集成運算放大電路

模擬電子技術基礎

FundamentalsofAnalogElectronic

第六章集成運算放大電路05-Feb-23第六章集成運算放大電路§6.1多級放大電路§6.2集成運算放大電路簡介§6.6集成運放原理電路§6.7集成運放的主要性能指標§6.3差分放大電路§6.4功率放大電路§6.5集成運放中的電流源電路05-Feb-23§6.1多級放大電路一、多級放大電路的耦合方式二、多級放大電路的動態(tài)分析三、多級放大電路的頻率響應05-Feb-23一、多級放大電路的耦合方式

Q點相互獨立。不能放大變化緩慢的信號，低頻特性差，不能集成化。共射電路共集電路利用電容連接信號源與放大電路、放大電路的前后級、放大電路與負載，為阻容耦合。1.阻容耦合為滿足性能的多方面要求，需采用多級放大電路。05-Feb-232.直接耦合既是第一級的集電極電阻，又是第二級的基極電阻

能夠放大變化緩慢的信號，便于集成化，Q點相互影響，存在零點漂移現(xiàn)象。當輸入信號為零時，前級由溫度變化所引起的電流、電位的變化會逐級放大。共射電路共射電路直接連接輸入為零，輸出產(chǎn)生變化的現(xiàn)象稱為零點漂移求解Q點時應按各回路列多元一次方程，然后解方程組。為什么NPN型管和PNP型管要混合使用？＋－＋－＋－＋－05-Feb-23

可能是實際的負載，也可能是下級放大電路3.變壓器耦合

理想變壓器情況下，負載上獲得的功率等于原邊消耗的功率。從變壓器原邊看到的等效電阻

Q點相互獨立，能夠實現(xiàn)阻抗變換。不能放大變化緩慢的信號，低頻特性差，不能集成化。05-Feb-23二、動態(tài)參數(shù)分析1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻3.輸出電阻

對電壓放大電路的要求：Ri大，Ro小，Au的數(shù)值大，最大不失真輸出電壓大。05-Feb-23設：1=2==50，UBEQ1=UBEQ2=0.7

V。例1：圖示兩級放大電路，求Q、Au、Ri、Ro05-Feb-23解：（1）求靜態(tài)工作點05-Feb-23（2）求電壓放大倍數(shù)05-Feb-2305-Feb-2305-Feb-2305-Feb-2305-Feb-23三、多級放大電路的頻率響應1.討論：一個兩級放大電路每一級（已考慮了它們的相互影響）的幅頻特性均如圖所示。6dB3dBfLfH≈0.643fH1fL>fL1，fH<fH1，頻帶變窄！05-Feb-232.多級放大電路的頻率響應與各級的關系對于n級放大電路，若各級的下、上限頻率分別為fL1～fLn、fH1～fHn，整個電路的下、上限頻率分別為fL、

fH，則由于求解使增益下降3dB的頻率，經(jīng)修正，可得1.1為修正系數(shù)05-Feb-23討論一

失真分析：由NPN型管組成的兩級共射放大電路共射放大電路共射放大電路飽和失真？截止失真？首先確定在哪一級出現(xiàn)了失真，再判斷是什么失真。比較Uom1和Uim2，則可判斷在輸入信號逐漸增大時哪一級首先出現(xiàn)失真。

在前級均未出現(xiàn)失真的情況下，多級放大電路的最大不失真電壓等于輸出級的最大不失真電壓。05-Feb-23討論二：放大電路的選用按下列要求組成兩級放大電路：①Ri＝1～2kΩ，Au

的數(shù)值≥3000；②Ri

≥10MΩ，Au的數(shù)值≥300；③Ri＝100～200kΩ，Au的數(shù)值≥150；④Ri

≥10MΩ，Au的數(shù)值≥10，Ro≤100Ω。①共射、共射；②共源、共射；③共集、共射；④共源、共集。注意級聯(lián)時兩級的相互影響！05-Feb-23討論三

已知某放大電路的幅頻特性如圖所示，討論下列問題：1.該放大電路為幾級放大電路?2.耦合方式?3.在f＝104Hz時，增益下降多少？附加相移φ’＝？4.在f＝105Hz時，附加相移φ’≈？5.畫出相頻特性曲線；6.fH＝？

05-Feb-23§6.2集成運放電路簡介一、集成運放電路的特點二、集成運放的方框圖05-Feb-23一、集成運放的特點（1）集成電路中不能制作大電容，故采用直接耦合方式。（2）用復雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復雜化并不帶來工藝的復雜性。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）集成運放相鄰元件參數(shù)具有很好的一致性，故可構成較理想的差分放大電路和電流源電路。（5）采用復合管。

集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。05-Feb-23二、集成運放電路的方框圖兩個輸入端一個輸出端

若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。05-Feb-23集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。幾代產(chǎn)品中輸入級的變化最大！§6.3§6.4§6.505-Feb-23§6.3差分放大電路一、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因二、基本差分放大電路三、具有恒流源的差分放大電路四、差分放大電路的四種接法五、差分放大電路的改進05-Feb-23一、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因1.什么是零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，元器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ阂胫绷髫摲答?，溫度補償。典型電路：差分放大電路05-Feb-23二、基本差分放大電路在理想對稱的情況下：

1.克服零點漂移；2.零輸入零輸出；

3.抑制共模信號；4.放大差模信號。動態(tài)參數(shù)：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR1.電路組成:對稱性Rb1=Rb2Rc1=Rc2在任何溫度下T1和T2的特性和參數(shù)均完全相同。長尾05-Feb-232.

Q點分析晶體管輸入回路方程：通常，Rb較小，且IBQ很小，故選合適的VEE和Re就可得合適的Q05-Feb-233.抑制共模信號

共模信號：數(shù)值相等、極性相同的輸入信號，即05-Feb-233.抑制共模信號

：Re的共模負反饋作用Re的共模負反饋作用：溫度變化所引起的變化等效為共模信號對于每一邊電路，Re=?如

T(℃)↑→IC1↑IC2↑→UE↑→IB1↓IB2↓→IC1↓IC2↓抑制了每只差分管集電極電流、電位的變化。05-Feb-234.放大差模信號△iE1=－△iE2，Re中電流不變，即Re

對差模信號無反饋作用。差模信號：數(shù)值相等，極性相反的輸入信號，即＋－＋－05-Feb-23為什么？差模信號作用時的動態(tài)分析差模放大倍數(shù)05-Feb-23三、具有恒流源的差分放大電路

Re越大，每一邊的漂移越小，共模負反饋越強，單端輸出時的Ac越小，KCMR越大，差分放大電路的性能越好。但為使靜態(tài)電流不變，Re越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。

需在低電源條件下，設置合適的IEQ，并得到得到趨于無窮大的Re。解決方法：采用電流源取代Re！05-Feb-23具有恒流源差分放大電路的組成等效電阻為無窮大近似為恒流05-Feb-23

在實際應用時，信號源需要有“接地”點，以避免干擾；或負載需要有“接地”點，以安全工作。

根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：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。四、差分放大電路的四種接法05-Feb-231.雙端輸入單端輸出由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。但是UCEQ1≠UCEQ2。（1）Q點分析該電阻可短路05-Feb-23（2）雙端輸入單端輸出的動態(tài)分析對差模信號的等效電路對共模信號的等效電路05-Feb-23（3）雙端輸入單端輸出電路問題的討論（1）T2的Rc可以短路嗎？（2）什么情況下Ad為“＋”？（3）雙端輸出時的Ad是單端輸出時的2倍嗎？05-Feb-232.單端輸入雙端輸出共模輸入電壓差模輸入電壓

輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：在輸入信號作用下發(fā)射極的電位變化嗎？說明什么？05-Feb-232.單端輸入雙端輸出問題：如何減小共模輸出電壓？差模輸出共模輸出05-Feb-233.四種接法的比較：電路參數(shù)理想對稱條件下輸入方式：Ri均為2(Rb+rbe)；雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模信號輸入。輸出方式：Q點、Ad、Ac、KCMR、Ro均與之有關。05-Feb-231)RW取值應大些？還是小些？2)RW對動態(tài)參數(shù)的影響？3)若RW滑動端在中點，寫出Ad、Ri的表達式。五、差分放大電路的改進加調零電位器RW05-Feb-23若uI1=10mV，uI2=5mV，則uId=？uIc=？uId=5mV，uIc=7.5mV討論一討論二1、uI=10mV，則uId=?uIc=?2、若Ad=－102、KCMR＝103用直流表測uO

，uO=?uO=AduId+AcuIc=?=?uId=10mV，uIc=5mV05-Feb-23§6.4功率放大電路一、概述二、OCL電路三、其它類型的功率放大電路05-Feb-23一、概述1.功率放大電路研究的問題（1）性能指標：輸出功率和效率。若已知Uom，則可得Pom。最大輸出功率與直流電源損耗的平均功率之比為效率。

（2）分析方法：因大信號作用，故應采用圖解法。（3）晶體管的選用：根據(jù)極限參數(shù)選擇晶體管。在功放中，晶體管集電極或發(fā)射極電流的最大值接近最大集電極電流ICM，管壓降的最大值接近c-e反向擊穿電壓U(BR)CEO，集電極消耗功率的最大值接近集電極最大耗散功率PCM

。稱為工作在盡限狀態(tài)。05-Feb-232.對功率放大電路的要求（1）甲類方式：晶體管在信號的整個周期內均處于導通狀態(tài)（2）乙類方式：晶體管僅在信號的半個周期處于導通狀態(tài)（3）甲乙類方式：晶體管在信號的多半個周期處于導通狀態(tài)（1）輸出功率盡可能大:即在電源電壓一定的情況下，最大不失真輸出電壓最大。（2）效率盡可能高:

即電路損耗的直流功率盡可能小，靜態(tài)時功放管的集電極電流近似為0。3.晶體管的工作方式05-Feb-23甲類：Q點適中，在正弦信號的整個周期內均有電流流過BJT。甲乙類：介于甲類和乙類之間，導通角大于180°小于

360°。iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙類：靜態(tài)電流為0，BJT只在正弦信號的半個周期內導通。iCuCEQ2ICQVCC05-Feb-231.基本電路靜態(tài)時T1、T2均截止，UB=UE=0(1)特征：T1、T2特性理想對稱。(2)靜態(tài)分析T1的輸入特性理想化特性二、OCL電路05-Feb-23（3）動態(tài)分析ui正半周，電流通路為

+VCC→T1→RL→地，

uo

=ui

兩只管子交替工作，兩路電源交替供電，雙向跟隨。ui負半周，電流通路為地→RL→T2→-VCC，

uo

=ui05-Feb-232.交越失真消除失真的方法：設置合適的靜態(tài)工作點。信號在零附近兩只管子均截止開啟電壓①靜態(tài)時T1、T2處于臨界導通狀態(tài)，有信號時至少有一只導通；②偏置電路對動態(tài)性能影響要小。05-Feb-233.消除交越失真的互補輸出級05-Feb-234.復合管復合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。

不同類型的管子復合后，其類型決定于T1管。目的：增大β，減小前級驅動電流，改變管子的類型。iB方向決定復合管的類型05-Feb-235.準互補輸出級

為保持輸出管的良好對稱性，輸出管應為同類型晶體管。大！05-Feb-23然后求出電源的平均功率，效率在已知RL的情況下，先求出Uom，則6.

OCL電路輸出功率和效率的分析計算求解輸出功率和效率的方法：05-Feb-23(1)輸出功率數(shù)值較大不可忽略大功率管的UCES常為2~3V。(2)效率電源電流05-Feb-23(3)晶體管的極限參數(shù)PT對UOM求導，并令其為0，可得

在輸出功率最大時，因管壓降最小，故管子損耗不大；輸出功率最小時，因集電極電流最小，故管子損耗也不大。管子功耗與輸出電壓峰值的關系為管壓降發(fā)射極電流05-Feb-23因此，選擇晶體管時，其極限參數(shù)將UOM代入PT的表達式，可得05-Feb-23三、其它類型集成功率放大電路1.OTL

電路

單電源供電、零輸入時零輸出，最大不失真輸出電壓峰-峰值接近電源電壓。輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大，才能認為其對交流信號相當于短路。05-Feb-232.BTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地輸入電壓的負半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是雙端輸入、雙端輸出形式，輸入信號、負載電阻均無接地點。②管子多，損耗大，使效率低。

單電源供電、零輸入時零輸出、最大不失真輸出電壓峰值比OTL電路更大，低頻特性好。05-Feb-23§6.5

集成運放中的電流源一、鏡像電流源二、微電流源三、多路電流源四、有源負載05-Feb-23一、鏡像電流源T0和T1特性完全相同。在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負反饋嗎？基準電流05-Feb-23二、微電流源設計過程很簡單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。05-Feb-23三、多路電流源

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結面積。

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。05-Feb-23四、有源負載

①哪只管子為放大管？②其集電結靜態(tài)電流約為多少？③靜態(tài)時UIQ為多少？④為什么要考慮

h22?1.用于共射放大電路05-Feb-232.用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動態(tài)：05-Feb-23§6.6

集成運放的電路分析一、讀圖方法二、原理電路的分析三、集成運放的性能指標05-Feb-23一、讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應用場合、用途和技術指標。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。05-Feb-23二、原理電路的分析

若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。IR微電流源鏡像電流源05-Feb-23按信號流通順序分析放大電路部分雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級05-Feb-23三、集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調電流IIO(│IB1-IB2│)20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃