集成運算放大電路(機械工業(yè)黃麗亞)

第5章集成運算放大電路5.1集成運算放大電路的特點5.2電流源電路一、鏡像電流源(CurrentMirror)二、比例電流源三、微電流電流源(WidlarCurrent)四、威爾遜電流源5.3有源負載放大電路1/14/20231模擬電子技術5.4差動放大電路(DifferentialAmplifier)

5.4.1零點漂移現(xiàn)象

5.4.2差動放大電路的工作原理及性能分析一、差模(Difference-Mode)放大特性二、共模(Common-Mode)抑制特性三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio)四、對任意輸入信號的放大特性1/14/20232模擬電子技術5.4.4差動放大電路的大信號分析一、差動放大電路的傳輸特性(TransferCharacteristic)二、差動放大電路正常工作的前提條件三、差動放大電路作模擬乘法器5.4.5差動放大器的失調(diào)及溫漂一、差動放大器的失調(diào)二、失調(diào)的溫度漂移(TemperatureDrift)1/14/20233模擬電子技術5.8集成運算放大電路的外部特性及其理想化5.8.1集成運放的電壓傳輸特性5.8.2集成運算放大器的主要參數(shù)一、靜態(tài)參數(shù)二、動態(tài)參數(shù)5.8.3理想集成運算放大電路一、理想化條件二、理想運放特性1/14/20234模擬電子技術第5章集成運算放大器電路

（1）了解差分放大電路的組成和工作原理，掌握靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的分析方法。（2）掌握電流源電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法。（3）了解典型集成運算放大器的組成及其各部分的特點，掌握其電壓傳輸特性和主要參數(shù)。1/14/20235模擬電子技術集成電路：60年代發(fā)展起來的一種新型器件，把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作在一塊半導體芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的獨立電子線路。外型一般用金屬圓殼或雙列直插結(jié)構(gòu)。集成電路具有性能好，可靠性高，體積小，耗電少，成本低等優(yōu)點。集成運放：是一種模擬集成電路，早期實現(xiàn)各種數(shù)學運算，主要用于模擬計算機；現(xiàn)在廣泛應用于各種電子系統(tǒng)中，是一種通用型模擬器件。1/14/20236模擬電子技術常用運算放大器外形圖1/14/20237模擬電子技術5.1集成運算放大電路的特點1.級間只能采用直接耦合方式(集成工藝不能制作大電容和電感)；2.盡可能采用有源器件代替無源器件(避免使用大電容、大電阻)；3.利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能

(參數(shù)一致性好,但單個元器件參數(shù)誤差較大)。1/14/20238模擬電子技術圖5.1.1集成運算放大電路方框圖差動放大器負載為有源負載的共射放大器射隨器或互補射隨器提供各級偏流和有源負載輸入級中間級輸出級偏置電路uPuOuN1/14/20239模擬電子技術5.2電流源電路IC0IBUCER1R2ICR3－UEEICRo

(a)晶體管的恒流特性(b)電流源電路(c)等效電流源表示法1/14/202310模擬電子技術圖5.2.1鏡像電流源一、鏡像電流源(CurrentMirror)工作電流參考電流1/14/202311模擬電子技術圖5.2.2多路鏡像電流源1/14/202312模擬電子技術IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC圖5.2.3多集電極晶體管鏡像電流源(a)三集電極橫向PNP管電路(b)等價電路集成電路中多路鏡像電流源的實現(xiàn)1/14/202313模擬電子技術二、比例電流源圖5.2.4比例電流源1/14/202314模擬電子技術室溫下，當兩管的射極電流相差10倍時：若β>>2，則IE1≈Ir,IE2≈IC2僅為此時兩管UBE電壓(>600mV)的10%。因此，UBE1≈UBE2。1/14/202315模擬電子技術三、微電流電流源(WidlarCurrent)RrIrIC2V2V1UCCR2圖5.2.5微電流電流源當β1>>2時，

IE1≈Ir,IE2≈IC2已知Ir=1mA,要求IC2=10μA時1/14/202316模擬電子技術四、威爾遜電流源圖5.2.6威爾遜電流源1/14/202317模擬電子技術若三管特性相同，則β1=β2=β3=β,利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動態(tài)內(nèi)阻Ro較大的動態(tài)內(nèi)阻；輸出電流受β的影響也大大減小優(yōu)點1/14/202318模擬電子技術5.3有源負載放大電路UCCV3V2uoV1uiRr圖5.3.1有源負載共射放大電路(a)電路UCCuoV1uiIorce3(b)以電流源表示的等效電路1/14/202319模擬電子技術5.4差動放大電路(DifferentialAmplifier)

5.4.1零點漂移現(xiàn)象1.靜態(tài)時，由于溫度變化，電源波動等因素的影響，會使工作點電壓(即集電極電位)偏離設定值而緩慢地上下飄動。2.在阻容耦合電路中，因為耦合電容的存在，輸入級工作點的緩飄很難傳到下一級去，因此可忽略它的影響。但對直接耦合放大電路，這種飄動會逐級放大，會使后級放大器進入截止和飽和，這樣整個電路將無法正常工作。1/14/202320模擬電子技術3.差動放大器電路能有效地克服零點漂移。等效輸入漂移電壓輸出漂移電壓等效輸入漂移電壓限制了放大器所能放大的最小信號。1/14/202321模擬電子技術

5.4.2差動放大電路的工作原理及性能分析UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo圖5.4.2基本差動放大電路當Ui1=Ui2=0時則流過RE的電流I為故有1/14/202322模擬電子技術UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo圖5.4.2基本差動放大電路靜態(tài)時，差動放大電路兩輸出端之間的直流電壓為零。1/14/202323模擬電子技術一、差模(Difference-Mode)放大特性UCCRCRLRCRE－UEEV1V2－＋uo＋Uid1Uid2－＋Iid1Iid2RE上只有靜態(tài)電壓，無交流信號電壓0V0VUid1Uid2Uod1UCEQ1Uod2UCEQ21/14/202324模擬電子技術基本差動放大器的差模等效通路－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic21/14/202325模擬電子技術——雙端輸出（浮動輸出）時

1.差模電壓放大倍數(shù)－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic21/14/202326模擬電子技術—單端輸出時

1.差模電壓放大倍數(shù)－＋Uod1RLV2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2負載RL∞情況下或1/14/202327模擬電子技術2.差模輸入電阻(InputDifferentialResistance)注：－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2Iid1/14/202328模擬電子技術

3.差模輸出電阻(OutputDifferentialResistance)－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2單端輸出時為雙端輸出時為1/14/202329模擬電子技術UCCRCRLRCRE－UEEV1V2－＋uo＋Uic－Iic1Iic2Ic1Ic2RE上有靜態(tài)電壓

和交流信號電壓0VUicUoc2UCEQ2二、共模(Common-Mode)抑制特性Uoc1UCEQ1Iic1/14/202330模擬電子技術RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2RE圖5.4.4基本差動放大器的共模等效通路Iic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202331模擬電子技術1.共模電壓放大倍數(shù)—雙端輸出時RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202332模擬電子技術

——單端輸出時1.共模電壓放大倍數(shù)RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202333模擬電子技術

2.共模輸入電阻RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic注：1/14/202334模擬電子技術

3.共模輸出電阻

—單端輸出時RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202335模擬電子技術三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio)1/14/202336模擬電子技術四、對任意輸入信號的放大特性+=0V1/14/202337模擬電子技術1.任意輸入信號的分解及輸入電壓1/14/202338模擬電子技術UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo～～～～圖5.4.7將兩個任意信號轉(zhuǎn)換成差模和共模輸入信號1/14/202339模擬電子技術2.任意輸入信號作用下，輸出電壓的計算雙端輸出時的電路圖UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo＋－＋－1/14/202340模擬電子技術單端輸出時的電路圖UCCRCRLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo＋－＋－1/14/202341模擬電子技術如兩端都不接地，這種接法稱為雙端輸入；如信號源一端接地，這種接法稱為單端輸入。UCCRCUC2RLRCUC1UiRE－UEEV1V2－＋Uo3.關于只有一路信號源接入差動放大器UCCRCUC2RLRCUC1UiRE－UEEV1V2－＋Uo1/14/202342模擬電子技術圖5.4.3所示的基本差動放大器，存在兩個缺點：若UEE=15V，則室溫下，KCMR(單)的上限約為300，而與RE的取值無關。1.共模抑制比做不高5.4.3具有電流源的差動放大電路UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo1/14/202343模擬電子技術2.不允許輸入端有較大的共模電壓變化。公共射極電位變化差放管的靜態(tài)工作電流變化rbe改變1/14/202344模擬電子技術RCRCUi1V1V2－＋UoUi2－UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC圖5.4.9具有電流源的差動放大電路(a)用單管電流源代替RE的差動電路(b)電路的簡化表示恒流源1/14/202345模擬電子技術靜態(tài)工作點的估算：RCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC1/14/202346模擬電子技術1.共模抑制比可做的非常高；2.允許輸入端有較大的共模電壓變化。Auc≈0、Auc（單）≈0KCMR、

KCMR（單）高電流源的輸出電阻非常大rbe幾乎不變1/14/202347模擬電子技術5.4.4差動放大電路的大信號分析圖5.4.11具有電流源的差動放大電路RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC1一、差動放大電路的傳輸特性(TransferCharacteristic)1/14/202348模擬電子技術1/14/202349模擬電子技術RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC11/14/202350模擬電子技術(a)電流傳輸特性曲線iC1,iC2IiC1iC2iC1iC2－6UT/－4UT－2UT02UT4UT6UTuidQI2圖5.4.12差動放大電路的傳輸特性曲線1.兩管集電極電流之和恒等于I2.傳輸特性具有非線性特性3.在靜態(tài)工作點附近，當|uid|≤UT，即室溫下，uid在26mV以內(nèi)時，傳輸特性近似為一段直線。4.當|uid|≥4UT,即uid超過100mV時，傳輸特性明顯彎曲，而后趨于水平。1/14/202351模擬電子技術(b)電壓傳輸特性曲線圖5.4.12差動放大電路的傳輸特性曲線uoIRC－6UT/－4UT－2UT02UT4UT6UTuid－IRC1/14/202352模擬電子技術二、差動放大電路正常工作的前提條件1.差放電路輸入電壓幅值限制RCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC2.電流源電流I限制1/14/202353模擬電子技術三、差動放大電路作模擬乘法器RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC1若則若則1/14/202354模擬電子技術

5.4.5差動放大器的失調(diào)及溫漂一、差動放大器的失調(diào)當輸入信號為零時，由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對稱，因而使得輸出不為零。這種現(xiàn)象，稱為差動放大器的失調(diào)。與失調(diào)有關的具體因素：1/14/202355模擬電子技術實際差分放大器RSRS+-UOOS(a)無失調(diào)差分放大器RSRS+-UOOS(b)+-UIOS圖1

實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流總輸入失調(diào)電壓----總輸出失調(diào)電壓----差模源電壓增益1/14/202356模擬電子技術UOOSRSRS+-(c）實際差分放大器+-UIO無失調(diào)差分放大器圖1

實際差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流IIO

：RS很大并接近開路時的輸入失調(diào)參數(shù)；UIO

：RS為0時的輸入失調(diào)參數(shù)；IIO

、UIO

：差分放大器的固有參數(shù)。利用戴維南等效定理可得a、b兩點間開路電壓ba1/14/202357模擬電子技術RSRS+-圖2實際差分放大器加補償電壓、補償電流示意圖+-UIO無失調(diào)差分放大器－＋IIO2IIO2UIOIB1IBIBIB2補償電流補償電壓失調(diào)電壓(OffsetVoltage)失調(diào)電流1/14/202358模擬電子技術RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－－＋IIO2IIO2UIOIB1圖3差動電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流補償電壓補償電流RSRSIBIB1/14/202359模擬電子技術RC＋ΔRCRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2－＋UIOIB1圖4求差動電路的失調(diào)電壓補償電壓1/14/202360模擬電子技術RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－IIO2IIO2IB1圖5求差動電路的失調(diào)電流補償電流RSRSIBIB1/14/202361模擬電子技術RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－IIO2IIO2IB1圖5求差動電路的失調(diào)電流補償電流RSRSIBIB1/14/202362模擬電子技術RCRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCRWRSRSRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCRWRSRSRC圖5.4.17差動放大器的調(diào)零電路

(a)射極調(diào)零(b)集電極調(diào)零1/14/202363模擬電子技術二、失調(diào)的溫度漂移(TemperatureDrift)1/14/202364模擬電子技術5.8集成運算放大電路的外部特性及其理想化5.8.1集成運放的電壓傳輸特性+_+￥+_圖5.8.1集成運放電路舊符號與新符號uid=u--u+uouid=u--u+uo0斜率為AudUOHUOL圖5.8.2電壓傳輸特性1/14/202365模擬電子技術5.8.2集成運算放大器的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO2.失調(diào)的溫漂3.輸入偏置電流IIB當外接RS足夠大，使IIO

RS>>UIO時，失調(diào)電流

IIO

＝IB1－IB2一、靜態(tài)參數(shù)4.最大差模輸入電壓最大共模輸入電壓1/14/202366模擬電子技術2.差模輸入電阻Rid4.帶寬5.轉(zhuǎn)換速率(壓擺率)SR1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

3.共模抑制比KCMR二、動態(tài)參數(shù)1/14/202367模擬電子技術5.8.3理想集成運算放大電路、理想化條件由于運放具有開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小等特性，在分析時常將其理想化，稱為理想運放。差模電壓增益Aud=∞差模輸出電阻Rod=0差模輸入電阻Rid=∞輸入偏置電流IIB=0共模抑制比KCMR=∞失調(diào)電流IIO=0頻帶寬度BW-3dB=∞失調(diào)電壓UIO=0轉(zhuǎn)換速率

SR=∞失調(diào)電流溫漂dIIO/dT=0噪聲電壓

UN=0失調(diào)電壓溫漂dUIO/dT=0如何理解參數(shù)為∞或0？1/14/202368模擬電子技術二、理想運放特性(1)“虛短”特性(virtualshortcircuit)1.理想運放工作在線性(linear)狀態(tài)時的特性所以(2)“虛斷”特性(virtualopencircuit)所以＋－u-u+uo由于u-u+uo集成運放理想模型零子任意子集成運放符號1/14/202369模擬電子技術2.理想運放工作在非線性(nonlinear)狀態(tài)時的特性(2)“虛斷”特性(1)“離散”特性uiduoUOHUOL非線性區(qū)非線性區(qū)uo=UOH或UOL1/14/202370模擬電子技術作業(yè)5.25.95.45.65.81/14/202371模擬