模拟电子技术基础课件

1、第三章第三章 集成运算放大电路基础集成运算放大电路基础Basic of Integrated Operational Amplifier2本章内容本章内容1. 集成运算放大器的特点和结构集成运算放大器的特点和结构2. 集成运放中的恒流源集成运放中的恒流源3. 差分放大电路差分放大电路4. 集成运放的典型电路集成运放的典型电路3本章要求本章要求1. 理解镜像电流源、微电流源的工作原理、特理解镜像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途；点和主要用途；2. 掌握差摸信号、共摸信号、差摸增益、共摸掌握差摸信号、共摸信号、差摸增益、共摸增益及共摸抑制比等基本概念。增益及共摸抑制比等基本概念。3. 掌

2、握差分放大电路的工作原理和参数计算。掌握差分放大电路的工作原理和参数计算。1. 集成运算放大器的集成运算放大器的特点和结构特点和结构1.1 集成电路（集成电路（IC）概述）概述1.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构Architecture of Op-Amp51.1 集成电路（集成电路（IC）概述）概述在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件及电路制作在一块硅基片上，构成特定功能元器件及电路制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为的电子电路，称为集成电路集成电路。集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路

3、模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。61.1 集成电路（集成电路（IC）概述）概述(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式71.1 集成电路（集成电路（IC）概述）概述集成运算放大电路特点：集成运算放大电路特点：（1）直接耦合方式；）直接耦合方式；（2）充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大）充分利用管子性能良好的一致

4、性采用差分放大电路和电流源电路；电路和电流源电路；（3）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性；的复杂化并不带来工艺的复杂性；（4）用有源元件替代无源元件，如用常用有源器件）用有源元件替代无源元件，如用常用有源器件代替电阻；代替电阻；（5）采用复合管。）采用复合管。增益高、输入电阻大、输出电阻小，抑制温漂能力强增益高、输入电阻大、输出电阻小，抑制温漂能力强81.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合实质上是一个具有高放大倍数的多级

5、直接耦合放大电路。放大电路。集成运算的基本组成集成运算的基本组成 uoui1ui291.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路 输入级：输入级： 一般由带恒流源的差分放大器组成。一般由带恒流源的差分放大器组成。 特点：特点：低的零点漂移；低的零点漂移； 高共模抑制能力；高共模抑制能力； 高输入阻抗；高输入阻抗； 高差模放大倍数；高差模放大倍数； 低静态电流。低静态电流。101.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路 中间级：中间级： 整个电路的主放大器电路的调理，一般由整个电路的主放大器

6、电路的调理，一般由一级到多级直接耦合放大器组成。一级到多级直接耦合放大器组成。 特点：特点： 有足够的放大能力有足够的放大能力111.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路 输出级：输出级： 常采用互补对称输出电路，以提高集成运放的常采用互补对称输出电路，以提高集成运放的负载能力。负载能力。 特点：特点：电压线性范围宽电压线性范围宽;输出电阻小输出电阻小;非线性失真小。非线性失真小。121.2 集成运放的内部结构集成运放的内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路 偏置电路：偏置电路： 设置运放各级静态工作点，常采用电流源

7、设置运放各级静态工作点，常采用电流源电路。电路。2. 集成运放中的恒流源集成运放中的恒流源2.1 镜像电流源镜像电流源2.2 比例电流源比例电流源2.3 微电流源微电流源2.4 精密镜像恒流源精密镜像恒流源2.5 威尔逊电流源威尔逊电流源2.6 多路电流源多路电流源2.7 电流源的应用电流源的应用Current Source Circuits142.1 镜像电流源镜像电流源（Current Mirror circuits）1T2ToI2CI1CI1BI2BI1212BBCCIIII则则： ，)21(22221 CBCBCRIIIIII221ROCRIIII 三极管三极管T1、T2对称：对称：

8、2112BEBEBEUUUCCBECCRVUVIRR (呈镜像关系呈镜像关系)152.1 镜像电流源镜像电流源（Current Mirror circuits）1T2ToI2CI1CI1BI2BI镜像电流源具有一镜像电流源具有一定的温度补偿作用定的温度补偿作用TIC1IC2IRURUBIBIc2162.1 镜像电流源镜像电流源（Current Mirror circuits）(b1,c1,b2)12020;bbceiiRr 显显然然则则：5100R求求：172.1 镜像电流源镜像电流源（Current Mirror circuits）电路如图电路如图6.5所示。所示。 例例3.1 设计一个能提

9、供指定输出电流的基本镜像电流源。设计一个能提供指定输出电流的基本镜像电流源。晶体管参数为晶体管参数为 100,6 . 0)on(VUBE当当 时，输出电流为时，输出电流为200uA。 求电阻求电阻 RoI-VccVVccVVcc5,5182.2 比例电流源比例电流源两三极管基极对地电位相两三极管基极对地电位相等，于是有：等，于是有：REIIRIRIUURIURIU1e2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=1T2ToI1CI1BI2BI1eR2eR2CI21BBII oe12R1e2EEIRIIIR所以：所以：比例电流源具有较高的比例电流源具有较高的Ro和温度稳定性。和温度稳定

10、性。192.3 微电流源微电流源（Widlar Current Source）+VCCRIRVT1VT2IC2IC1Re实际电路中应先确定实际电路中应先确定IR和和Io的数值，然后求出的数值，然后求出R和和Re的值。的值。IolnTRoeoUIIRI 引入引入Re使使 UBE2 UBE1，且，且 IC2 IC1 ，即在，即在 Re 值不大的情况下，得到值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流一个比较小的输出电流 IC2 。BE1BE22222e21(1)(1)EBCUUIIIRlnEBETSIUUI2(1)oceRr 202.4 精密镜像恒流源精密镜像恒流源镜像电流源镜像电流源1T2ToI2C

11、I1CI1BI2BI)21( RoII22(1)RCIIoRII 问题的提出问题的提出212.4 精密镜像恒流源精密镜像恒流源 精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其精度精度提高了提高了 倍倍。221ROII 3T3BI20cerR 321133211EBRCCIIIII2221,BCCCIIII222.5 威尔逊电流源威尔逊电流源)2/(212 ROII22ceorR 不仅降低不仅降低IO与与IR的误差，同时大幅提高的误差，同时大幅提高Ro，使得输出电流更加稳定。使得输出电流更加稳定。2121233001311CCCCCEECBCRIIIIIIIIIII

12、II 232.6 多路多路电流源电流源 利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。以适应各级的需要。Re242.7 电流源的应用电流源的应用q 作为有源集电极负载，提高运放的单级增益；作为有源集电极负载，提高运放的单级增益；q 作为输入差分放大器的射极电阻以提高集成运作为输入差分放大器的射极电阻以提高集成运放的共模抑制比；放的共模抑制比；q 用来对电路进行偏置，稳定电路的工作点。用来对电路进行偏置，稳定电路的工作点。 252.6 电流源的应用电流源的应用用电流源做有源负用电流源做有源负载，可提高电路放大载，可提高电路放大倍数倍数哪只管

13、子为放大管？哪只管子为放大管？其集电极静态电流约为多少？其集电极静态电流约为多少？为什么要考虑为什么要考虑 rce?be1bLce2ce11)( rRRrrAu3. 差分放大电路差分放大电路 Differential Amplifier Circuits3.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理3.2 典型的差分放大电路及其分析典型的差分放大电路及其分析3.3 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路3.4 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法273.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理问题的提出问题的提出RC1RC2T2RB_ui+VCCRL+_uo+VBBT1（1）零

14、点漂移问题）零点漂移问题（2）参考地电位不同）参考地电位不同28 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。对应电阻元件的参数值都相等。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大原理电路差动放大原理电路 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同3.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理293.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理uo= VC1 VC2 = 0uo

15、= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等） 对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移具有对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移具有抑制作用。抑制作用。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2（1）静态定性分析）静态定性分析303.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理（2）动态定性分析）动态定性分析 对共模信号没有放大能力。对共模信号没有放大能力。 共模信号共模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相同大小相等、极性相同 差动电路抑制

16、共模信号能力的大小，反映了它差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。对零点漂移的抑制水平。+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+313.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理（2）动态定性分析）动态定性分析+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化， 差模信号差模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相反大小相等、极性相反对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力。323.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理（2）动态定性分

17、析）动态定性分析 一对任意信号可分解为差模信号和共模信号，一对任意信号可分解为差模信号和共模信号，即电路中差模和共模信号是共存的。即电路中差模和共模信号是共存的。任意信号：任意信号：ui1 ui2信号分解如下：信号分解如下： ui1 uid uic ui2 uid uic差模信号差模信号共模信号共模信号 比较输入比较输入333.1 问题的提出和工作原理问题的提出和工作原理 全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。模信号的能力。共模抑制比共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，KCMR)CdCMRAAK ) (lg

18、20(dB)CdCMR分贝AAK 差模放大倍数差模放大倍数 共模放大倍数共模放大倍数 KCMR越大，说明差放分辨越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。343.2 典型的差分放大电路及其分析典型的差分放大电路及其分析1. 克服零点漂移；克服零点漂移；2. 零输入零输出；零输入零输出；3. 抑制共模信号；抑制共模信号；4. 放大差模信号。放大差模信号。+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe长尾电阻长尾电阻什么作用？什么作用？Re的负反馈作用：的负反馈作用：如如 T()IC1 IC2 U

19、E IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管的零漂。抑制了每只差分管的零漂。对于每一边电路，对于每一边电路，Re=?+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uIdId21uId21u+uoR1R2对差模信号无反馈。对差模信号无反馈。353.2 典型的差分放大电路及其分析典型的差分放大电路及其分析（1） 静态分析静态分析eBEQEEBQ)1(2RRUVI +VCCRcVT1VT2Rc+uoRR VEEReeBEQEEEQ2RUVI选合适的选合适的VEE和和Re就可得合适的就可得合适的QCEQe(2R )CCEECQCUVVIRCQBQII363.2 典型的差分放大电路及其分析典型

20、的差分放大电路及其分析（3） 动态分析动态分析-差模输入差模输入bebLcd)2( rRRRA差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuA 2 )(2cobebiRRrRR，RcVT1VT2Rc+ uoRbRb uI1 uI22LR2LR为什么？为什么？373.2 典型的差分放大电路及其分析典型的差分放大电路及其分析（3） 动态分析动态分析-共模输入共模输入电路完全对称电路完全对称电路不完全对称电路不完全对称 uI2RcVT1VT2Rc+RbRb uI1Re半个电路的放大倍数半个电路的放大倍数ebeb2)1 (=RrRRACuc2211icucicucouAuAue2RRACuc383.2 典型的

21、差分放大电路及其分析典型的差分放大电路及其分析接有调零电位器的长尾差分电路接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2LRRWVEE+VCCRe393.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法有四种不同的接法有四种不同的接法差分输入、双端输出；差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。单端输入、单端输出。403.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法（1） 差分输入、双端输出差分输入、双端输出LCdbe(/ /)2bRRARr idbe2()bRRrco2RR 共模放大倍数

22、共模放大倍数Ac近似为近似为0，共模抑制比非常高共模抑制比非常高e2RRACuc413.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法（2） 差分输入、单端输出差分输入、单端输出 若由若由 T2 集电极输出，集电极输出， 放放大倍数是多少？（同相）大倍数是多少？（同相） Rc可不可以短路？可不可以短路？ 双端输出时的双端输出时的Ad是单端输是单端输出时的出时的2倍吗？倍吗？bebLcd)( 21rRRRAcobebi)(2RRrRR，ELEbeBLCucRRRrRRRA22)1()/( 423.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法（3）单端输入、双端输出）单端输入、双端输出122

23、222iiiiiiuuuuuu等效为双端输入的情况等效为双端输入的情况LCdbe(/ /)2bRRARr idbe2()bRRrco2RR 433.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出AdbeLC)2/(rRRR beLcrRRR )2/( beLcrRRR )/(21 beLcrRRR )/(21 KCMR很高很高很高很高较高较高较高较高Rid)(2berR )(2berR )

24、(2berR )(2berR Roc2Rc2RcRcR443.3 差分放大电路的四种接法差分放大电路的四种接法结论结论(1) 双端输出时，双端输出时，Ad 与单管与单管 Au 基本相同；单端输出时，基本相同；单端输出时，Ad 约为双端输出时的一半。约为双端输出时的一半。 双端输出时，双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时，；单端输出时， Ro = Rc 。(2) 双端输出时，理想情况下，双端输出时，理想情况下，KCMR ；单端输出时，；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。共模抑制比不如双端输出高。(3) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，

25、而使输出电压与输入电压反相或同相。出电压与输入电压反相或同相。(4) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。仍基本工作在差分状态。453.4 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路RE越大，抑制共模能力越强。越大，抑制共模能力越强。但但RE加大后，为保加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源。证工作点不变，必须提高负电源。+VCCVT1VT4VT3+uIioVT2IVEEic3ic1ic4ic2如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态和动态时静态和动态时iO约为多少？约为多少？0 C2C4Oiii静态：静态：C1C2

26、C3C1C4C3C4C2IIIIIIII，动态：动态： C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii46 差动电路中，晶体管参数：差动电路中，晶体管参数： 1= 2=60，rbb=300 ，ui1=1v，ui2=1.01v。求：求：(1)静态工作时的两管集电极电流静态工作时的两管集电极电流IC； (2)双端输出时的和从双端输出时的和从T1单端输出时的单端输出时的uo，uo1。例例3-23.4 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路4. 集成运放的典型电路集成运放的典型电路Typical Op-Amp Circuit4.1 双极型集成运放双极型集成运放 F0074.2 集成运放的

27、主要技术指标集成运放的主要技术指标484.1 双极型集成运放双极型集成运放 F007输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路494.1 双极型集成运放双极型集成运放 F007（1） 输入级输入级VT1、VT2、VT3、VT4 组成共组成共集集共基差分放大电路电路；共基差分放大电路电路；VT5、VT6 有源负载；有源负载； VT4 集电极送出单端输出信号集电极送出单端输出信号至中间级。至中间级。 RW 调零电阻，调零电阻，R 外接电阻。外接电阻。 504.1 双极型集成运放双极型集成运放 F007（2） 偏置电路偏置电路+VCCVT8-VEEVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC12至输入级至输入级至中间级至中间级511BE12BEEECCREFRUUVVI 基准电流：基准电流：基准电流产生各放大级所需的偏置电流。基准电流产生各放大级所需的偏置电流。514.1 双极型集成运放双极型集成运放 F007（3） 中间级中间级+VCC-VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF 中间级是主放大器，中间级是主放大器，它所采取的一切措施都它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。是为了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采