(fù)電源不對稱.但要注意,輸出電壓的范圍將隨電源的選擇而改變.
二.工作原理
確定電路的靜態(tài)電流只須先確定流過T1的電流IR,其他的電流則可隨之而定了.設(shè)T1的開啟電
壓為UGS(th),則IR=(VDD+VSS-UGS(th))/R.IR一般多選為20~200uA.
下面分析交流性能.
第一級的電路與前圖所示電路原理是一樣的.我們可以直接求出Aiu.設(shè)T3,T4參數(shù)相同,T5,T6
參數(shù)相同,則
Aiu=^IO1/^UI=-2*^ID4/^UI=-gm4
由于第二級是接在T8管的柵源之間,Ri2很大,而第一級的輸出電阻是rDS4||rDS6,所以第一級
的電壓放大倍數(shù)
Au1=-gm4*(rDS4||rDS6)
第二級為有源負(fù)載共源放大電路,很容易求出在負(fù)載開路時(shí)的電壓放大倍數(shù)為
Au2=-gm8*(rDS7||rDS8)
Au=Au1*Au2=gm4*gm8*(rDS4||rDS6)*(rDS7||rDS8)
此電路輸出開路時(shí)的電壓放大倍數(shù)可達(dá)10的4次方(即80dB)以上.由于它的輸出電阻比較大,故
帶負(fù)載能力較差.但它多用于場效應(yīng)管為負(fù)載的電路或負(fù)載電阻較高的場合,故作為電壓放大電路還
是很好的.
以圖中所示的電壓極性,得到Au為正值,則標(biāo)"+"為同相輸入端,標(biāo)"-"為反相輸入端.
C14573輸入電阻很高,輸入的靜態(tài)電流約為1nA.
由于VDD和VSS可在一定范圍內(nèi)選擇數(shù)值,所以輸出電壓范圍可變,一般為:下陷值=-VSS+1.05V,上
限值=VDD-2V.
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