模拟电子技术第五章_20130923

1、1、答疑地点更改为：、答疑地点更改为： 南四教南四教 3152 2、请每次提交作业，、请每次提交作业， 按学号顺序放！按学号顺序放！第五章第五章集成运算放大电路集成运算放大电路答疑地点：答疑地点：南四教南四教 315每次提交作业：按学号顺序放每次提交作业：按学号顺序放( (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5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点 集成电路集成电路简称简称 IC ( (Integrated Circuit) )，在硅，在硅片上通过氧化、光刻、扩散、蒸铝等工艺，将晶体片上通过氧化、光刻、扩散、蒸铝等工艺，将晶体管、电阻、电容等元件及

2、他们的连线全部管、电阻、电容等元件及他们的连线全部集成在同集成在同一块半导体基片上一块半导体基片上，再对其进行封装，做成一个完，再对其进行封装，做成一个完整的电路。整的电路。优点：优点：密度高，外部接线大大减少，提高电子设备密度高，外部接线大大减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，降低成本。的可靠性和灵活性，降低成本。集成运算放大电路的分类：集成运算放大电路的分类：集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路（输入输出量为高低电平）数字集成电路（输入输出量为高低电平）模拟集成电路（其他）模拟集成电路（其他）按模拟集按模拟集成电路类成电路类型分型分集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器

3、；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。集成运算放大电路特点：集成运算放大电路特点：1. 处于同一硅片上，距离比较近，故相邻元件对处于同一硅片上，距离比较近，故相邻元件对称性好，适用于构成差分放大电路。称性好，适用于构成差分放大电路。2. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3. 在芯片上

4、制作三极管比较方便，常常用三极管代在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替替电阻电阻( (特别是大电阻特别是大电阻) )。4. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。路通常采用直接耦合电路方式。5. 集成电路中的集成电路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差别较大，值差别较大，通常通常 PNP 的的 10 。 集成运放与分立器件的直接耦合放大电路虽然在工作原集成运放与分立器件的直接耦合放大电路虽然在工作原理上基本相同，但由于上述原因，在电路结构形式上还是存理上基本相同，但由于上述原因，在电路结构形式上还是存在很大差异

5、。在很大差异。5.3集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分实质上是一个具有实质上是一个具有高放大倍数高放大倍数的的多级多级直接耦合直接耦合放大放大电路。电路。图图 4.2.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成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5.3.1偏置电路偏置电路常用的偏置电路主要有：镜像电流源，比例电流源常用的偏置电路主要有：镜像电流源，比例电流源和微电流源。和微电流源。一、镜像电流源一、镜像电流源 ( (电流镜电流镜 Current Mirror) )+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2RUVI1BECCREF 优点：

6、优点：结构简单；一结构简单；一定的温度补偿作用定的温度补偿作用由于由于 UBE1 = UBE2，VT1与与 VT2 参数基本相同，则参数基本相同，则IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC C2REFBREF1C2C22IIIIII 所以所以 211REF2C II当满足当满足 2 时，则时，则RUVII1BECCREF2C 图图 4.2.2+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源二、比例电流源R1R2由图可得由图可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，则，则22E11ERI

7、RI 忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为阻值成反比，故称为比例电流源比例电流源。图图 4.2.3比例电流源比例电流源优点：优点：接入接入R1和和R2，温度补偿性更好。，温度补偿性更好。共同的缺点：共同的缺点：1、当、当VCC发生变化时，输出电流几乎同规律波动，不适发生变化时，输出电流几乎同规律波动，不适合直流电源在大范围变化的集成运放；合直流电源在大范围变化的集成运放；2、若输入级要求微安级偏置电流，则所用电阻达到、若输入级要求微安级偏置电流，则所用

8、电阻达到M欧级，集成电路无法实现。欧级，集成电路无法实现。+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2比例电流源比例电流源镜像电流源镜像电流源RUVII1BECCREF2C 三、微电流源三、微电流源 在镜像电流源的基础上在镜像电流源的基础上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe 引入引入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 IC1 ，即在，即在 Re 值不值不大的情况下，得到一个比较大的情况下，得到一个比较小的输出电流小的输出电流 IC

9、2 。图图 4.2.4 微电流源微电流源e2Ce2E2BE1BERIRIUU +VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系基本关系e2Ce2E2BE1BERIRIUU 因二极管方程因二极管方程TTUUUUIIIBEBEeeSSC )1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln 2S1SII e2C2C1CTlnRIIIU 若若 IC1和和 IC2 已知，可求出已知，可求出 Re。图图 4.2.4微电流源微电流源CCEEBEREFmAmA5215152 0.7390.73VVUIR C13REFmAmA12110.73210.365II C4CCk331

10、1661010326 100.73 10lnln28 1028 103 103TIURII在在 Re 值不大的情况下，得到一值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流个比较小的输出电流 IC10 。5.3.2差分放大输入级差分放大输入级输入级大都采用差分放大电路的形式。输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式：基本形式，长尾式，恒流源式电路形式：基本形式，长尾式，恒流源式一、基本形式差分放大电路一、基本形式差分放大电路1. 电路组成电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uIdId21uId21u+uoR1R2假设电路完全对称假设电路完全对称当当 uId = 0，时，时UCQ1

11、 = UCQ2UO = 0图图 4.2.6差分放大电路的基本形式差分放大电路的基本形式由两个电路结构、参数均相同由两个电路结构、参数均相同的单管放大电路结合在一起的单管放大电路结合在一起T IC1 ，IC2 UCQ1 ，UCQ2 UO不变不变 VT1和和VT2的零点漂移相互抵消的零点漂移相互抵消uVT1 和和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相反，称基极输入电压大小相等，极性相反，称为为差模输入电压差模输入电压( (uId) )（differencedifference）uVT1 和和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相同，称基极输入电压大小相等，极性相同，称为为共模输入电压共模输入电压(

12、 (uIc) )（commoncommon）。2、差模输入电压和共模输入电压、差模输入电压和共模输入电压I2I1Iduuu)(21I2I1IcuuuVVVuVVVuVuVum3m1m521m4m1-m5m1,m5IcIdI2I1）（时例如，当反应了差分放大电路的有效信号反应了差分放大电路的有效信号反应随有效信号一起进入放大反应随有效信号一起进入放大电路的干扰信号电路的干扰信号在差模信号作用下：在差模信号作用下：Id1u1C21uAu IdCuAuu1221 Id12CC1ouAuuuu 差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为1IdoduAuuA 3、电压放大倍数和共模抑制比、电压放大倍数和共模抑

13、制比+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uIdId21uId21u+uoR1R2差分放大电路的差模电差分放大电路的差模电压放大倍数与单管放大压放大倍数与单管放大电路相同。电路相同。多一个放大管，放大倍多一个放大管，放大倍数不变，但可抑制零漂。数不变，但可抑制零漂。 共模电压放大倍数共模电压放大倍数+VCCRcVT1VT2RbRcRb+uIc+uoRRIcocuuA 理想情况下，电路完全对称，共模电压放大倍数理想情况下，电路完全对称，共模电压放大倍数Ac为为0图图 4.2.7共模输入电压共模输入电压 在共模电压作用下：在共模电压作用下：共模抑制比共模抑制比 KCMRcdCMRlg20

14、AAK ( (1) )理想情况下，电路参数完全对称，理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = 。( (2) ) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；愈大，抑制零漂能力愈强；( (3) ) 事实上，事实上，基本形式基本形式差放电路每个三极管的集电极差放电路每个三极管的集电极对地电压来看，对地电压来看，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善改善。二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。可减小每个管子输出端的温漂。1. 电路组成电路组

15、成Re 称为称为“长尾电阻长尾电阻”，引入共模负反馈引入共模负反馈。对差模信号无负反馈。对差模信号无负反馈。输入端输入正的共模电压时：输入端输入正的共模电压时：ic1，iC2增大增大Ue增大增大 UBe1，UBe2减小减小限制了限制了ic1，iC2增大增大Re 愈大，共模负反馈愈强愈大，共模负反馈愈强。+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe图图 4.2.8长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe图图 4.2.8长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路 Re 的引入，使得共模电压放大

16、倍数减小，差模电压的引入，使得共模电压放大倍数减小，差模电压放大倍数不受影响，因此放大倍数不受影响，因此提高了电路的共模抑制比提高了电路的共模抑制比。 Re越大，抑制零漂能力越强，但是同时越大，抑制零漂能力越强，但是同时Re上的压降也上的压降也越大，输出电压范围变小，故越大，输出电压范围变小，故引入引入VEE，则静态基极电，则静态基极电流可由流可由VEE提供，故提供，故可以不接基极电阻可以不接基极电阻。2. 静态分析静态分析当当 uId = 0 时，由于电路结构对称，故：时，由于电路结构对称，故： IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ ，UBEQ1 = UBE

17、Q2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ， 1= 2= IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE则则eBEQEEBQ)1(2RRUVI ICQ IBQ)(BQBQ对地对地RIU cCQCCCQRIVU ( (对地对地) )+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe图图 4.2.8长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+RR VEERe图图 4.2.8长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路3. 动态分析动态分析 当差模输入时，流过当差模输入时，流过Re的电流不变，的电流不变，UE相

18、当于一相当于一个固定电位，故在交流通个固定电位，故在交流通道中道中可视为短路可视为短路。 RL为接在两个三极管集电极间电阻，当差模输入时，为接在两个三极管集电极间电阻，当差模输入时，一管集电极电位增大，另一管减小，因此可以认为一管集电极电位增大，另一管减小，因此可以认为RL中点中点处电位保持不变，即处电位保持不变，即RL/2处相当于交流地处相当于交流地。RLRcVT1VT2Rc+ uoRR uI1 uI22LR2LRbe1I1BrRui 1B1Cii 1IbeLCLc1C1C2/2/urRRRRRiu 则则2IbeLCLc2C2C2/2/urRRRRRiu 同理同理图图 4.2.8长尾式差分长

19、尾式差分放大电路的交流通路放大电路的交流通路画出交流通路和微变等效电路：画出交流通路和微变等效电路：3. 动态分析动态分析图图4.2.10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+VCCRe输出电压为输出电压为)(2/2I1IbeLCC21COuurRRRuuu 差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为beLC2I1IOd)2/(rRRRuuuA 差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为)(2beidrRR co2RR 前面提到：前面提到：Re越大，抑制零漂能力越强，但是同时越大，抑制零漂能力越强，但是同时Re

20、上的上的压降也越大，压降也越大，输出电压范围变小输出电压范围变小，故引入了，故引入了VEE。 希望既能抑制零漂效果比较好，同时又不要求过高的希望既能抑制零漂效果比较好，同时又不要求过高的VEE，可以，可以考虑用一个三极管代替长尾电阻考虑用一个三极管代替长尾电阻Re+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe图图 4.2.8长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路比较大三极管等效电阻CCEceiur三、恒流源式差分放大电路三、恒流源式差分放大电路 用三极管代替用三极管代替“长尾式长尾式”电路的长尾电阻，即构成电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路恒流源式差分放

21、大电路1. 电路组成电路组成VT3：恒流管：恒流管发射极电流不受温度影响发射极电流不受温度影响 iC1、iC2之和等于之和等于iC3，基本上不随温，基本上不随温度的变化而变化，度的变化而变化，从而抑制共模信号从而抑制共模信号的变化。的变化。RcVT1VT2Rc+ uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3图图 4.2.13恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路2. 静态分析静态分析当忽略当忽略 VT3 的基极电流时，的基极电流时， Rb1 上的电压为上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3)(EECC2b1b1b1bVVRRRUR

22、 于是得到于是得到CQ3CQ2CQ121III C1CQCCCQ2CQ1RIVUU 11CQBQ2BQ1 III RIUU1BQBQ2BQ1 e3BEQEQ3CQ31bRUUIIR 图图 4.2.13恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路通常从确定恒流源的电流开始通常从确定恒流源的电流开始3. 动态分析动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以数没有影响，所以与长尾式交流通路相同与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模电压放

23、大倍数为beLC2I1IOd)2/(rRRRuuuA 差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为)(2beidrRR co2RR 四、差分放大电路的输入、输出接法四、差分放大电路的输入、输出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。1. 差分输入、双端输出差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+ uoRRuIuI2+VCCVEEIR+beLCd)2/(rRRRA )(2beidrRR co2RR 图图 4.2.16( (a) )

24、差分输入、双端输出差分输入、双端输出2. 差分输入、单端输出差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo uO 约为双端输出的一半，即约为双端输出的一半，即beLCd)/(21rRRRA )(2beidrRR coRR 若由若由 VT2 集电极输集电极输出，出， uO 为为“正正”。图图 4.2.16( (b) )差分输入、单端输出差分输入、单端输出3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出若某个瞬时输入电压极性为正，则若某个瞬时输入电压极性为正，则iC1增大增大 uE1增大增大 uBE2减小减小 iC2减小减小单端输入时，仍然是一个管子电流增大，一个

25、管子电流减小单端输入时，仍然是一个管子电流增大，一个管子电流减小RcVT1VT2Rc+ uoRRuI+VCCVEEI+图图 4.2.16( (c) )单端输入、双端输出单端输入、双端输出当共模负反馈足够强当共模负反馈足够强时，可以认为时，可以认为iC1、iC2之和基本不变，即之和基本不变，即0C21Cii所以，所以，单端输入时单端输入时，两个三极管输出电压两个三极管输出电压的变化情况将的变化情况将与差分与差分输入时基本相同输入时基本相同则则即单端输入，当共模即单端输入，当共模负反馈足够强时，可负反馈足够强时，可认为认为IE21uu IEI1BE21uuuu IE2BE210uuu 三极管仍然基

26、本工作在差分状态，所以三极管仍然基本工作在差分状态，所以；beLCd)2/(rRRRA ；)(2beidrRR co2RR RcVT1VT2Rc+ uoRRuI+VCCVEEI+图图 4.2.16( (c) )单端输入、双端输出单端输入、双端输出4. 单端输入、单端输出单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+；beLCd)/(21rRRRA ；)(2beidrRR coRR 若改从若改从 VT2 集电集电极输出，则极输出，则；beLCd)/(21rRRRA 这种接法比一般的单管放大电这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。路具有较强的抑制零漂的能力。

27、图图 4.2.16( (d) )单端输入、单端输出单端输入、单端输出结论结论( (1) ) 双端输出时，双端输出时，Ad 与单管与单管 Au 基本相同；单端输出基本相同；单端输出时，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；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。输出时，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，单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。而使输出电压与输入电压反相或同相。( (4) ) 单端输入时，由于引