第4章__集成運(yùn)算放大電路

1、第第4章章 集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 4.1集成電路概述集成電路概述 4.2 集成運(yùn)放中的電流源集成運(yùn)放中的電流源 4.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 4.4集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí) 4.5集成運(yùn)放的典型電路集成運(yùn)放的典型電路 4.6集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo) 4.7 理想集成運(yùn)算放大器及傳輸特性理想集成運(yùn)算放大器及傳輸特性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 掌握鏡像電流源、比例電流源和微電流掌握鏡像電流源、比例電流源和微電流源電路特點(diǎn)源電路特點(diǎn) 掌握差動(dòng)放大電路的組成特點(diǎn)和性能指掌握差動(dòng)放大電路的組成特點(diǎn)和性能指標(biāo)計(jì)算，標(biāo)計(jì)

2、算， 理解集成運(yùn)算放大器的典型結(jié)構(gòu)，理解集成運(yùn)算放大器的典型結(jié)構(gòu)， 掌握理想集成運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)。掌握理想集成運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)。4.1集成電路概述集成電路概述 集成電路集成電路，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱IC（Integrated Circuit）。 始于始于20世紀(jì)世紀(jì)60年代初期年代初期，集成電路按其功能可集成電路按其功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，集分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，集成運(yùn)算放大器屬于模擬集成電路中應(yīng)用極為廣成運(yùn)算放大器屬于模擬集成電路中應(yīng)用極為廣泛的一種，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放泛的一種，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。4.1.1 集成電路的特點(diǎn)集成電路的特點(diǎn) 1、電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱

3、性、電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性 2、用有源器件代替無(wú)源器件、用有源器件代替無(wú)源器件 3、采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路、采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路 4、外接部分分立元件、級(jí)間采用直接耦合方式、外接部分分立元件、級(jí)間采用直接耦合方式 5、集成電路中使用的二極管，大多采用三極管、集成電路中使用的二極管，大多采用三極管的結(jié)構(gòu)，將發(fā)射極、基極和集電極適當(dāng)配合使用。的結(jié)構(gòu)，將發(fā)射極、基極和集電極適當(dāng)配合使用。與分立元件組成的放大電路相比，集成電路在電路與分立元件組成的放大電路相比，集成電路在電路設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：4.1.2 4.1.2 集成運(yùn)算放大器的基本組成集成運(yùn)算放大器的基本組成 輸入級(jí)輸入級(jí):多

4、采用差分放大電路，利用差分放大電路的對(duì)多采用差分放大電路，利用差分放大電路的對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比，減小溫漂稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比，減小溫漂。 中間級(jí)中間級(jí):由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。 輸出級(jí)輸出級(jí):進(jìn)行阻抗變換，以降低輸出電阻，提高集成運(yùn)進(jìn)行阻抗變換，以降低輸出電阻，提高集成運(yùn) 放帶負(fù)載的能力放帶負(fù)載的能力。 偏置電路偏置電路:多采用恒流源電路多采用恒流源電路。4.2 集成運(yùn)放中的電流源集成運(yùn)放中的電流源1.鏡像電流源鏡像電流源211BEBECBUUUU由圖可：由于VT1與VT2結(jié)構(gòu)和參數(shù)都比較一致，故可以認(rèn)為 ，故RUVRUVRUVIBEC

5、CBCCCCCR21BBBIII21BCCIII21 ，BBBBCRIIIIII）（2221而當(dāng)2時(shí), RVIIIICCCCBR21圖圖4.1 4.1 鏡像電流源鏡像電流源2.比例電流源比例電流源由圖可知，222111RIURIUEBEEBE由于 21BEBEUU2211RIRIEE222111)1 ()1 (RIRIBB故即當(dāng)1時(shí)，有222111RIRIBB2211RIRICC即故1212CCIRRI由于1CRII所以RCIRRI212圖圖4.2 4.2 比例電流源比例電流源 3.微電流源微電流源由圖可知eCeEBEBERIRIUU2221由于二極管方程TBETBEUUSUUSCeIeII)

6、 1(所以SCTBEIIUUln故eCSCSCTBEBERIIIIIUUU2221121)ln(ln21SSII設(shè)則有212lnCCeTCIIRUI圖圖4.3 4.3 微電流源微電流源 4.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 4.3.1差分放大電路的常見形式差分放大電路的常見形式 差分放大電路的常見形式有三種：基本形式、差分放大電路的常見形式有三種：基本形式、長(zhǎng)尾式和恒流源式。長(zhǎng)尾式和恒流源式。圖圖4.4 長(zhǎng)尾式差分放大電路長(zhǎng)尾式差分放大電路 圖圖4.5 基本形式差分放大電路基本形式差分放大電路 恒流源式差分放大電路恒流源式差分放大電路4.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路(b)恒流源式差分放大電路等效電路恒

7、流源式差分放大電路等效電路 (a) 恒流源式差分放大電路電路恒流源式差分放大電路電路 圖圖4.64.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法 圖圖4.7 長(zhǎng)尾式差分放大電路直流通路圖長(zhǎng)尾式差分放大電路直流通路圖（a） （b） 1. 靜態(tài)分析靜態(tài)分析由圖可知4.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法021111RIURIVBQBEQeEQEE所以有eBEQEEBQRRUVI)1 (21111由此得111BQCQII111CCQCCCQRIVU由于eCQEEEQRIVU112故)2(11111eCCQEECCEQCQCEQRRIVVUUU4.3.2 差分放

8、大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法2. 差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用差分放大電路的輸入信號(hào)有兩種方式：差模信號(hào)輸入和共差分放大電路的輸入信號(hào)有兩種方式：差模信號(hào)輸入和共模信號(hào)輸入。模信號(hào)輸入。長(zhǎng)尾式差分放大電路，在差模信號(hào)輸入情況下電路如圖圖圖4.8 長(zhǎng)尾式差分放大電路的交流通路圖長(zhǎng)尾式差分放大電路的交流通路圖4.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法2. 差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用由圖4.8可知，長(zhǎng)尾式差分放大電路半電路的主要參數(shù)如下：1111111111)2/()(RrRRRrIRI

9、uuAbeLCbeBLCioubeirRR110CRR 對(duì)于雙端輸入對(duì)于雙端輸入/雙端輸出的差分放大電路，由于雙端輸出的差分放大電路，由于01020102uuuu1212iiidiuuuu此時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)為此時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)為111111)2/(22RrRRAuuuuAbeLCuiodioud4.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法2. 差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大作用差模輸入電阻差模輸入電阻)(2211beidirRRR差模輸出電阻差模輸出電阻10022CddRRR 雙端輸入雙端輸出差分放大電路的差模電壓雙端輸入雙端輸出差分放

10、大電路的差模電壓放大倍數(shù)等于其半電路的電壓放大倍數(shù)，即相當(dāng)放大倍數(shù)等于其半電路的電壓放大倍數(shù)，即相當(dāng)于一個(gè)單管共射放大電路的放大倍數(shù)。其差模輸于一個(gè)單管共射放大電路的放大倍數(shù)。其差模輸入電阻和輸出電阻是半電路差模輸入電阻和輸出入電阻和輸出電阻是半電路差模輸入電阻和輸出電阻的電阻的2倍。倍。3. 差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制作用差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制作用4.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法 在共模信號(hào)輸入情況下，在共模信號(hào)輸入情況下，當(dāng)雙端輸入時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)當(dāng)雙端輸入時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電位大小相等，極性相的對(duì)稱性，兩個(gè)晶體管的集電極電

11、位大小相等，極性相同，即負(fù)載同，即負(fù)載RL兩端電位相同，故兩端電位相同，故流過(guò)負(fù)載流過(guò)負(fù)載RL的電流為零的電流為零。 衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)能力的參數(shù)稱為共模抑衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)能力的參數(shù)稱為共模抑制比制比，用，用KCMR表示，其定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模表示，其定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，一般用分貝表示，即：電壓放大倍數(shù)之比，一般用分貝表示，即：ucudCMRAAKlg20 結(jié)論：結(jié)論：差分放大電路差分放大電路具有具有抑制零點(diǎn)漂移的抑制零點(diǎn)漂移的作用。作用。4.3.2 差分放大電路的基本分析方法差分放大電路的基本分析方法4. 對(duì)任意輸入信號(hào)的放大特性對(duì)任意

12、輸入信號(hào)的放大特性 如果在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別加上任大小、如果在差分放大電路的兩個(gè)輸入端分別加上任大小、任意極性的輸入電壓任意極性的輸入電壓ui1和和ui2，這時(shí)可以將他們認(rèn)為是，這時(shí)可以將他們認(rèn)為是某個(gè)差模輸入電壓和某個(gè)共模輸入電壓的組合，其中某個(gè)差模輸入電壓和某個(gè)共模輸入電壓的組合，其中差模輸入電壓差模輸入電壓uid和共模輸入電壓和共模輸入電壓uic的值分別為的值分別為21iiiduuu)(2121iiicuuu 當(dāng)用共模和差模信號(hào)表示兩個(gè)輸入電壓時(shí)，有當(dāng)用共模和差模信號(hào)表示兩個(gè)輸入電壓時(shí)，有21idiciuuu22idiciuuu 例例4.1：電路如圖例電路如圖例4.1所示所示,

13、 設(shè)設(shè)VCC=VEE=12V,三極三極管的管的1=2=50, Rc1=Rc2= Rc =30k, RW =500, Re=27k, R1= R2= R=10k, 設(shè)設(shè)RW滑動(dòng)變阻器的滑滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端調(diào)至在中點(diǎn)位置。動(dòng)端調(diào)至在中點(diǎn)位置。估算該放大電路估算該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。的靜態(tài)工作點(diǎn)。 (2) 當(dāng)在輸出端接當(dāng)在輸出端接RL=20k的負(fù)的負(fù)載時(shí)載時(shí),求差模電求差模電壓放大倍數(shù)。壓放大倍數(shù)。 (3) 估算差模輸入估算差模輸入電阻和輸出電阻。電阻和輸出電阻。圖圖4.9 例例4.1的圖的圖解：解：(1)求解靜態(tài)工作點(diǎn)：求解靜態(tài)工作點(diǎn)：EEeEQEQWBEBQVRIIRURI221設(shè)設(shè)UBE=0

14、.7V，則有，則有mAmARRRUVIWeBEEEBQ004. 0)5 . 05 . 0272(51107 . 012)5 . 02)(1 (故故mAmAIIBQCQ2 . 0004. 050VRIVUCCQCCCQ6302 . 012VRIUBQBQ04. 010004. 0(2) 當(dāng)在輸出端接當(dāng)在輸出端接RL=20k的負(fù)載時(shí)的負(fù)載時(shí),圖圖4.9所示電路圖的所示電路圖的交流通路圖如圖交流通路圖如圖4.10所示。所示。圖圖4.10 圖圖4.9所示電路交流通路圖所示電路交流通路圖 由圖由圖4.10可知，電路的可知，電路的差模電壓差模電壓放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為: 2)1 (1WbeLudRrRRA式

15、中式中kRRRLCL5 . 710/302/kImVrrEQbbbe93. 602. 0265130026)1 (16 .125 . 05 . 05193. 6105 . 750udA則則(3) 輸入輸出電阻輸入輸出電阻kkRRkRrRRCOWbeid6030224 .59)5 . 05 . 05193. 610(22)1 ( 2 例例4.2一個(gè)雙端輸入，雙端輸出的差分放大電路，兩個(gè)輸入端的電壓分別為 求差模輸入信號(hào)電壓 和共模輸入電壓 ； 設(shè)差模電壓增益 為80dB，求當(dāng)共模抑制比為無(wú)窮大和 100dB 時(shí)的輸出電壓 各為多少？V0005. 51iuV9995. 42iuiduicudAu解

16、：解：(1)差模輸入電壓和共模輸入電壓差模輸入電壓和共模輸入電壓V001. 0V9995. 4V0005. 521iiiduuuV5V9995. 4V0005. 5212121iiicuuu (2)輸出電壓 當(dāng) 時(shí)則輸出電壓為：CMRK410dB80udA0CMRKAAuducVVAuAuuucicudidO1010001. 045CMR10100dBK當(dāng) 時(shí)則輸出電壓為：410dB80udA1 . 0CMRKAAuducVVVAuAuuucicudidO5 .101 . 0510001. 044.3.3差分放大電路的幾種接法差分放大電路的幾種接法 差分放大電路的輸入輸出端可以有四種不同的接法

17、，差分放大電路的輸入輸出端可以有四種不同的接法，即雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端即雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。4.3.3差分放大電路的幾種接法差分放大電路的幾種接法圖圖4.11 差分放大電路的四種接法差分放大電路的四種接法4.4集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)1. 集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí) 中間級(jí)的主要任務(wù)是為整個(gè)電路提供足夠大的電中間級(jí)的主要任務(wù)是為整個(gè)電路提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。壓放大倍數(shù)。 一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。為了提高放一般采

18、用有源負(fù)載的共射放大電路。為了提高放大倍數(shù)，并減小對(duì)輸入級(jí)的影響，放大管往往采大倍數(shù)，并減小對(duì)輸入級(jí)的影響，放大管往往采用復(fù)合管。用復(fù)合管。 有源負(fù)載是指利用雙極型三極管或場(chǎng)效應(yīng)管有源負(fù)載是指利用雙極型三極管或場(chǎng)效應(yīng)管充當(dāng)負(fù)載電阻。充當(dāng)負(fù)載電阻。 例例4.3 電路如圖4.12所示, 設(shè)VCC=VEE=12V,1=2=50, Rc1=Rc2=100k, RW =200, R3=33k, R2=6.8k, R1=2.2k, Rs1=Rs2=10k，設(shè)RW滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端調(diào)至在中點(diǎn)位置。 (1) 求靜態(tài)工作點(diǎn)。 (2) 求差模電壓放大倍數(shù)。 (3) 當(dāng)RL=100k時(shí), 求差模電壓放大倍數(shù)。 (4

19、) 若輸出端從VT1管集電極輸出, 求差模電壓放大倍數(shù)。 圖圖4.12 題題4.3電路圖電路圖 解：解： (1) 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn): VVVVRRRUEEEECCR13. 612248 . 62 . 22 . 2)(2111設(shè)UBE3=0.7V, 則VRIVUUIIIIAIIIAmAKRVUUICCCCCCcEcEEEEEEBERE15. 41000785. 012,5 .7821157157. 033127 . 013. 6)(112133221132113mVRIUUAIIIsBBBCBB7 .15101057. 157. 1505 .784611112121VUUUUVUUUUECC

20、ECEBEBEE866. 4)716. 0(15. 4716. 07 . 0107 所以一般估算時(shí)（所以一般估算時(shí), 認(rèn)為認(rèn)為UB0。）。） (2) 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù): 2)1 (1111WbesLudRrRRAcLRR 其中8 .1541 . 05119170785. 0265130026)1 (111udEbbbeAkIrr (3) 當(dāng)當(dāng)RL=100 k時(shí)：時(shí)： 56.511 . 05119.17103 .33503 .3350/1002/1udLcLAkRRR2)1 (211WbesLudRrRRA單kRRRLcL50/

21、其中其中故故 71.381 . 05119.1710505021udA(4) 當(dāng)單端輸出時(shí)當(dāng)單端輸出時(shí)(從從V1管管c1極輸出極輸出): 4.4集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)1. 集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)-復(fù)合管圖圖4.13復(fù)合管及其等效類型復(fù)合管及其等效類型212111)1 (BCII211)1 (bebeberrr2.集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)4.4集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí) 集成運(yùn)放的輸出級(jí)主要是提供足夠的輸出功率集成運(yùn)放的輸出級(jí)主要是提供足夠的輸出功率以滿足負(fù)載的需求，多采用互補(bǔ)電路。

22、以滿足負(fù)載的需求，多采用互補(bǔ)電路。圖圖4.14 互補(bǔ)型射隨器互補(bǔ)型射隨器圖圖4.15 交越失真產(chǎn)生的原因及波形交越失真產(chǎn)生的原因及波形2.集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)4.4集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí)集成運(yùn)算放大器的中間級(jí)和輸出級(jí) 圖圖4.16 克服交越失真的互補(bǔ)電路克服交越失真的互補(bǔ)電路(a)二極管偏置方式二極管偏置方式 (b)模擬電壓源偏置方模擬電壓源偏置方式式 4.5集成運(yùn)放的典型電路集成運(yùn)放的典型電路圖圖4.17通用的集成電路通用的集成電路F007電路原理圖電路原理圖4.6集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)1. 運(yùn)算放大器的符號(hào)運(yùn)算放大器的符號(hào)圖圖4.18 運(yùn)算放大器的符號(hào)運(yùn)算放大器的符號(hào)2. 運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)4.6集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod: 指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋 回路的情況下的差模電壓放大倍數(shù)回路的情況下的差模電壓放大倍數(shù) 差模輸