第4章 集成运算放大器

1、 第一节第一节 基本差动放大器基本差动放大器一、一、直接耦合放大电路需要解决的问题 各级静态工作点之间互相影响、互相牵制 零点漂移问题零点漂移问题 输入端短接（输入端短接（uI =0） ，其输出端电压有忽，其输出端电压有忽大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压。这大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压。这种现象就称为零点漂移。种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的因素产生零点漂移的因素：温度变化温度变化、任何元器件参数的变、任何元器件参数的变化，电源的波动。化，电源的波动。 在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为严重。为严重。 抑制零漂的

2、方法很多，如采用高稳定度的稳压电源来抑制电源电压波动引起的零漂；电路元件在安装前要经过筛选和“老化”处理，以确保质量和参数的稳定性；选用温漂小的元器件；采用温度补偿电路；使用恒温系统来减小温度变化的影响等。但最常用的方法是利用两只特性相同的晶体管接成差动放大电路差动放大电路。二、差动放大电路二、差动放大电路1. 基本差动放大电路基本差动放大电路 双端输入双端输入 双端输出双端输出 基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零点漂移的能力。点漂移的能力。 温度温度TUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 （UBE )具有公共发射极电阻的差动放大电路 R R

3、E E的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小零点漂移。零点漂移。 温度温度T（UBE )IC1IC2IEUBEUBEUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 长尾长尾在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，极性相反的信号电压就称为极性相反的信号电压就称为差模信号差模信号 差模信号 RE的存在并不影响对差模信号的放大 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 减小减小增大增大 静态时静态时U UI1I1=U UI2I2=0=0，输入回路方程：，输入回路方程： V VEEEE= =I IBQB

4、QR RB B+U+UBEQBEQ+2I+2IEQEQR RE E 可得可得Q Q点为（忽略点为（忽略I IBQBQ时）时） BEQCCQCCCEQEQBQCQEBEQEEEQURIVUIIIRUVI)1 (2uD122uDI1O1I2I1O2O1IDODAAUUUUUUUU电路的差模电压放大倍数电路的差模电压放大倍数AuDbeBCbeBBCB)(uD2uD1RRRRRIRIAA空载时：差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是为了抑制零点漂移。为了抑制

5、零点漂移。 当在两个集电极之间接有负载电阻当在两个集电极之间接有负载电阻RL时：时： beBLuDRRRA差模输入电阻差模输入电阻 ：RiD 2(RB +Rbe ) 差模输出电阻差模输出电阻 ：RO=2RC 2/LCLRRR 差模地端差模地端两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。 共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电流同时等量增大，结果输出电压流同时等量增大，结果输出电压U UO OC C =0=0 若电路

6、完全对称，则若电路完全对称，则AuC=0 共模抑制比共模抑制比 共模信号 uCuDCMRAAK2. 其它输入、输出方式的差动放大电路其它输入、输出方式的差动放大电路 当差动放大电路两个输入端的实际输入信号为当差动放大电路两个输入端的实际输入信号为分别为分别为UI1和和UI2时，可以认为同时有差模信号和时，可以认为同时有差模信号和共模信号输入。其差模成分共模信号输入。其差模成分 ，等于二者的差值；二者的平均值为其共模成分，即等于二者的差值；二者的平均值为其共模成分，即则：则：I2I1IDUUU2I2I1ICUUU 根据叠加定理，根据叠加定理，单端输入和双端输入是等效的单端输入和双端输入是等效的，

7、只不过单端输入时有共模成分输入（大小为输入信只不过单端输入时有共模成分输入（大小为输入信号二分之一），在理想情况下，共模输出信号等于号二分之一），在理想情况下，共模输出信号等于零。零。2222I2I1I2I1ICIDI1UUUUUUU2222I2I1I2I1ICIDI2UUUUUUU 双端输出时，负载双端输出时，负载RL接在两个晶体管的集电极接在两个晶体管的集电极之间，此时差模电压放大倍数等于单管共射放大电之间，此时差模电压放大倍数等于单管共射放大电路的放大倍数。路的放大倍数。 单端输出时，负载单端输出时，负载RL接在一个晶体管的集电极接在一个晶体管的集电极与公共端之间，零输入时输出端的直流电

8、位不再等与公共端之间，零输入时输出端的直流电位不再等于零，同时由于输出电压只有双端输出时的一半，于零，同时由于输出电压只有双端输出时的一半，所以所以单端输出的差模电压放大倍数和输出电阻均为单端输出的差模电压放大倍数和输出电阻均为双端输出时的二分之一双端输出时的二分之一。 由于差动放大电路有两种输入方式和两种输出由于差动放大电路有两种输入方式和两种输出方式，因此差动放大器有四种连接方式。除前面我方式，因此差动放大器有四种连接方式。除前面我们介绍的双端输入、双端输出电路，还有另外三种们介绍的双端输入、双端输出电路，还有另外三种电路。电路。双端输入、单端输出图差动放大电路 beBCL)/(21uDR

9、RRRA 单端输入、双端输出差动放大电路 反相输出反相输出 单端输入、单端输出 beBCI1O1IO21uDRRRUUUUA 同相输出同相输出 单端输入、单端输出 beBcI2O2IO21uDRRRUUUUAIC3 的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。 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 第二节第二节 集成运算放大器集成运算放大器一、集成运算放大器的电路结构及符号一、集成运算放大器的电路结构及符号 集成运放组成框图集成运放组成框图 集成运放的符号和管脚图集成运放的符号和管脚图 a) a) 图形符号图形符号 b) A741b) A741

10、的管脚图的管脚图 正电源端正电源端负电源端负电源端 A741内部电路内部电路 二、集成运放的特点二、集成运放的特点三、集成运放的分类三、集成运放的分类 图示电路是由集成运放组成的生物电前置放大器，必须采图示电路是由集成运放组成的生物电前置放大器，必须采用高精度、低漂移、高共模抑制比的专用型运放，而不能采用高精度、低漂移、高共模抑制比的专用型运放，而不能采用通用型运放。用通用型运放。四、集成运放的电压传输特性和参数四、集成运放的电压传输特性和参数 1 ）电压传输特性）电压传输特性 理想运算放大器的条件主要是：理想运算放大器的条件主要是：t 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数AuD； t 开

11、环输入电阻开环输入电阻RiD；t 开环输出电阻开环输出电阻Ro0；t 共模抑制比共模抑制比KC M R。 理想运放的图形符号理想运放的图形符号 a)旧国标旧国标 b)新国标新国标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 运放的传输特性运放的传输特性 线性区线性区 UO=AuD（UP-UN） 非线性区非线性区 UO受正、负电源电压限制受正、负电源电压限制2） 主要参数主要参数（以（以A741为例）为例） A741典型值典型值 理想值理想值t 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数A AuDuD 103dB 103dB t 输入失调电压输入失调电压U UIOIO 1mV 0 1m

12、V 0t 输入失调电流输入失调电流I IIOIO 20nA 0 20nA 0t 输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB 80nA 0 80nA 0t 输入失调电压温度漂移输入失调电压温度漂移d dU UIOIO/dt/dt 10 1030V/ 0 0t 开环差模输入电阻开环差模输入电阻R RiDiD 2M 2M t 最大差模输入电压最大差模输入电压IDM IDM 30V30Vt 最大共模输入电压最大共模输入电压ICM ICM 12V12Vt -3db -3db带宽带宽f fh h和单位增益带宽和单位增益带宽f fc c 7Hz7Hz和和1MHz1MHzt 最大输出电压最大输出电压OPPOPP

13、Vcc-1.5V Vcc-1.5Vt 转换速率转换速率S SR R 0.5V/0.5V/S S maxoRddtuS 本章小结本章小结 1. 直接耦合放大电路的应用越来越普遍，但存在着零点漂移问题（主要是温度漂移），差动放大电路可以减小零点漂移。 2. 差动放大电路有两个输入端，如果两个输入端输入大小相等、极性相反的信号，称为差模输入信号；如果两个输入端输入大小相等、极性相同的信号，称为共模输入信号。理想情况下，差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号没有放大作用，即共模电压放大倍数等于零。引起零点漂移的因素，相当于在差动放大电路的输入端引入了共模信号，所以，差动放大电路可以抑制零点漂移。

14、 3. 加在差动放大电路两个输入端之间的信号是差模信号，双端输出时的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同，单端输出时的差模电压放大倍数等于双端输出时的二分之一。 4. 差动放大电路两输入端如果同时加有信号，则其差值就是其差模成分，平均值就是其共模成分。理想情况下，共模放大倍数等于零，所以其输出只有差模成分，等于差模输入乘以差模放大倍数。因为双端输入（将输入信号加在差动放大电路两输入端之间）和单端输入（输入信号加在一个输入端，另一端接地）的差模成分是一样的，所以二者是等效的，输出电压相等，但单端输入有共模成分。 5. 衡量差动放大电路抑制共模信号的能力用共模抑制比来表示，共模抑制比等于差动放大电路的差模放大倍数和共模放大倍数的比值。共模抑制比越大，性能