第六章集成運算放大電路

第六章集成運算放大電路1第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五第六章集成運算放大電路主要內(nèi)容：

§6-1．集成運算放大電路概述§6-2．集成運放中的電流源電路§6-3．差分放大電路§6-4．集成電路運算放大器

第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-1．集成運算放大電路概述集成電路：采用專門的制造工藝，將元、器件及連線組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。集成放大電路：高增益的直接耦合放大電路

問世最早，應(yīng)用最廣泛。最初多用于各種模擬信號的運算故稱：集成運算放大電路，簡稱集成運放。第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-1．集成運算放大電路概述一、集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點1.直接耦合（硅片上不能做大電容）2.差動放大作輸入級（克服溫漂）3.采用電流源（偏置—提供穩(wěn)定的電流；有源負載代替大電阻）4.采用復(fù)合管（不同類型管性能差異大）第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-1．集成運算放大電路概述二、集成運放電路的組成及其作用各部分的作用：1.輸入級：KCMR↑，Ri↑，IQ↓，一般采用差動放大。2.中間級：Au↑，多采用有源負載的共射復(fù)合管放大。3.輸出級：UOM↑，RO↓，多采用互補對稱輸出電路。4.偏置電路：提供各級Q點，采用電流源電路。組成：第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-1．集成運算放大電路概述三、集成運放的電壓傳輸特性符號：電壓傳輸特性：第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-1．集成運算放大電路概述三、集成運放的電壓傳輸特性線性區(qū)：Aod—差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)：第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路一、電流源電路的特點：

這是輸出電流恒定的電路。它具有很高的輸出電阻。1、BJT、FET工作在放大狀態(tài)時，其輸出電流都是具有恒流特性的受控電流源；由它們都可構(gòu)成電流源電路。2、在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等3、電流源電路一般都加有電流負反饋。4、電流源電路一般都利用PN結(jié)的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，以減小溫度對電流的影響。

(一)電流源概述第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2、作各種放大器的有源負載，以提高增益、增大動態(tài)范圍。二、電流源電路的用途：1、給直接耦合放大器的各級電路提供直流偏置電流，以獲得極其穩(wěn)定的Q點。3、由電流源給電容充電，可獲得隨時間線性增長的電壓輸出。4、電流源還可單獨制成穩(wěn)流電源使用?！?-2．集成運放中的電流源電路第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路一、基本電流源電路T1、T0特性完全相同由于：T1、T0基-射回路對稱所以：IB1=IB0=IB→IC1=IC0=IC溫度特性好(二)集成電路電流源1.鏡像電流源第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路問題：若IC1↓→R↑溫度補償作用：溫度↑→IC1↑IC1↓ICO↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓1.鏡像電流源第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路由電路：又：所以：得：得：在一定條件下2.比例電流源第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路由上電路因為Re0=0其中3.微電流源第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路二、改進型電流源電路Re2的作用：增大IE2，提高β。1.加射級輸出器的電流源第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路工作點穩(wěn)定，輸出電阻大。二、改進型電流源電路2.威爾遜電流源第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-2．集成運放中的電流源電路三、多路電流源電路第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-3．差分放大電路6.3.1差動放大電路的工作原理6.3.2.差分放大電路的輸入輸出形式6.3.3具有恒流源差分放大電路第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.1差動放大電路的工作原理(DifferentialAmplifier)電路組成及抑制零漂的工作原理1、電路組成特點：a.兩只完全相同的管子；b.兩個輸入端，兩個輸出端；c.元件參數(shù)對稱；§6-3．差分放大電路第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2、抑制零漂的工作原理

原理：靜態(tài)時，輸入信號為零，即將輸入端①和②短接。由于兩管特性相同，所以當(dāng)溫度或其他外界條件發(fā)生變化時，兩管的集電極電流ICQ1和ICQ2的變化規(guī)律始終相同，結(jié)果使兩管的集電極電位UCQ1、UCQ2始終相等，從而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0，因此消除了零點漂移。具體實踐：在實踐中，兩個特性相同的管子采用“差分對管”，兩半電路中對應(yīng)的電阻可用電橋精密選配，盡可能保證阻值對稱性精度滿足要求。結(jié)論：可想而知，即使采取了這些措施，差動放大電路的兩半電路仍不可能完全對稱，也就是說，零點漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。§6-3．差分放大電路第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五3、信號的輸入方式和電路的響應(yīng)若Ui1的瞬時極性與參考極性一致，則Ui2的瞬時極性與參考極性相反。則有：ui1↑→ib1↑→ic1↑→uc1↓ui2↓→ib2↓→ic2↓→uc2↑輸出電壓uO=uC1－

uC2≠0，而是出現(xiàn)了信號，記為Uod。定義：Ad=Uod/2UidUi1=Uid，Ui2=-Uid差模輸入信號為Ui1－

Ui2=2

Uid差模輸入方式（1）差模輸入方式§6-3．差分放大電路第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論：差模電壓放大倍數(shù)等于半電路電壓放大倍數(shù)?！?-3．差分放大電路第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五Ui1=Ui2=Uic在共模輸入信號作用下，差放兩半電路中的電流和電壓的變化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0Ui1=Ui2=Uic時，Uoc=0。定義：Ac=Uoc/Uic（2）共模輸入方式共模輸入方式下的差放電路§6-3．差分放大電路第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五Ac叫做共模電壓放大倍數(shù)。理論上講，Ac為0，實際上由于電路不完全對稱，可能仍會有不大的Uoc，一般Ac《1。既然UOC=0或者UOC很小，為什么還要討論共模輸入呢？差放的兩半電路完全對稱，又處于同一工作環(huán)境，這時溫度變化以及其它干擾因素對這兩半電路都有完全相同的影響和作用，都等效成共模輸入信號。如果在Uic作用下，Uoc=0或Ac=0，則說明差放有效地抑制了因溫度變化而引起的零漂?！?-3．差分放大電路第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五（3）任意輸入方式

輸入端分別接Ui1和Ui2，這種輸入方式帶有一般性，叫“任意輸入方式”。任意輸入方式§6-3．差分放大電路第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若則Uid=(Ui1-Ui2)/2例如：Ui1=10mVUi2=6mV則

Uid=2mV

Uic=8mV利用疊加原理得到：Uo=Ad·2Uid+AcUic=Ad（Ui1-Ui2）結(jié)論：在任意輸入方式下，被放大的是輸入信號Ui1和Ui2的差值。這也是這種電路為什么叫做“差動放大的原因”。§6-3．差分放大電路第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五（4）存在的問題及改進的方案以上研究的是基本的差動放大電路，它實際上不可能完全抑制零漂，因為兩半電路不會完全對稱。另外，如果從一管輸出，則與單管放大電路一樣，對零漂毫無抑制能力，而這種“單端輸出”方式的形式又是經(jīng)常采用的。穩(wěn)定靜態(tài)工作點，就是要減小ICQ的變化，而抑制零點漂移也同樣是減小ICQ的變化。即抑制零點漂移和穩(wěn)定靜態(tài)工作點是一回事。因此可以借鑒工作點穩(wěn)定電路中采用過的方法，在管子的射極上接一電阻。這樣，基本的差動放大電路就改進為如下圖所示?！?-3．差分放大電路第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.2.差分放大電路的輸入輸出形式差動放大器共有四種輸入輸出方式:1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問題有：差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻§6-3．差分放大電路第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五1.雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）輸出電阻§6-3．差分放大電路第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2.雙端輸入單端輸出這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。(1)差模電壓放大倍數(shù)（2）差模輸入電阻（3）輸出電阻§6-3．差分放大電路第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五（4）共模電壓放大倍數(shù)共模等效電路：§6-3．差分放大電路第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五3.單端輸入雙端輸出單端輸入等效雙端輸入:因為右側(cè)的Rb+rbe歸算到發(fā)射極回路的值[(Rs+rbe)/(1+)]<<Re，故

對Ie分流極小，可忽略，于是有計算同雙端輸入雙端輸出：§6-3．差分放大電路vi1=－vi2=vi/2第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五4.單端輸入單端輸出注意放大倍數(shù)的正負號：設(shè)從T1的基極輸入信號，如果從C1輸出，為負號；從C2輸出為正號。

計算同雙入單出：§6-3．差分放大電路第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五(1)差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結(jié)雙端輸出時：單端輸出時：(2)共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：雙端輸出時：單端輸出時：§6-3．差分放大電路第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五(3)差模輸入電阻不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。

單端輸出時，

雙端輸出時，(4)輸出電阻§6-3．差分放大電路第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五(5)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標(biāo)。雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：§6-3．差分放大電路第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.3具有恒流源差分放大電路1、電路的組成和工作原理KCMR=Ad/Ac從以上兩式看出要減小Ac，提高共模抑制比，應(yīng)增大RE，但RE不能太大，因為RE上的壓降由VEE提供。在保持VT1、VT2兩管的工作電流為一定值時，要加大RE，必須提高VEE，這是有困難的。能不能找到這樣一種元器件，它的直流電阻很小，而它的交流電阻卻很大，這樣靜態(tài)時不需要很大的VEE，動態(tài)時的AC卻很小，KCMR很大？§6-3．差分放大電路第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2、電流源電路減少共模放大倍數(shù)的思路：增大REE用恒流源代替REE特點：直流電阻為有限值動態(tài)電阻很大1.三極管電流源簡化畫法電流源代替差分電路中的REE+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RC–VEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0§6-3．差分放大電路第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五3.具有電流源的差分放大電路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREFIC4R1簡化畫法§6-3．差分放大電路第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五V3、V4構(gòu)成比例電流源電路能調(diào)零的差分電路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0RP§6-3．差分放大電路第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五例:(1)

=100,求靜態(tài)工作點；(2)求電路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)求“Q”ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2k100§6-3．差分放大電路第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五ICQ1=ICQ2=0.5I0UCQ1=UCQ2=6–0.427.5=2.85(V)(2)求Aud，Rid，RoRo=2RC=15(k)§6-3．差分放大電路第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五§6-4．集成電路運算放大器6.4.1集成運放基本知識6.4.2通用型集成運算放大器的組成及基本特性第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五6.4.1集成運放基本知識一、通用型集成運放(OperationalAmplifier)的組成1.模擬集成電路的特點1)直接耦合：采用差分電路形式，元件相對誤差小；2)大電阻用恒流源代替，大電容外接；3)二極管用三極管代替(B、C極接在一起)；4)高增益、高輸入電阻、低輸出電阻?！?-4．集成電路運算放大器第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2.組成方框圖輸入級：差分電路，大大減少溫漂。中間級：采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級：OCL電路，帶負載能力強偏置電路：鏡像電流源，微電流源。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid§6-4．集成電路運算放大器第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五輸入級中間級輸出級輸入級V1、V3和V2、V43.通用型集成運算放大器741簡化電路§6-4．集成電路運算放大器第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五共集-共基組合差分電路V5、V6有源負載構(gòu)成雙端變單端電路中間級V7、V8復(fù)合管，共發(fā)射極具有高增益輸出級甲乙類互補對稱功率放大電路(OCL)V11V13采用單電源(OTL)時，輸入端靜態(tài)電位應(yīng)為0.5VCC?！?-4．集成電路運算放大器第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五二、集成運算放大器電路符號及理想化條件1.運放的符號習(xí)慣用符號uid+VCC–VEE國家標(biāo)準符號uouid+VCC–VEE8直流電源接法(VCC=VEE)§6-4．集成電路運算放大器第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五等效電路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相端輸入電壓u-—反相端輸入電壓uid—差模輸入電壓uid=u–u+Aud—開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

uo=Aud(u+–u)§6-4．集成電路運算放大器第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五1)Aud2.運放特性的理想化6)UIO0，IIO0理想運放：4)KCMR5)BW2)Rid3)Ro

0傳輸特性O(shè)uiduoUomax–Uomax理想線性區(qū)實際3.理想運放工作在線性區(qū)的兩個特點1)u+

u–(虛短)證：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–u–=uo/Aud02)i+

i–0(虛斷)證：i+=uid/Rid0同理i–0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–§6-4．集成電路運算放大器第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五4.理想運放工作在非線性區(qū)的兩個特點1)u+>u–時，uo=Uomaxu+<u–時,

uo=–UOmax2)i+

i–0(虛斷)§6-4．集成電路運算放大器第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五6.4.2通用型集成運算放大器的組成及基本特性一、集成電路器件命名及主要性能指標(biāo)1.國標(biāo)GB-3430-82對集成電路的規(guī)定§6-4．集成電路運算放大器第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符號國標(biāo)字母器件類型數(shù)字品種字母工作條件字母封裝符號意義符號意義符號意義符號意義C中國制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS線性放大音響電視穩(wěn)壓器接口電路非線性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封閉扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金屬菱形金屬圓形§6-4．集成電路運算放大器第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期五2.主要參數(shù)1)輸入失調(diào)電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補償電壓2)輸入偏置電流IIB幾毫伏UO=0時，10nA1A3)輸入失調(diào)電流IIOUO=0時，