第6章 集成运算放大器电路原理

1、第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理定义：是采用微电子工艺，将晶体管、场效应管、电阻、定义：是采用微电子工艺，将晶体管、场效应管、电阻、电容等器件及它们之间的连线制作于同一硅片上，并使电容等器件及它们之间的连线制作于同一硅片上，并使其具有特定功能的多级放大电路。其具有特定功能的多级放大电路。用途：此种电路最初多用于各种模拟信号的运算，如比用途：此种电路最初多用于各种模拟信号的运算，如比例、求和、求差、积分、微分等运算，所以称为运算放例、求和、求差、积分、微分等运算，所以称为运算放大器，简称为集成运放。大器，简称为集成运放。特点：高性能（电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、

2、特点：高性能（电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等）、低价位。广泛应用于模拟信号的处工作点漂移小等）、低价位。广泛应用于模拟信号的处理和产生，在大多数情况下，集成运放已经取代了分立理和产生，在大多数情况下，集成运放已经取代了分立元件放大电路。元件放大电路。集成运算放大器集成运算放大器（AMPLIFIER）第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.1 6.1 集成运放的电路特点集成运放的电路特点1.1.级间采用直接耦合方式（提高集成度）级间采用直接耦合方式（提高集成度）2.2.尽量用有源器件代替无源元件（尽量用有源器件代替无源元件（BJT和和FET 电阻电容电感

3、）电阻电容电感）3.3.利用对称结构改善电路性能（差动放大器）利用对称结构改善电路性能（差动放大器）输入级：对称结构的差动放大器输入级：对称结构的差动放大器中间级：有源负载共射极放大器中间级：有源负载共射极放大器输出级：输出级：（互补）射极跟随器（互补）射极跟随器（CC放大器）放大器）电流源电路：提供各级偏流与有源负载电流源电路：提供各级偏流与有源负载第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.2 6.2 电流源电路电流源电路1.1.单管电流源电路单管电流源电路33(1)OcebeBRRrrRRRBrberCERE+UO3212/ )(RUURRRIBEEEC第六章第六章 集

4、成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理0)()(EcbbeBbRiirRiEbeBcEbRrRiRi()()OcbcebcEUii rii RLiOOORuIUR, 02(1)EEOceEBbeEBbeERRRrRRrRRrR()(1)EEceEceEceBbeEBbeERRrRrRrRrRRrRRBrberCERE+UO第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2. 2. 镜像电流源电路镜像电流源电路CCBECCrrrUUUIRR22122CCCrBrIIIIII 22rCrIIIV1=V2小时小时, ,误差大误差大第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原

5、理多路镜像电流源电路：多路镜像电流源电路：21151112444()1(1)CBrCBCCCIIIIIIII2123424CCCCrIIIIIrI增加射随器增加射随器( (V5),),以减小以减小误差，提高精度。误差，提高精度。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理多集电极晶体管镜像电流源：由多集电极晶体管实现。多集电极晶体管镜像电流源：由多集电极晶体管实现。三集电极横向三集电极横向PNP管电路管电路等价电路等价电路第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理3.3.比例电流源电路比例电流源电路111222BEEBEEUIRUIR12BEBEUU1122EEI

6、 RIR1122122CEErRRIIIIRR11CCBErrUUIRR第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理4.4.微电流电流源电路微电流电流源电路122122221()lnTECEBEBEEUIIIUURRI222lnTrCCUIRII222lnTrCCUIIRI第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理5.5.负反馈型电流源电路负反馈型电流源电路威尔逊电流源电路威尔逊电流源电路322CCBEBECCBErrrUUUUUIRR3131CrCBCIIIII33212()11CECBBIIIII21111212(2)(1 2 )11CBCCIIII21322

7、CCII312CI232222CrrIII第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理另一种负反馈型电流源电路另一种负反馈型电流源电路串接电流源电路（两个镜像电流源串接在一起）串接电流源电路（两个镜像电流源串接在一起）第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.6.有源负载放大器有源负载放大器由于普通晶体管的频率特性较差，因此，在高速或宽带由于普通晶体管的频率特性较差，因此，在高速或宽带集成电路中，一般不采用有源负载放大器。集成电路中，一般不采用有源负载放大器。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3 差动放大电路差动放大电路( (差分放

8、大电路差分放大电路) )6.3.1 直接耦合放大器的直接耦合放大器的零点漂移零点漂移积累积累现象现象静态（交流输入为零）时，由于温度、电源波动等因素的影静态（交流输入为零）时，由于温度、电源波动等因素的影响，输出电压会出现零点漂移。在直接耦合放大电路中，此响，输出电压会出现零点漂移。在直接耦合放大电路中，此漂移会逐级传递并放大，最终可能会使后级放大器进入饱和漂移会逐级传递并放大，最终可能会使后级放大器进入饱和或截止状态，进而使整个放大电路无法正常工作。或截止状态，进而使整个放大电路无法正常工作。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3.2 差动放大器的工作原理及性能分析

9、差动放大器的工作原理及性能分析1、直流静态工作点分析、直流静态工作点分析120iiUU|EEEBEREUUIIR1212C QC QIII121( 0.7)CE QCE QCCC QCUUUIR 第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理双端输入：两输入端均不接地双端输入：两输入端均不接地单端输入：两输入端其中一端接地单端输入：两输入端其中一端接地双端输出：从两个输出端之间输出双端输出：从两个输出端之间输出单端输出：从一个输出端到地之间输出单端输出：从一个输出端到地之间输出差模输入信号差模输入信号共模输入信号共模输入信号2211idiidiUUUUiciiUUU21定义定义第六

10、章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2、差模放大特性、差模放大特性第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理3 3、共模抑制特牲、共模抑制特牲共模电压放大倍数共模电压放大倍数120ocococucicicUUUAUU11(1)2ocCucicbeEURAUrR 1(1)22icbeERrROCCRR双端输出双端输出单端输出单端输出共模输入电阻共模输入电阻共模输出电阻共模输出电阻单端输出单端输出第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理4 4、共模抑制比共模抑制比CommonModeRejectionRatio|udCMRucAKA()20lg|

11、()udCMRucAKdBdBACMRK 双端输出双端输出单端输出单端输出第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理5 5、对任意信号的放大特性、对任意信号的放大特性112121122icidiiiiiUUUUUUU222121222icidiiiiiUUUUUUU根据叠加原理，输出电压应为差模输出电压和共模输出电根据叠加原理，输出电压应为差模输出电压和共模输出电压之和。压之和。无论无论是双端还是单端输入，是双端还是单端输入，是双端还是单端输出，差动放是双端还是单端输出，差动放大器只放大大器只放大两输入端的差模信号，而抑制其共模信号两输入端的差模信号，而抑制其共模信号，这，这也

12、正是差动放大器名称的由来。也正是差动放大器名称的由来。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3.3 6.3.3 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路由于电流源的动态内阻非常大，因此，无论双端输出还是由于电流源的动态内阻非常大，因此，无论双端输出还是单端输出，单端输出，Auc都可近似为零，从而使都可近似为零，从而使KCMR趋于无穷大。趋于无穷大。前电路缺点：前电路缺点：KCMR做不高；输入端不能有较大的做不高；输入端不能有较大的Uic变化。变化。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理1,20CididifuuFu目的：目的：研究差放小信号线

13、性动态范围和大信号的非线性特性研究差放小信号线性动态范围和大信号的非线性特性熟悉差模输入信号与电流分配的关系熟悉差模输入信号与电流分配的关系了解差动放大器传输特性的应用了解差动放大器传输特性的应用6.3.4 差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性是指放大器的输出电流（是指放大器的输出电流（iC1和和iC2）和输出电压（）和输出电压（uo）与差）与差模输入电压模输入电压(uid)之间的函数之间的函数关系。关系。电流传输特性电流传输特性电压传输特性电压传输特性第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理RCRCiC1uidV1V2uo UEEIiC2UCC简化的差动放大器简化的差动

14、放大器)2(2211TidUuCUuthIIeIiTid)2(2212TidUuCUuthIIeIiTid)2()(21TidCCCCoUuIthRRiiu推导过程见书推导过程见书208208页页第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理iC1,iC2IiC2iC1iC1iC26UT4UT2UT0 2UT4UT6UTuidQI2一，两管集电极电流之和恒等于一，两管集电极电流之和恒等于I(uid=0时，称为静态时，称为静态)。结论：结论：二，差动放大器线性动态范围很小（二，差动放大器线性动态范围很小（2UT，即，即50mV），），uid超过超过4UT，即，即100mV,电路进入限

15、幅状态，产生严重的电路进入限幅状态，产生严重的非线性失真。非线性失真。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理扩展传输特性的线性区范围扩展传输特性的线性区范围的方法：加射极负反馈电阻的方法：加射极负反馈电阻第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理差动放大器差动放大器的跨导的跨导gm：表示小信号工作时，工作点处的：表示小信号工作时，工作点处的uid对对iC的控制作用的控制作用。QidCmuig差动放大器的跨导差动放大器的跨导gm定义为工作点处，双端输出电流的定义为工作点处，双端输出电流的变化量变化量iC与输入差模电压变化量与输入差模电压变化量uid之比。之比。

16、1212CCCCiiii1122mQidCmguigQidCmuig11Q点处，单端输出时的跨导，即曲线在点处，单端输出时的跨导，即曲线在Q点点处的斜率处的斜率TuidCmUIdudigid4011TmmUIgg221IURRgdudiRduduATCCmQidCCQioud2第三，差第三，差动放大器的动放大器的gm和和Aud都与都与I成正比。成正比。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3.5 差动电路及其应用推广差动电路及其应用推广1. 差动放大器的一般结构差动放大器的一般结构两个放大器性能完全相同两个放大器性能完全相同通过电阻或电流源将它们通过电阻或电流源将它们的

17、接地端耦合在一起的接地端耦合在一起两个两个放大器除放大器除CE组态外，组态外，还可以是还可以是CC或者或者CB组态，组态，以及组合电路，再或者是以及组合电路，再或者是FET放大器。放大器。只放大只放大差信号（差信号（ui1ui2），），抑制其和信号抑制其和信号(ui1+ui2)第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2. 差动电路的应用推广差动电路的应用推广基本应用：作为集成运算放大器的输入级基本应用：作为集成运算放大器的输入级其他应用：分离倒相器、自动增益控制放大器、高速电流其他应用：分离倒相器、自动增益控制放大器、高速电流开关、波形变换电路、电压比较器、模拟乘法器开关、波

18、形变换电路、电压比较器、模拟乘法器6.4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路忽略管子的饱和压降时，最大输出电忽略管子的饱和压降时，最大输出电压幅度近似为压幅度近似为UCC，最大输出电流，最大输出电流幅度近似为幅度近似为UCC/RL。要求：能提供足够大的电压，要求：能提供足够大的电压，Ro小。小。NPN与与PNP管组成互补管组成互补对称对称射随器射随器,Ro小，带负载能力强，功耗低。小，带负载能力强，功耗低。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理为克服交越失真为克服交越失真, ,要加偏置电路要加偏置电

19、路利用二极管利用二极管VD1和和VD2的正向的正向压降为压降为V1和和V2管提供正向偏压管提供正向偏压1 12 2122()ABURIR IRR I4112422()(1)BEBEURRRURR 利用利用V4、R1和和R2组成模拟电压组成模拟电压源，产生正向偏压源，产生正向偏压第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.5 集成运放电路举例集成运放电路举例(F007)(F007)第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理1、偏置电路、偏置电路 参考电流：参考电流：51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICCUC CUE ER5V11R4V10V12V13至中间级IR至输入级I34IC9V9V8IC8IC13IC10第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2、输入级输入级 V8和和V9不仅是不仅是镜像电流源镜像电流源,而而且还与且还与V10、V11组成微电流源组成微电流源构成共模负反构成共模负反馈环节以稳定馈环节以稳定IC1、IC2,从而提从而提高整个电路的高整个电路的共模抑制比。共模抑制比。第六章第六章 集成运算放