《模拟电路》第5章：集成运算放大器

1、第五章第五章 集成运算放大器集成运算放大器5.1 差动放大电路差动放大电路5.2 集成运算放大器中的单元电路集成运算放大器中的单元电路5.3 集成运放简介集成运放简介5.4 集成运算放大器中的主要参数集成运算放大器中的主要参数5.5 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，

2、所以功耗很小，在毫瓦）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。什么是集成运算放大器？什么是集成运算放大器？直耦放大电路的特殊问题直耦放大电路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因

3、：零漂的衡量方法：零漂的衡量方法：由温度变化引起的。由温度变化引起的。当温度变当温度变化使第一级放大器的静态工作化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输入输入ui=0时，输出有缓慢时，输出有缓慢变化的电压产生。变化的电压产生。将输出漂移电压将输出漂移电压按按电压增益折算到输电压增益折算到输入端计算。入端计算。+-Re1b1Rc1RT1ouuiTV2CCRe2VEEuo0t例如例如 100,=u1A

4、若输出有若输出有1 V的漂移的漂移电压电压 。 则等效输入有则等效输入有100 uV的漂移电压的漂移电压假设假设第一级是关键第一级是关键100=u2A3. 减小零漂的措施减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路采用差动放大电路等效等效 100 uV漂移漂移 1 V+-Re1b1Rc1RT1ouuiTV2CCRe2VEE10000=uA5.1 差动放大电路差动放大电路一一. .结构结构: :对称性结构对称性结构即：即： 1= 2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb+_+_+VCCuu

5、ci1i2TT12RcRbRbRouREEeV2022-5-29 1. 1. 差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入双端输入从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。 单端输入单端输入仅从一个输入端仅从一个输入端对地对地加信号。加信号。 2. 2. 差动放大电路可差动放大电路可以有两个输出端。以有两个输出端。 双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。 单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。二二. 几个基本概念几个基本概念-+-_-o2Ru+RT+RbTCC1R+EEueb2oVRccV+i2uui1uo13. 差模信号与共模信号差模信号与共

6、模信号i2i1id=uuu 差模信号：差模信号：)(21=i2i1icuuu 共模信号：共模信号：idodud=uuA差模电压增益：差模电压增益：icocuc=uuA共模电压增益：共模电压增益：总输出电压：总输出电压：icucidudocodo=uAuAuuu ucudCMR=AAK4. 共模抑制比共模抑制比+_+_+VCCuuci1i2TT12RcRbRbRouREEeVeEERe)(7 . 0=RVVI 三三. .差动放大电路的基本工作原理差动放大电路的基本工作原理 1. 静态工作点的计算：静态工作点的计算：0=i2i1 uu 忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0VReCC2C121=IIII

7、 CE2CE1= UU)7 . 0(CCCC RIV CB1B1III 0=C2C1O UUU+_+_+VCCuuci1i2TT12RcRbRbRouREEeV2.抑制零漂的原理抑制零漂的原理:Uo= UC1 - UC2 = 0当当ui1 = ui2 = 0 时，时，当温度变化时：当温度变化时：UC1 = UC2设设T ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc1 - uc2 = 0+_+_+VCCuuci1i2TT12RcRbRbRouREEeV(1)(1)加入差模信号加入差模信号 ui1i1=-=-ui2i2 = =uidid/2/2，3.3.电路的动态分析电路的动态分析 所以，所

8、以，Re对差模对差模信号相当于短路。信号相当于短路。若若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变不变 UE不变不变 uicic=0=0。+_-RRT+RbTCC1REEueb2VRccV+i2uui1oidu2idu2-IReEo2u+uo1LR-+-2+REidb2TuTi1idb1RRucc+i22uRu-uEu+o1ouo2beLcd)2/(rRRRAbu 求差模电压放大倍数求差模电压放大倍数： 因为因为ui1 =- ui2设设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。电路对称电路对称uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数

9、 2i1iOduuuuA 1iO122uu 1iO1uu -+-2+REidb2TuTi1idb1RRucc+i22uRu-uEu+o1ouo2+ibberR-+Co1uRL-+ui1icib2bR差模输入电阻差模输入电阻 beid2rRRb 输出电阻输出电阻co2RR -+-2+REidb2TuTi1idb1RRucc+i22uRu-uEu+o1ouo2(2)(2)加入共模信号加入共模信号 ui1i1= =ui2i2 = =uicic， uidid=0=0。设设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。因因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化理想化)。共模电压放大倍数

10、共模电压放大倍数 0ucA-+-_+uueuR1CCRETo1RL+i2uic+cuRobT+RebI2RVVo2cR+i1uEEicu四四.差动放大器的输入输出方式差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双端输入、双端输出（双入双出双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出） 主要讨论的问题有：主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模电压

11、放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 （2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数0uc A（3）差模输入电阻）差模输入电阻 beid2rRRb （4）输出电阻）输出电阻co2 RR -+-_-+oo2cu+bV2uuRLRi2+o1TeRRui1cVbCCuEE+R1TRbeLcdu)2/(rRRRAb bebLcud2/rRRRA 2. 双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用这种方式适用于将差分信号转换于将差分信号转换为单端输出的信号。为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数差模

12、电压放大倍数 （2）差模输入电阻）差模输入电阻beid2rRRb（3）输出电阻）输出电阻coRR+_cu+bV2uRLRi2o1TeRRi1cVbCCuEE+R1TR+（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数+_cu+bV2uRLRi2o1TeRRi1cVbCCuEE+R1TR+icuuiciRe ui1i1= =ui2i2 = =uicic， 设设ui1 ，ui2 ie1 ， ie1 。 iRe （=2 ie1 ） 画出共模等效画出共模等效电路电路uucic+b1uRicci1T2RRo1RuuT+i2bR+LieRe1Re22ie2ico1icocuc=uuuuAebebL2)1 (=Rr

13、RReL2RR动画演示动画演示求共模电压放大倍数求共模电压放大倍数：uucic+b1uRicci1T2RRo1RuuT+i2bR+LieRe1Re22ie2+i-RbeuLuRR+r-bo1CbbiicciRe2 3. 单端输入双端输出单端输入双端输出 单端输入等效双端输入单端输入等效双端输入: 因为因为Re从从T2发射极看进发射极看进去的等效电阻，故去的等效电阻，故 Re 可视为开可视为开路，于是有路，于是有beLcd)2/(rRRRAbu ui1 = ui2 = ui /2 计算同双端输入双端输出：计算同双端输入双端输出：0uc A beid2rRRb co2 RR 动画演示_RRT+Rb

14、T1EEeb2ViuiRei1u+-i2u+- beLcd2/rRRRAbu 4. 单端输入单端输出单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号：注意放大倍数的正负号： 设从设从T1的基极输入信号，如果从的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从输出为负号；从uo2 输出为正号。输出为正号。 计算同双入单出：计算同双入单出： eLc2RRAu beid2rRRb coRR _+VRi1RbecV2TRR+LbcuEEo1uRRReTCC1i+ (1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 差动放大器动态参

15、数计算总结差动放大器动态参数计算总结 双端输出时：双端输出时：beLcdu)2/(rRRRAb 单端输出时：单端输出时： beLcud2/rRRRAb (2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时：双端输出时： 单端输出时：单端输出时：0uc AeLuc2RRA (3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。 单端输出时，单端输出时， 双端输出时，双端输出时， coRR

16、 co2RR beid2rRRb (4)(4)输出电阻输出电阻(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。bebeeLbebLCMR2/)(2/rRRRRrRRK ucudCMRAAK dBlg20ucudCMRAAK ，或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：动画演示动画演示 五五. 带恒流源的差动放大电路带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式：根据共模抑制比公式：bebeCMRrRRK 加大加大Re，可以提高共模抑，可以提高共模抑制比。为此

17、可用恒流源制比。为此可用恒流源T3来来代替代替Re 。等效很大的交流电阻，直等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。流电阻并不大。恒流源使共模放大倍数减小，而恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。共模抑制比。恒流源的作用恒流源的作用+-+_oVi2uuRi1+LuEERR+1TTRCCbRRVc2cb31RR2T3带恒流源的差动放大电路的计算：带恒流源的差动放大电路的计算： 静态工作点静态工作点：+_-RRT+RbTCC1REEub2VRccV+i2uui1oRL3R1R2T3Ic3AB211EEABRRRVU 3ABC3V7 . 0RUI

18、 2C3C2C1III 动态动态： 恒流源等效电阻恒流源等效电阻：)/1(321be33ceRRRrRrR 等效等效1. 镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：BE1BE2=UUREFI E1E2= IIC1C2= II 无论无论T2的负载如何变化，的负载如何变化， IC2的电流值将保持的电流值将保持不变。不变。5.2 集成运算放大器中的单元电路集成运算放大器中的单元电路一一 . 电流源电路电流源电路RUVIBECCR= RVCC因为：因为：所以：所以：+RTIIC11VTR2CCIC2IB22. 微电流源微电流源e2BE2BE1RUU E2C2II e2BERU （1）电流小（因为）电流小

19、（因为UBE小）。小）。+RII2CCRC2TIV1TC1IRe2E2微电流源的特点微电流源的特点：（2）电流稳定）电流稳定（电流负反馈）（电流负反馈）3. 多路电流源多路电流源+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC二二. 差动输入级差动输入级1. 有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。+u-u_ou+ic2c4ic3ic1iIEECCVVEEui1i2uic2RLT1

20、2TT34T2. 共集共集共基差动输入级共基差动输入级 特点：特点：（1）输入阻抗）输入阻抗高。高。（2）T3、T4为为横向横向PNP管，可管，可承受几十伏的反承受几十伏的反向电压向电压。_+_TTT1432TEEIIBBVCCBBVRRCCouui1i2u三三.输出级输出级工作原理：工作原理：ui为正半周时，为正半周时，T1管工作，管工作，T2管截止，输出管截止，输出uo为正；为正；ui为负半周时，为负半周时，T2管工作，管工作，T1管截止；输出管截止；输出uo为负。为负。两管交替工作，在负载两管交替工作，在负载电阻电阻RL上得到完整的正上得到完整的正弦波。弦波。 1. 互补对称射极输出电路

21、互补对称射极输出电路uuVCCVCCoiLR输入输出波形图输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR2. 克服交越失真的互补对电路克服交越失真的互补对电路 静态时，静态时，T1、T2两管发射两管发射结电压分别为二极管结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。状态，以消除交越失真。 电路中增加电路中增加 D1、D2工作原理工作原理 ： uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC5.3 集成运放简介集成运放简介 一一. 集成运放的总体结构集成运放的总体结构uuu电压放大

22、级输出级偏置电路uo+差动输入级uu- 二二. 简单的集成运放简单的集成运放+T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反反 相相 输输 入入 端端同同 相相 输输 入入 端端输输入入级级中中间间级级输输出出级级 原理电路：原理电路：u-u+ uo集成运算放大器符号集成运算放大器符号国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端VVVo+A+-uuu三三. 通用型集成运放通用型集成运放F00717_1TREFp22T8TT2145

23、R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB偏置电路输入级中间级输出级分析：分析：1. 偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：5

24、1BE112BEEECCREF)(RUUVVI 其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象电流源组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管构成多支路电流源。管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源路作为中间级的有源负载。负载。A路为输出级提供偏置。路为输出级提供偏置。2. 输入级：输入级： T1 、T2和和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电

25、路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到使输入差模信号达到30V以上。以上。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。3. 中间级：中间级： T16和和T

26、17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。 T14和和T20管组成互补对称输出级，管组成互补对称输出级，T18、T19和和 R8为为其提供静态偏置以克服交越失真。其提供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保护保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不管在负向电流过大时不致烧坏。致烧坏。4. 输出级：输出级：5. 相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2

27、号腿为反相端。号腿为反相端。 1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。5.4 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。化量与温度变化量之比值。 4.输入失调电流输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差

28、，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 2B1BIB21III 2B1BIOIII 5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。与温度变化量之比值。 6.最大差模输入电压最大差模输

29、入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB

30、左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。 9.差模输入电阻差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可欧姆，场效应管输入级可达达109欧姆以上。欧姆以上。 10.共模抑制比共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。 UUUAood 11.3dB带宽带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义所定义的带宽的带宽 f H 。 12.转换速率转换速率S R (压摆率

31、压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率转换速率SR的表达式为的表达式为 maxoRddtuS 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个特殊类型的集成运放，在某一个或几个

32、参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。些方面的特殊要求。5.5 5.5 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器 1.高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W W，输入偏置电流通常为，输入偏置电流通常为pA数量级。数量级。这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管应管JFET与与BJT相结合构成差动输入级，称为相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与，或采用超管与BJT结合的电路，构成差结合的电路，构成差动输入级。动输入级。 其典型产品有其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。等。 2.高精度、低漂移型要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2m