集成运放电路技术题目解答共8题
【题目1】:E4a046如何阅读运算放大器电路图?
【相关知识】:集成运算放大电路的一般组成及其单元结构,如恒流源电路、差分放大电路、CC-CE、CC-CB电路和互补输出电路等。
【解题方法】:运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四部分组成,如图1所示。
图1
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。
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;
运算放大器的中间级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。
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。二只输出管轮流导通,每管工作在乙类状态。为消除交越失真,通常会给输出管提供适当的偏置电流,让其工作在甲乙类状态。
由于集成电路工艺的限制,各级之间采用直接耦合。为保证输入短路时,输出直流电平为零,有时还需要在级间加入电平移动电路。
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。
(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,如交流镜像电流源电路,输出保护电路,交越失真补偿电路,电平移动电路等, 这些电路为保证放大功能提供辅助作用,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。
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。
【解答过程】:图2是uA741运算放大电路的等效电路图,试分析其基本工作原理。
图2
(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、(共集-共基组合)和、组成。中间放大级由、、组成共集—共射电路;输出级由、组成互补输出电路。
(2) 基准电流分析
、、组成运放的基准电流源,中得到的基准电流为
(3) 静态偏置分析
与构成微镜像电流源,一方面给、的基极提供偏置,另一方面由、构成的镜像电流源给、、、的集电极提供恒流偏置,同时作为、的恒流负载。
是多集电极管,它与构成镜像电流源。一方面给提供偏置电流,同时作为的有源负载。则是给提供偏置电流,同时作为的有源负载。
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。
图3
(4) 交流分析
差分输入级中的、、管构成高精度交流镜像电流源,,因而提供给的电流为,使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。、同时分别作为、的有源负载。
电容C的作用是进行相位补偿,用于防止该运放可能产生的自激振荡。
输出级中的,,给互补输出管,提供静态偏置,以消除交越越失真。
、是输出限流保护用取样电阻,当输出电流过大时,或导通,通过、组成的镜像电流源,将该电流镜像至的另一个基极,通过负反馈抑制输出电流的增大。
将辅助电路简化后的等效交流通路如图4所示。
图4
其中,是恒流源的内阻。
例2,图5是CMOS运放C14573的等效电路图,试分析其基本工作原理。
图5
(1) 运放电路的结构分解
输入级是差动放大电路,主要由增强型MOS管、组成。输出级是一个简单的共源电路,由实现。
(2) 基准电流分析
和外接电阻R产生运放的基准电流。
(3) 静态偏置分析
与构成镜像电流源,且作为、源极上的恒流源,并为它们提供直流偏置, 、是、的恒流源负载。
与构成镜像电流源,且给漏极提供直流偏置,同时作为的恒流源负载。
将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6所示。
图6
(4) 交流分析
差分输入级中的、管构成交流镜像电流源,,因而提供给的电流为,使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。
电容C的作用是相位补偿,用于防止自激振荡。
将辅助电路简化后的等效交流通路如图7所示。
图7
其中,是恒流源的内阻。
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