模拟电子技术集成运算放大器

1、第第6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.1 集成运算放大器的特点及组成集成运算放大器的特点及组成6.2 集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路6.3 典型集成运算放大器介绍典型集成运算放大器介绍6.4 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数6.5 集成运算放大器的工作特性集成运算放大器的工作特性 集成电路集成电路（integrated circuit 简称简称IC）：在半导体：在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件及其连接导线，制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件及其连接导线，制作在一片硅片上，构成特定功能的电子电路。制作在一片硅片上，构成特定功能的电子电路。

2、( (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6.1集成运算放大器的特点及组成集成运算放大器的特点及组成6.1.1集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点模拟集成电路结构特点模拟集成电路结构特点3. 对称性好，适用于构成差分放大电路。对称性好，适用于构成差分放大电路。2. 集成电路中的电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千集成电路中的电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，常用有源元件代替大电阻。欧之间，常用有源元件代替大电阻。4. 由于制作工艺问题，常采用复合管由于制作工艺问题，常采用复合管。1. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通在芯片

3、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。常采用直接耦合电路方式。5. 允许复杂的电路形式，并不增加制造工序。允许复杂的电路形式，并不增加制造工序。集成电路以晶体管和场效应管为主，电阻电容数量少。集成电路以晶体管和场效应管为主，电阻电容数量少。实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。阻的多级直接耦合放大电路。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6.1.2集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成6.2集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路6.2.1差动放大电路差动放大电路零点

4、漂移现象零点漂移现象 输入电压输入电压（ui）为零，而输出电压为零，而输出电压（uo）不为不为零且缓慢变化的现象零且缓慢变化的现象。原因：零点漂移，主要由温度变化引起。原因：零点漂移，主要由温度变化引起。 引起的漂移电压在阻容耦合放大电路中引起的漂移电压在阻容耦合放大电路中被电容隔离，不会传到下一级；在直接耦合被电容隔离，不会传到下一级；在直接耦合放大电路中会被不断放大。放大电路中会被不断放大。Q点动态稳定点动态稳定构思构思1、差动放大电路的基本形式、差动放大电路的基本形式（1）零点漂移的抑制）零点漂移的抑制ICQ1=ICQ2uo=（UCQ1+UCQ1）-（UCQ2+UCQ2）=0 UCQ1=

5、U CQ2（2）信号输入方式）信号输入方式 两个输入信号两个输入信号ui1和和ui2，如果，如果等大同相等大同相（大小相等，方（大小相等，方向相同），即向相同），即ui1= ui2，就称为，就称为共模输入共模输入。 抑制共模信号抑制共模信号 uC1 = uC2 uO = uC1 uC2 = 0 1 1）共模输入）共模输入 两个输入信号两个输入信号ui1和和ui2，如果，如果等大反相等大反相（大小相等，方（大小相等，方向相反），即向相反），即ui1= ui2，就称为，就称为差模输入差模输入。 uC1 = uC2 uO = uC1 uC2 = 2 uC1放大差模信号放大差模信号2 2）差模输入）差

6、模输入 比较输入也叫非差非共输入。比较输入也叫非差非共输入。ui1和和ui2的大小不相等，极的大小不相等，极性也是任意的。性也是任意的。对于任意一对比较信号，均可看成是一对共对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对差模信号的叠加模信号和一对差模信号的叠加，如，如3 3）比较输入）比较输入 = 5mV-2mV= 5mV+2mV可看成是一对可看成是一对5mV的共模信号和一对的共模信号和一对2mV的差模信号。的差模信号。 ui1= 3mVui2= 7mV ui1 、ui2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV

7、 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV共模信号为输入信号的平均值，差模信号为输入信号的差。共模信号为输入信号的平均值，差模信号为输入信号的差。 2、长尾式差动放大电路、长尾式差动放大电路 Re：共模抑制电阻，：共模抑制电阻，Re愈大，对共模信号（即零点漂愈大，对共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈强。移）的抑制能力就愈强。RP：调零电位器，：调零电位器，RP接到发射极，故称为发射极调零。接到发射极，故称为发射极

8、调零。 （1 1）静态分析）静态分析 IBQRb+ UBEQ+ 2IEQRe=EEU EQ0eEEQCQ2REII CQBQII cCQCCCEQRIVU （2 2）动态分析）动态分析双端输入，双端输出双端输入，双端输出双端输入，双端输入，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，单端输出单端输入，单端输出电路形式：电路形式： 双端输入，双端输出双端输入，双端输出+i2i1iuuu i2i1uu i12u o2o1ouuu o12u o2o1uu ud1i1o1i2i1o2o1ioud22AuuuuuuuuA 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：uo1uo2+uo1uo2i

9、E1 = - iE2iE = 0Re 上电压不变，相当于交流短路。上电压不变，相当于交流短路。iERP 太小，忽略不计。太小，忽略不计。单管差模信号交流通路单管差模信号交流通路bebCud1udrRRAA 2LR2LRi1ui2ubebLCud1ud)2(rRR/RAA 带负载带负载 RL时：时：+)( 2bebidrRr cod2Rr 差模输入电阻：差模输入电阻：差模输出电阻：差模输出电阻： 双端输入，单端输出双端输入，单端输出bebLci1o1io1ud)(212rRR/RuuuuA )( 2bebirRr coRr 单端输入单端输入ii1uu 2iu2iu效果同双端输入效果同双端输入Rb

10、Rb（3）共模抑制比）共模抑制比ucudCMRlg20AAK ( (1) ) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；愈大，抑制零漂能力愈强；( (2) ) 双端输出时，理想情况下，电路参数完全对双端输出时，理想情况下，电路参数完全对称，称，Auc = 0， KCMR = 。（dBdB）icocucuuA 共模放大倍数：共模放大倍数：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

11、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 )(2berR )(2berR Roc2Rc2RcRcR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，KCM

12、R ；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) ) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两单端输出时，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。个管子仍基本工作在差分状态。( (5) ) 单端输入时，单端输入时， Rid 2(R + rbe)。（4）带恒流源的长尾式差动放大电路）带恒流源的长尾式差动放大电路 VTVT3 3管和电阻组成了管和电阻组成了三极管电流源。这三极

13、管电流源。这种带恒流源的差动种带恒流源的差动放大电路，比前面放大电路，比前面介绍的电路具有更介绍的电路具有更高的共模抑制比。高的共模抑制比。 6.2.2电流源电路电流源电路电流源电路特点：电流源电路特点：为放大电路提供偏置电流，稳定电路的静态工作点；为放大电路提供偏置电流，稳定电路的静态工作点；输出电流稳定，交流电阻很大。输出电流稳定，交流电阻很大。主要用途：主要用途：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。1、镜像电流源、镜像电流源 ( (电流镜电流镜 Current Mirror) )RUVI1BECCREF 基准电流基准电流由于由于 UBE1 =

14、UBE2，T1与与 T2 参数基本相同，则参数基本相同，则IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = ICIIIIIIC2REFBREF1C2C22 所以所以II211REF2C 当满足当满足 2 时，则时，则REF2CII +VCCRIREF+ T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE22、比例电流源、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22E11ERIRI 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

15、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。因为各管的因为各管的UBEBE相同，则相同，则 各支路电流各支路电流IC1，IC2，IC3仅取决于仅取决于IREF和各电阻的比值，和各电阻的比值，具有很好的恒流特性。改变各射极电阻，可获得不同比例具有很好的恒流特性。改变各射极电阻，可获得不同比例的电流输出。的电流输出。多支路电流源多支路电流源 REF2ee2E2CIRRII REF1ee1E1CIRRII REF3ee3E3CIRRII 3e3E2e2E1e1EeERIRIRIRI eREFRI 3、微电流源、微电流源 在镜像电流源的基础上在镜像电

16、流源的基础上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREF T1 T2IC2IC1ReRe在在 Re 值不大的情况下，得到一个较小的输出电流值不大的情况下，得到一个较小的输出电流 IC2 。e2Ce2E2BE1BERIRIUU e2BE1BE2CRUUI +VCCRIREF T2T3IC1IB2IB3IB1IC2T1IE1IC3)2(21REF1CII 4、威尔逊电流源、威尔逊电流源REF1CII 威尔逊电流源比镜像电流威尔逊电流源比镜像电流源多采用了一个三极管，提高源多采用了一个三极管，提高了与基准电流相等的精度，引了与基准电流相等的精度，引入了电流负反馈，稳定了输出入了电流负反馈，稳定了输出电

17、流，具有很好的恒流特性。电流，具有很好的恒流特性。12B1C2B2C3C1)(CCREFIIIIIIII6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级采用复合管和有源负载的中间放大级 VT1和和VT2构成复合管，构成复合管，从而电压增益和输入电阻从而电压增益和输入电阻都比较大。都比较大。 2121,beberr VT3和和VT4构成镜像电流构成镜像电流源，作复合管的集电极有源，作复合管的集电极有源负载，相当于大电阻，源负载，相当于大电阻，提高中间级的电压增益。提高中间级的电压增益。 若流过三极管若流过三极管VT1的的电流过大，则电阻电流过大，则电阻Re1上上压降升高而使得二极管压降升高而使得二极

18、管VD3导通，流过三极管导通，流过三极管VT1 基极的电流一部分基极的电流一部分被分流到被分流到VD3，VD3的导的导通限制了通限制了VT1基极电流基极电流的增加，从而保护了三的增加，从而保护了三极管极管VT1 。 6.2.4 输出级中的过载保护电路输出级中的过载保护电路1、二极管过载保护电路、二极管过载保护电路2、三极管过载保护电路、三极管过载保护电路eEmV70R.I 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗电阻和低功耗等几种。等几种。 6.3典型集成运算放大

19、器介绍典型集成运算放大器介绍6.3.1 BJT通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器A741 A741A741的外引线排列图的外引线排列图 通用型集成通用型集成运放运放 A741A741有圆有圆壳式和双列直插壳式和双列直插式两种外形式两种外形，它，它有有8 8个外引脚个外引脚。 通用型运算放大器通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。的技术指标比较适中，价格低廉。 高速型和宽带型高速型和宽带型用于宽频带放大器、高速用于宽频带放大器、高速A/D和和D/A，高速数据采集测试系统。高速数据采集测试系统。 高精度高精度(低漂移型）低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系用于精密仪表放大器，精密

20、测试系统，精密传感器信号变送器等。统，精密传感器信号变送器等。 高输入阻抗型高输入阻抗型用于测量设备及采样保持电路中。用于测量设备及采样保持电路中。 低功耗型低功耗型用于空间技术和生物科学研究中，工作于较用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。低电压下，工作电流微弱。 功率型功率型这种运放的输出功率可达这种运放的输出功率可达1 W以上，输出电流可以上，输出电流可达几个安培以上。达几个安培以上。 6.3.3 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器6.4集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 6.4.1 直流性能指标直流性能指标 1、输入失调电压、输入失调电压 Uio

21、为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：一般运放：Uio 为为 1 10 mV；高质量运放：高质量运放：Uio 为为 1 mV 以下。以下。2、输入失调电压温漂、输入失调电压温漂TUddio一般运放为一般运放为 10 20 V/；高质量运放低于高质量运放低于1 V / 以下以下。3、输入失调电流、输入失调电流 Iio4、输入失调电流温漂、输入失调电流温漂当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即B2B1ioIII 一般运放为一般运放为 几十几十 一百一百nA；高质量的低于；高质量

22、的低于 1 nA。TIddio一般运放为几一般运放为几nA / ；高质量运放为几十；高质量运放为几十pA / 。5、输入偏置电流、输入偏置电流 IIB输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。)(21B2B1IBIII 一般运放为一般运放为 10nA 1 A ；高质量的为；高质量的为pA级。级。6.4.2 差模小信号性能指标差模小信号性能指标1开环电压放大倍数开环电压放大倍数Aod （开环差模增益）（开环差模增益） 集成运放在无外加元件情况下的空载电压放大倍数。集成运放在无外加元件情况下的空载电压放大倍数。Aod一般约为一般约为104107，即

23、，即80140dB。 高增益运放可达高增益运放可达140dB以上。以上。 2差模输入电阻差模输入电阻rid 一般为几十千欧到几十兆欧，以场效应晶体管作为输一般为几十千欧到几十兆欧，以场效应晶体管作为输入级的集成运放，入级的集成运放，rid可达可达106k以上。以上。 ucudCMRlg20AAK 通用型一般在通用型一般在 65130 dB 之间，高质量的可达之间，高质量的可达 180 dB。3共模抑制比共模抑制比KCMR 4、 开环开环带宽带宽 fH一般集成运放一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。只有几赫至几千赫。0L fHfBW 6.4.3 大信号工作的性能指标大信号工作的性能指标1最大共

24、模输入电压最大共模输入电压Uicm 如超出这个电压，集成运放的共模抑制性能就大为下降。如超出这个电压，集成运放的共模抑制性能就大为下降。 2最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm 集成运算放大器在工作中，差模成分也有限制，否则集成运算放大器在工作中，差模成分也有限制，否则可能使输入级可能使输入级PN结或栅源间绝缘层反向击穿。结或栅源间绝缘层反向击穿。 3最大输出电压最大输出电压 Uopp 使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。4. 转换速率转换速率 SR 额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出额定负载条件下，输入一个大幅

25、度的阶跃信号时，输出电压变化的最大速率。电压变化的最大速率。6.4.4 电源性能指标电源性能指标1.电源电压变化范围电源电压变化范围 在保证运放处于放大状态，且性能参数变化不大在保证运放处于放大状态，且性能参数变化不大的前提下，电源电压允许的最大值与最小值之差。大的前提下，电源电压允许的最大值与最小值之差。大多运放都可以工作在多运放都可以工作在 （几几十）（几几十）V 范围内。范围内。 2.电源电压抑制比电源电压抑制比 KSVR 运放工作在放大状态时，输入失调电压相对电源运放工作在放大状态时，输入失调电压相对电源电压的变化率称之为电源电压抑制比。电压的变化率称之为电源电压抑制比。 反相输入端反

26、相输入端同相输入端同相输入端输输 出出 端端6.5集成运算放大器的工作特性集成运算放大器的工作特性6.5.1 集成理想运放的性能参数集成理想运放的性能参数理想运放的参数：理想运放的参数：开环差模电压增益开环差模电压增益 Aud；差模输入电阻；差模输入电阻 rid ；输出电阻输出电阻 rod 0；共模抑制比；共模抑制比 KCMR；各种失调参数、电源电压抑制比为各种失调参数、电源电压抑制比为0。+UoppuOu+ u O Uopp线性区线性区（线性放大区域）（线性放大区域）非线性区非线性区（饱和区域）（饱和区域）)(udo uuAuidudouAu 6.5.2集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 u uOu i i+A +例：例：已知一个集成运放的开环差模增益已知一个集成运放的开环差模增益Aud为为100dB，最大输，最大输出电压峰出电压峰-峰值峰值Uopp14V，分别计算差模输入电压，分别计算差模输入电压uI（即（即u+u）为）为10V、100V、1mV、