數(shù)字電子技術基礎簡明教程第5章集成運算放大器課件

第五章集成運算放大電路5.1集成放大電路的特點5.2集成運放的主要技術指標5.3集成運放的基本組成部分第一節(jié)集成放大電路的特點集成電路的發(fā)展集成電路的分類集成放大電路的主要特點一、集成電路的發(fā)展集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)，是20世紀60年代初期發(fā)展起來的一種半導體器件，它是在半導體制造工藝基礎上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引線短、外部接線大為減少，提高了電子設備的可靠性和靈活性，同時降低了成本，為電子技術的應用開辟了一個新的時代。二、集成電路的分類1.按功能的不同可分為數(shù)字集成電路：輸入量和輸出量為高、低兩種電平且具有一定邏輯關系的電路模擬集成電路：數(shù)字集成電路以外的集成電路統(tǒng)稱為模擬集成電路2.按模擬集成電路的類型可分為集成運算放大器、集成功率放大器、集成高頻放大器、集成中頻放大器、集成比較器、集成乘法器、集成穩(wěn)壓器、集成數(shù)模和模數(shù)轉換器以及鎖相環(huán)等。

3.按構成有源器件的類型可分為雙極型（三極管）和單極型（場效應管）。三、集成電路的特點參數(shù)精度不高，受溫度影響較大，但對稱性好。電阻值范圍有一定局限性，一般在幾十歐到幾十千歐之間。常用三極管代替電阻，尤其是大電阻。集成電路工藝不適于制造幾十皮法以上的電容器，放大級之間通常采用直接耦合方式。一般情況下，PNP管只能做成橫向的，β值較小（β

≤10）。第二節(jié)集成運放的主要技術指標集成運放的符號集成運放的技術指標二、集成運放的主要技術指標1.開環(huán)差模電壓增益

Aod它的定義是Aod=20lgΔUo

ΔU--ΔU+Aod是指運放無外加反饋情況下的直流差模增益，一般用對數(shù)表示，單位為分貝。Aod是決定運放精度的重要因素，理想情況下希望Aod為無窮大。實際集成運放一般Aod為100dB左右，高質(zhì)量的集成運放Aod可達140dB以上。2.輸入失調(diào)電壓

UIo3.輸入失調(diào)電壓溫漂

αUIOdUIodT它的定義是αUIO=UIo的定義是，為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。其數(shù)值表征了輸入級差分對管UBE失配的程度，在一定程度上也反映溫漂的大小。一般運放UIo的值為1~10mV，高質(zhì)量的在1mV以下。表示失調(diào)電壓在規(guī)定工作范圍內(nèi)的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要指標。一般運放為每度10～20μV，高質(zhì)量的低于每度0.5μV。

4.輸入失調(diào)電流

IIO5.輸入失調(diào)電流溫漂

αIIO即IIO=IB1-IB2dIIodTαIIO的定義是αIIO=IIO的定義是當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，用以描述差分對管輸入電流的不對稱情況，一般運放為幾十至一百nA，高質(zhì)量的低于1nA。代表輸入失調(diào)電流的溫度系數(shù)。一般為每度幾納安，高質(zhì)量的只有每度幾十皮安。7.差模輸入電阻

rid8.共模抑制比KCMR9.最大共模輸入電壓

UIcmΔUIdrid的定義是rid

=ΔIId集成運放輸入端所能承受的最大共模電壓。它的定義是KCMR

=

20lgAod

Acd用以衡量集成運放向信號源索取電流的大小。一般集成運放的rid為幾MΩ。用以衡量集成運放抑制溫漂的能力。多數(shù)集成運放的KCMR在80dB以上，高質(zhì)量的可達160dB。10.最大差模輸入電壓

UIdm11.-3dB帶寬

fH12.單位增益帶寬

BWG13.轉換速率

SR集成運放反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。Aod下降3dB時的頻率。一般集成運放的fH值較低，只有幾赫至幾千赫。Aod降至0dB時的頻率。在額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率，單位為V/μs。描述集成運放對大幅度信號的適應能力。第三節(jié)集成運放的基本組成部分偏置電路差分放大輸入級中間級輸出級IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置電路1.鏡像電流源VCC-

UBE1RIC2≈IREF=VCC-

UBE1RIREF

IC12IBIc2

IREF-2IB當β>>2時IB2IB12IBVT1VT2RR1R2+VCCUBE1≈

UBE22.比例電流源UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2IE1R1

≈IE2R2IC2

≈R1R2IC1R1R2IREFIREFIc2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2IREFIB2IB1Ic12IBVT1VT2RRe+VCC3.微電流源UBE1

-

UBE2

=

IE2ReIc2UBE2UBE1+--+≈

IC2ReUBE

≈UTlnICISUBE1

–

UBE2≈UT(

lnIC1IS1IC2IS2–

ln)≈

IC2ReUTlnIC1IC2≈

IC2ReIE2Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF解：①由圖可得②VT12與VT13組成鏡像電流源，

VT10、VT11與R4組成微電流源。Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③不能簡單認為Ic13

≈IREF。④

可認為Ic11

≈IREF。二、差分放大輸入級+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大電路電路結構對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應電阻元件的參數(shù)值都相等。兩個輸入、兩個輸出兩管靜態(tài)工作點相同（1）電路組成1、基本形式差分放大電路電路由兩個特性完全相同的基本放大電路組成。抑制零點漂移的原理靜態(tài)時，Ui1=Ui2=0，由于電路對稱RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2ui＋UCCuoV1V2（1）電路組成溫度上升，引起兩邊電流變化由于電路對稱，零漂被抑制。（2）差模輸入電壓和共模輸入電壓差模輸入電壓

uId

兩個輸入電壓大小相等、極性相反。差模輸入電壓+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2實際上，在差分放大電路的兩個輸入端加上任意大小、任意極性的輸入電壓uI1和uI2，都可以將它們認為是某個差模輸入電壓和某個共模輸入電壓的組合。其中差模輸入電壓uId和共模輸入電壓uIc的值分別為:[例5.3.2]

uI1=5mV,uI2=1mV則:

uId=4mVuIc=3mV（3）差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比差模輸入電壓+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模電壓放大倍數(shù)AdΔuo

=

Δuc1

–

Δuc2=2

Δuc112=

2·Au1ΔuiΔuc1

=-

Δuc2

=12Au1Δui犧牲一個放大管的放大倍數(shù)換取對零點漂移的抑制，但不理想，因電路不可能完全對稱，單端輸出時失去對零點漂移的抑制能力。ΔuoΔui=

Au1Ad=共模放大倍數(shù)Ac

=ΔuoΔuic共模抑制比差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說明差放分辨差模信號的能力越強，而抑制共模信號的能力越強。共模抑制比+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.長尾式差分放大電路

引入共模負反饋降低單管零點漂移提高了共模抑制比補償Re上的直流壓降，提供靜態(tài)基極電流(1)電路組成+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)靜態(tài)分析IBQR

+UBEQ

+2IEQRe

=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)

ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB（3）動態(tài)分析Ad=?uo?uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe）Ro=2

Rc+-?uo?uI1RRcRcVT1VT2?uI2RRL12RL12+-?ui?uc2?uc1+?uI1RRcVT1RL12?uc1-?uo=2?uc1?ui=?uI1-

?uI2

=2?uI1[例5.3.3]在長尾式差分放大電路中常接入調(diào)零電阻Rw確保靜態(tài)時輸出為零，如右圖所示。靜態(tài)分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+

β)（

2Re+0.5

Rw)UCQ=VCC-ICQRcICQ

≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR

+UBEQ

+IEQ（

2Re

+0.5

Rw)

=VEE+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的長尾式差分放大電路RwRLuI1動態(tài)分析：+?uI1RRcVT1RL12?uc1-0.5RwAd=?uo?uI=Au1Ad=-R+rbe+（Rc//）12RLβRo=2

Rc?uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie?uc1=（Rc//）12RLβib（1+β）Rw2Rid=2[R+rbe+（1+β

）Rw2]+-?uo?uI1RRcRcVT1VT2?uI2R交流通路RL12RL120.5Rw0.5Rw3.恒流源式差分放大電路用恒流三極管代替阻值很大的長尾電阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）電路組成+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLuI1I簡化表示法恒流源式差分放大電路+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLuI1Rb2VT3(2)靜態(tài)分析通?？蓮拇_定恒流三極管的電流開始。恒流源式差分放大電路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3URb1=Rb1Rb1+Rb2(VCC+VEE)ICQ3≈

IEQ3=ReURb1–UBEQ3ICQ1=

ICQ2≈12ICQ3βIBQ1=

IBQ2≈ICQ1UBQ1=

UBQ2=-IBQ1R

UCQ1=

UCQ2=VCC-

ICQ1RC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz[例5.3.4]估算圖示電路的靜態(tài)工作點和差模電壓放大倍數(shù)Ad。UB1=

-IB1RIE3IC3IC1IC2UC1UC2IB1IB1解：靜態(tài)工作點+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwuI1R1VT3VDz12IC3IC1=UC1=VCC-ICQRCβICQ1IB1

=Uz-UBE3ReIE3

=

Ad=-R+

rbe+βRc

（1+

β

）Rw2解：差模電壓放大倍數(shù)+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路與長尾式電路的交流通路相同二者的差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻均相同4.差分放大電路的輸入、輸出接法（1）差分輸入、雙端輸出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（2）差分輸入、單端輸出將雙端信號轉化為單端信號。+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo（3）單端輸入、雙端輸出將單端信號轉化為雙端輸出。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（4）單端輸入、單端輸出抑制零漂能力較強,可使輸入、輸出電壓反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-結論：1.雙端輸出時Ad

≈Au1Ro=

2

Rc理想情況下KCMR=

∞2.單端輸出時Ad

=

Au112Ro=

RcKCMR不如雙端輸出時高，可選擇從不同的三極管輸出，使ui與uo反相或同相。單端輸入時兩個三極管仍基本工作在差分狀態(tài)。Rid

≈

2（R+

rbe）三、中間級1.有源負載要求有較高的電壓增益和輸入電阻，向輸出級提供較大的推動電流，實現(xiàn)差分與單端信號間的轉換。IVT2RVT3VT1uiuo-+-++VCC放大管用三極管代替負載電阻RC

，組成有源負載，獲得較高的電壓放大倍數(shù)2.復合管集成運放的中間級采用復合管時，不僅可以得到很高的電流放大系數(shù)，以便提高本級的電壓放大倍數(shù)，而且能夠大大提高本級的輸入電阻，以免對前級放大倍數(shù)產(chǎn)生不良影響。VT1VT2VT3

RVT4

uiuo-+-++VCCIREF根據(jù)基準電流IREF，即可確定放大管的工作電流。+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

Δic2