集成运算放大器原理及其应用

1、 * *6.1 6.1 差分放大器差分放大器6.1.1 6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析6.1.2 6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性6.1.3 6.1.3 举例举例6.1.4 6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂 *绪论绪论一一.集成电路（集成电路（Integrated Circuit简称简称IC） 采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。上，形成具有特

2、定电路功能的单元电路。二二.摩尔定律摩尔定律 未来未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番年中芯片上的晶体管数将每年翻一番 （1965年）年） 芯片上的晶体管数量每两年将翻一番芯片上的晶体管数量每两年将翻一番 （1975年）年） *绪论绪论三三.集成电路的特点集成电路的特点（同分立器件电路相比）：（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；电路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用集成电路中的电容

3、是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。电路多采用直接耦合的形式。 *绪论绪论2.两者的设计思想正好相反两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等集成电路：则尽

4、量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。有源器件所取代。 *6.1 差分放大器差分放大器 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 1. 直流信号的放大直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的变化十分缓慢的信号信号进行放大。进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。制中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为认为频率等于零）称为 直流信号直流信号。直流放大器直流放大器

5、是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。交流信号）。直流信号不同于直流电。直流信号不同于直流电。 * 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 2. 直流放大器面临的问题直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。变信号。直流放大器常常采用直流放大器常常采用直接耦合直接耦合方式。方式。两个问题：两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移）零点漂移 * 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么

6、引入差分放大器？ 1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。多不便。1bR、1CQI1CEQU2BI、2CQI2CEQU * 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 现象：输入现象：输入电压电压为零，输出端电为零，输出端电压压表指表指针偏离针偏离零点或起始值零点或起始值，出现忽大忽小的，出现忽大忽小的不规则摆动。不规则摆动。2）零点漂移）零点漂移定义：定义： 输入

7、输入电压电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零零点漂移简称零漂。漂。引起零漂的外界因素：引起零漂的外界因素： 时间漂移：时间漂移：由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电 路设计无关。路设计无关。 温度漂移：温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。 电源电压变化引起的漂移：电源电压变化引起的漂移：当电

8、源电压变化时，电路的直流电平配制当电源电压变化时，电路的直流电平配制 受到某种破坏而导致输出零点的变动。受到某种破坏而导致输出零点的变动。 * 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？ 为什么是矛盾？为什么是矛盾？ 为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。 为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力 也减弱了。也减弱了。寻求新方法解决矛盾！寻求新方法解决矛盾！抵消抵消采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。采用特殊形式的

9、电路使漂移电压互相抵消。引入特殊的负反馈引入特殊的负反馈对零点漂移有很强的负反馈，对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。对有用直流信号无负反馈。例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波互相抵消了。载上，偶次谐波互相抵消了。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。矛盾！矛盾！调制型直流放大器（框图）调制型直流放大器（框图） *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1. 电路形式电路形式 基本形式（长尾电路）基本形式（长尾电路）

10、两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。如何消除零漂？如何消除零漂？ 输入信号为零，电路对称输入信号为零，电路对称21ccUU120occUUU 某种因素产生零漂，如温度升高，某种因素产生零漂，如温度升高，12ccII、12ccUU、电路对称，晶体管参数相同，电路对称，晶体管参数相同，12ccuu 120occuuu 靠电路对称消除零漂！靠电路对称消除零漂！ *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1. 电路形式电路形式 射极电阻的几种不同形式射极电阻的几种不同形式输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：输入信号分别加到两管基极，输出两种取法： 从

11、单管集电极取从单管集电极取 单端输出单端输出 从两管集电极之间取从两管集电极之间取 双端输出双端输出 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1. 电路形式电路形式 差分式放大电路的组态差分式放大电路的组态基于不同的应用场合，有基于不同的应用场合，有双、双、单端输入和单端输入和双、双、单端输出的情况。单端输出的情况。单端输入时，另一端接地。单端输入时，另一端接地。双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析1 1）差模输入信号：）差模输入信号： 21IIuu Idu 2

12、1/IdIuu 22/IdIuu 即两管输入信号大小相等、相位相反，称为即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号差模输入信号，记为，记为21IIIduuu 2 2）共模输入信号：）共模输入信号：21IIuu 即两管输入信号大小相等、相位相同，称为即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号共模输入信号，记为，记为21IIIcuuu Icu 零漂引起的就是共模信号，为有害信号。零漂引起的就是共模信号，为有害信号。 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析问题：问题： 差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信差分放大器

13、的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般号，一般 ，即，非差模也非共模，该怎样，即，非差模也非共模，该怎样分析分析 ？21IIuu 解决方法：解决方法： 对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。入信号作用下的性能指标。 *6.1.1 差分放大器的分析差

14、分放大器的分析2. 工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析2221211IIIIIuuuuu 2221212IIIIIuuuuu 221IIIcuuu 令令21IIIduuu 具体分解方法：具体分解方法：IcIdIuuu 21IcIdIuuu 22 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析例子：例子：(mV)sintuI 101 (mV)sintuI 42 (mV)sintuId 6 (mV)sin/tuId 32 (mV)sin7tuIc 1Iu 2Iu 差模输入信号差模输入信号（任一端都不（任一端都不接地）接地）共模输入信号

15、共模输入信号 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 电阻电阻 的分析的分析eR1）差模信号作用下：）差模信号作用下：111ECBiii、222BCEiii、相同相同VT1：VT2：流过流过 的信号电流彼此抵消，在的信号电流彼此抵消，在 上无信号电压上无信号电压eReR两管均为共射放大器，完两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。成放大差模信号的作用。反之亦然。反之亦然。两管各极电流的变化正好相反，当两管各极电流的变化正好相反，当10Iu *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 电阻电阻 的分析的分析eR2）共模信号作用下：）共模

16、信号作用下：两管相应电流始终相等，两管相应电流始终相等，流过流过 的信号电流为的信号电流为 ，产生的电压为，产生的电压为eREi 2eERi 2(2)EeiR引入了电流串连负反馈，使得从每个管子引入了电流串连负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。集电极输出时的共模电压大大减小了。 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2. 工作原理工作原理 结论结论 共模等效共模等效差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的差模输入信号正是要放大

17、的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输入信号（零点漂移）。输入信号（零点漂移）。结论结论差模等效差模等效 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3. 差模电压放大倍数和差模输入电阻差模电压放大倍数和差模输入电阻1）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数udududAAA、)(21111122()fecOOudIdIbieh RuuAuuRh 2221222()fecOOududIdIbieh RuuAAuuRh 单端输出差模电压放大倍数单端输出差模电压放大倍数 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析12OOOuuu iebcfeududIdOOIdOudhRRhAAuuuuuA

18、 2121)(21IIudIdudOuuAuAu 双端输出差模电压放大倍数双端输出差模电压放大倍数双端输出双端输出只要输入电压有差别，输出就变动！只要输入电压有差别，输出就变动！ *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3. 差模电压放大倍数和差模输入电阻差模电压放大倍数和差模输入电阻2）差模输入电阻）差模输入电阻)(iebidhRR 2idR *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析4. 共模电压放大倍数和共模输入电阻共模电压放大倍数和共模输入电阻1）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数1111(1)22OcOcucIIcfeccbiefeeeuuAuuh RRRhhRR 单端输出

19、共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数和和 成反比，成反比， 越大，越大， 越小。越小。 eR1ucAeR12()ucucucAAA、 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析22212OcOcucucIIcuuAAuuOcOcOcucIcIcuuuAuu120单端输出共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数单端输出时，射极电阻单端输出时，射极电阻 引入了电流串联负反馈，使得共引入了电流串联负反馈，使得共模模输出输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出电压为零，即共模输入电压完全被抑

20、制。电压为零，即共模输入电压完全被抑制。 eR *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析4. 共模电压放大倍数和共模输入电阻共模电压放大倍数和共模输入电阻2）共模输入电阻）共模输入电阻)2)(1(21efeiebicRhhRR icR *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析5. 输出电阻输出电阻oR 无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的，无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的，输出电阻统一用统一用 表示。表示。coRR2 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析共模抑制比共模抑制比 衡量差分放大器放大差模信号和衡量差分放大器放大差模信号和 抑制共模信号的能力抑制共

21、模信号的能力定义：定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。 CMRuducAKACommon Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection RatioCMRCMR(dB)20lgKK越大越大 ，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析共模抑制比共模抑制比1 1，双端输出时，使电路尽可能对称；，双端输出时，使电路尽可能对称； 增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一增大发射极电阻，受到发射极电源电压的

22、限制。寻找一 种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常 大的阻值；大的阻值；cucuceRAAR122 减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：单端输出时，单端输出时，恒流源电路恒流源电路3 3，引入共模负反馈。，引入共模负反馈。 2 2， *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析共模抑制比共模抑制比 提高方法，电路举例提高方法，电路举例1 1）恒流源电路）恒流源电路3312311feeooeieehRr()hR / RhR2 2）引入级间共模负反馈）引入级间共模负反馈or *6.1.1 差分放大

23、器的分析（往后）差分放大器的分析（往后）7.7.几种放大器方式性能参数比较几种放大器方式性能参数比较双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出udAucACMRK1(/)2fecLiehRRhcL(/) 2feiehRRh0cLo/2RRr iefeohrh1(/)2fecLiehRRhcL(/) 2feiehRRh0cLo/2RRr iefeohrhidRicRoR2ieho1(1)2 2iehr c2RcR2ieho1(1)2 2iehr c2RcR射极电阻或射极电流源内阻射极电阻或射极电流源内阻以上对应电路均未接基极电阻或信号源内阻忽略不计。以上对应电路均未接基极电

24、阻或信号源内阻忽略不计。 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析8. 差分放大器的组合形式差分放大器的组合形式1 1）共集）共集- -共基差分放大器共基差分放大器分析：分析：双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；VTVT5 5、VTVT6 6构成基本电流源，作为构成基本电流源，作为VTVT4 4的有源负载；的有源负载； OOOIIOuuuuuu 11()()feLOIiefeLhRuuhhR 11111ieLifehRRh 121OIuu 112CCCC组态组态CBCB组态组态 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析8. 差分放大器的组合形式差分放大器的组合形式1 1）共集）

25、共集- -共基差分放大器共基差分放大器feLOOieh Ruuh 21feOOieoehuuh h 16621oeLhR feOOOIIOieoehuuuuuuh h 1162 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析8. 差分放大器的组合形式差分放大器的组合形式2 2）共集）共集- -共射差分放大器共射差分放大器分析：分析：双端输入、单端输出；双端输入、单端输出；VTVT5 5、VTVT6 6构成基本电流源，作为构成基本电流源，作为VTVT4 4的有源负载；的有源负载； OOOIIOuuuuuu 11LiieRRh 12OIuu 11CECE组态组态()()feLOIiefeLhRuu

26、hhR 11111CCCC组态组态 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析8. 差分放大器的组合形式差分放大器的组合形式2 2）共集）共集- -共射差分放大器共射差分放大器feLOOieh Ruuh 21feOOieoehuuh h 16621oeLhR feOOOIIOieoehuuuuuuh h 116 *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析例例6-16-1 某差分放大器已知某差分放大器已知 ， ， ， dB，已知，已知 为负值，求输出电压为负值，求输出电压 。 Vm/sin tuI 101 9. 例题分析例题分析mV/sin tuI 62 100udA ucAOu解：解：

27、IcucIdudOuAuAu IdI1I24sin/mVuuutI1I2Ic8sin/mV2uuutCMR1000.11000uducAAK 100 4sin0.1 8sin400.8sin/mVOuttt 60CMRK *6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析9. 例题分析例题分析例例6-26-2 某差分放大器两个输入端的信号分别为某差分放大器两个输入端的信号分别为 和和 ，输出电压，输出电压 ，三者的关系是三者的关系是 。试求该差分放大器的差模电压放大倍数。试求该差分放大器的差模电压放大倍数 和共模电压放大倍数及共模抑制比。和共模电压放大倍数及共模抑制比。1Iu2Iu2199100I

28、IOuuu 解解：121212()()()()222 ucucIIOudIducIcudIIucudIudIAAuuuA uA uAuuAAuAu9921002 ucuducudAAAA15 .99 ucudAACMR99.5KCMR20lg40dBK Ou *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性1. 双极型晶体管差分放大器的传输特性双极型晶体管差分放大器的传输特性考虑大信号的输入特性，晶体管的小信号电路已不适用，考虑大信号的输入特性，晶体管的小信号电路已不适用，要从要从晶体管特性基本关系式晶体管特性基本关系式出发，结合电路进行研究。出发，结合电路进行研

29、究。)(/1 TBEUuSEeIiqkTUT/ 1/ TBEUueTBEUuSEeIi/ IiiEE 2121111(1)EEEEEiIiiii *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性1. 双极型晶体管差分放大器的传输特性双极型晶体管差分放大器的传输特性21111(1)EEEEEiIiiii211(1)BEBETuuUEie122(1)EEEiii122(1)BEBETuuUEieIdBEBEuuu 2111/(1th)122IdTIdCEuUTuIIiieU 双曲正切函数双曲正切函数xxxxeeeexth22/(1th)122IdTIdCEuUTuII

30、iieU *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性1. 双极型晶体管差分放大器的传输特性双极型晶体管差分放大器的传输特性12th2IdCCTuiiIU 12()th2IdOCCccTuuiiRRIU 差分放大器传输特性差分放大器传输特性 *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性从传输特性得到的结论：从传输特性得到的结论：12()th2IdOCCccTuuiiRRIU 1 1）当差模输入电压）当差模输入电压 时，差动放时，差动放大器处于平衡状态，大器处于平衡状态， ，即，即 0 Idu021 CCii2221IIIICQ

31、CQ 2 2）在平衡状态的工作点附近）在平衡状态的工作点附近 范围内，范围内， 与与 呈线性关系呈线性关系 IdumV25 TU(/2)1IdTuU12()th2IdOCCccTuuiiRRIU TIdcOUuIRu2 2OudcIdTuIARuU Outhxx1x *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性怎样扩大差分放大器的线性范围？怎样扩大差分放大器的线性范围？引入负反馈引入负反馈 射极电阻射极电阻射极电阻增大，线性工作范射极电阻增大，线性工作范围改善程度越好。围改善程度越好。 *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输

32、特性从传输特性得到的结论：从传输特性得到的结论：3 3）当差模输入电压超过）当差模输入电压超过 时，输出时，输出电压基本不变，这表明差动放大器在大信号输入电压基本不变，这表明差动放大器在大信号输入时，具有良好的限幅特性。时，具有良好的限幅特性。mV1004 TU差分型限幅器差分型限幅器4 4）定义：差分放大器跨导为）定义：差分放大器跨导为12th2IdCCTuiiIU 021 IduIdCCmduiidg)(TTmUIUIg22 Igm20 20OudmccIduAg RIRu 25 TUmV改变恒流源电流就可以改变跨改变恒流源电流就可以改变跨导，从而改变差模电压增益，导，从而改变差模电压增益

33、，所以带有恒流源的差分放大器所以带有恒流源的差分放大器可以用来实现自动增益控制。可以用来实现自动增益控制。 *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性例例6-36-3 电路如图所示，已知电路如图所示，已知 ， ，VT1、VT2参数相同，求差模电压放大倍数参数相同，求差模电压放大倍数 。k3 cRmA5 . 0 IudA解：解：20OudmccIduAg RIRu 直接利用直接利用2020 0.5 330udcAIR *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性2. 场效应管差分放大器的传输特性场效应管差分放大器的传输特性目的

34、：提高差分放大器的输入电阻目的：提高差分放大器的输入电阻电路对称，双端输出电路对称，双端输出m dsdudddsg r RARr 12IdGSGSuuu1()()DGSGS offDSSiuUI 221()()12() ()2IdDSSIdDSSDGS offGS offuIuIIiUIUI222()()12() ()2IdDSSIdDSSDGS offGS offuIuIIiUIUI0ucA *6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性2. 场效应管差分放大器的传输特性场效应管差分放大器的传输特性22()()2()() ()dDSSIdDSSOIDGS of

35、fGS offIRIuIuuUIUI ()IdDSSuGS offuIKUI1uK22OduuuIR KK 1uK()22/OduDSSdIdGS offuIR KIIR uU 传输特性传输特性 *6.1.3 例题分析例题分析例例6-46-4 电路如图所示，已知电路如图所示，已知 ， ，VT1、VT2参数相同参数相同 ，且设，且设 ，毫安表内阻，毫安表内阻 ，求：（求：（1 1）静态时的）静态时的 和和 ； （2 2）当）当 时，流过毫安表的电流。时，流过毫安表的电流。3kbcRRk.72 eR100 V.60 BEQUk2 rCQICEQUV2 Iu分析：分析：静态时，即输入为零，放大器处于

36、静态时，即输入为零，放大器处于平衡状态，毫安表无电流流过；输入为平衡状态，毫安表无电流流过；输入为2V时，时，VT1工作在限幅区，工作在限幅区，VT2工作在截止状工作在截止状态。态。 *6.1.3 例题分析例题分析 解解：（1 1）静态）静态0 IumA126 . 0621 eEERIImA1121 ECQCQIIIV36 CcCIRU0.5VEU 3.5VCEQU （2 2）V2 Iu02 CImA74. 26 . 0621 eERImA03. 1233374. 2 I流过毫安表的电流流过毫安表的电流V1 . 0 bEBRIU *6.1.3 例题分析例题分析例例6-56-5 差动放大器如图所

37、示，假设电路完全对称，电路参数差动放大器如图所示，假设电路完全对称，电路参数为：为： ，管子参数，管子参数为为： 。求：求：12V20k10kCCEEbcLeUURRRR、503000.6VBEQbbrU 、（1 1）电路静态时的）电路静态时的 ；111CECBUII、（2 2）双端输出差模电压放大倍数）双端输出差模电压放大倍数 ；udA（3 3）双端输出共模电压放大倍数）双端输出共模电压放大倍数 及及 共模抑制比共模抑制比 ； ucACMRK（4 4）差模输入电阻）差模输入电阻 和共模输入电阻和共模输入电阻 ； idRicR（5 5）输出电阻）输出电阻 。oR *6.1.3 例题分析例题分析

38、mA011. 010512206 . 012)1 (221 ebBEQEEBBBRRUUIII mA.55001105021 BCCCIIII V.)(.)(507102105501212221 ecCEECCCECECERRIUUUUUk.66223643002621 BbbieieieIrhhh36. 766. 220)5/10(50)/( iebLcudhRRRA2 解：解：分析：分析：双端输入、双端输出；负载上无直流电流流过，显然对直流双端输入、双端输出；负载上无直流电流流过，显然对直流状态无影响；负载的中间点电位始终不变，相当于差模信号的零状态无影响；负载的中间点电位始终不变，相当于

39、差模信号的零电位；差模信号输入时的等效负载为电位；差模信号输入时的等效负载为 。/(2 )cLRR（1）（2） *6.1.3 例题分析例题分析 由于电路对称，有由于电路对称，有 CMRK0 ucAk32.45)66. 220(2)(2 iebidhRR()().()().kicbiefeeRRhhR1112202 66150 2 10521 3322 k202 CoRR（3）（4）（5） *6.1.3 例题分析例题分析例例6-6 6-6 差动放大器如图所示，差动放大器如图所示，VTVT1 1、VTVT2 2特性、参数相同，特性、参数相同， ，对交流呈现的内阻为，对交流呈现的内阻为mACbbrI

40、 31001001、k200（1 1）差模输入电阻）差模输入电阻 ； idR（2 2） ；IOuu /（3 3）若电阻精度为）若电阻精度为 1%1%，求最坏情况下，求最坏情况下 的共模抑制比；的共模抑制比；（4 4）共模输入电阻）共模输入电阻 ；IcR *6.1.3 例题分析例题分析k35. 553525 . 026101100mv26)1( EbbieIrh k41)15. 010135. 5(2)1( 2 eieidRhR 解解：（1） *6.1.3 例题分析例题分析（2）.().OcudIieeuRAuhR 100 1048 815 35101 0 15注意输出电压极性的规定注意输出电压

41、极性的规定（3）.OccucIcuRAur 111100 02522 200.OccucIcuRAur 222100 02522 200 *6.1.3 例题分析例题分析().OcOcccucucucIcccuuRRAAAurrRRr 2121214220 025 1022 200CMR.uducAKA 4448 89 76 105 10CMRlg( .). dBK4209 76 1099 8()() .( .).kMIcieeRhRr 11125 351010 152 2002220210 2520（4） *6.1.3 例题分析例题分析例例6-7 6-7 差动放大器如图所示，差动放大器如图所示

42、，VTVT1 1、VTVT2 2特性、参数相同，特性、参数相同， ，要求，要求bbr 100100、250mA1 IOuEEuuAI、（1 1） 和和 ； eRcR（2 2） 和和 ； 11ucudAA 、CMR1K *6.1.3 例题分析例题分析解：解：（1）14.3kk17 . 015 eRmA5 . 0221 EEEQEQIIIk35. 5)5 . 0mV26101100(mV26)1 ( EQbbbeIrr IcucIdudOuAuAu11 *6.1.3 例题分析例题分析ccbecudRRrRA35. 935. 5210021 .().ccuccbeeRRARrR 11000 0351

43、25 35101 2 14 3IIduu 2IIcuu .OcIcIcIuR uR uR u 9 350 03529 37.250uOIcAuuR 9 37k. k.cR 25026 79 37 *6.1.3 例题分析例题分析（2）.udcAR 19 359 35 26 7249 6.uccAR 10 0350 03526 70 935CMR1.(. dB)uducAKA 11266 95 48 5 *6.1.3 例题分析例题分析例例6-8 6-8 如图电路，求如图电路，求ioudUUA 分析：做出交流等效电路，整理得分析：做出交流等效电路，整理得到下图。到下图。 *6.1.3 例题分析例题分

44、析解：解：ieibhUI21 ieibhUI22 管子参数均相同管子参数均相同/ieieiecfebiefebfeoefefehhhUhIhh Ihhhh 33111413131111icUU 12 *6.1.3 例题分析例题分析解：解：()() (/)febbofebboeoeoeoehIIUhIIhhhh 2424242411ieiiecbhUhUI214 ()feioieoeoeh UUhhh 24)(42oeoeiefeioudhhhhUUA 两点结论：两点结论：同相；电压增益增同相；电压增益增大（公式中分母没有大（公式中分母没有2）。）。 *6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大

45、器的失调和温漂现象和定义现象和定义失调：失调：差分放大器在理想状态下，当输入信号为零时，其双差分放大器在理想状态下，当输入信号为零时，其双端输出电压也为零。但对实际差分放大器而言，由于电路不端输出电压也为零。但对实际差分放大器而言，由于电路不完全对称，因而零输入时，对应的输出电压并不为零。完全对称，因而零输入时，对应的输出电压并不为零。分为电压失调和电流失调分为电压失调和电流失调失调漂移：失调漂移：差分放大器的失调往往是随着时间、温度、电源差分放大器的失调往往是随着时间、温度、电源电压等外界因素的变化而变化。电压等外界因素的变化而变化。 降低了放大器的灵敏度降低了放大器的灵敏度 *6.1.4

46、差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂1. 输入失调电压输入失调电压 及其温度漂移及其温度漂移 dTdUIOIOU输出失调电压折算到输入端的电压输出失调电压折算到输入端的电压显然要使输出电压为零，就必须在输入端显然要使输出电压为零，就必须在输入端加入一能抵消输入失调电压的补偿电压。加入一能抵消输入失调电压的补偿电压。引起输入失调电压的原因：引起输入失调电压的原因：（1 1）晶体管的）晶体管的 不对称性；不对称性；（2 2）集电极电阻的相对误差。）集电极电阻的相对误差。输入失调电压漂移是由不对称性和集电极电阻的漂移引起的。输入失调电压漂移是由不对称性和集电极电阻的漂移引起的。 BEU *2

47、. 输入失调电流输入失调电流 及其温度漂移及其温度漂移 假如差分放大器两管的基极偏置电流不相等，两信号源假如差分放大器两管的基极偏置电流不相等，两信号源的内阻相等，则会在输入端产生一个输入误差电压，的内阻相等，则会在输入端产生一个输入误差电压，输入失调电流：输入失调电流：静态输出电压为零时，两管基极偏置电流之差。静态输出电压为零时，两管基极偏置电流之差。IOIdTdIIO)(1221BBsBBBIIRUUU 12BBIOIII 由管子的由管子的 和集电极电阻和集电极电阻 的相对误差引起。的相对误差引起。 cR6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂 *结论：结论：差动放大器的失

48、调是由于电路中管子参数和电差动放大器的失调是由于电路中管子参数和电阻等的不对称而引起的。失调电压和失调电流都随着温阻等的不对称而引起的。失调电压和失调电流都随着温度的变化而变化。为了尽可能地减小失调和漂移，要求度的变化而变化。为了尽可能地减小失调和漂移，要求电路尽可能地对称。电路尽可能地对称。方法：方法：常用差动对管常用差动对管( (它是在一个基片上制作两个相它是在一个基片上制作两个相同的管子，这样容易使参数一致同的管子，这样容易使参数一致) )来构成差动放大器。来构成差动放大器。6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂 *6.2 6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大

49、器典型电路介绍6.2.1 6.2.1 双极型集成运算放大器双极型集成运算放大器F741F7416.2.2 MOS6.2.2 MOS集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 *6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大器典型电路介绍6.2.1 双极型集成运放双极型集成运放F741高增益，高输入阻抗高增益，高输入阻抗的第二代集成运放的第二代集成运放F741由由输入级输入级、中间级和中间级和输出级输出级三级组成。三级组成。 *6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大器典型电路介绍6.2.1 双极型集成运放双极型集成运放F741输入级：输入级：VT1-VT9，采用有源负，采用有源负载的共集载

50、的共集-共基（共基（ VT1-VT4）电路）电路提高放大器的差模输入电阻和差模输入电压范围。提高放大器的差模输入电阻和差模输入电压范围。VT5、VT6和和VT7组成小电流源改进电路，组成小电流源改进电路，作为差分放大器集电极的有源负载，并将作为差分放大器集电极的有源负载，并将双端输入信号转变成单端输出信号。双端输入信号转变成单端输出信号。这一级可以获得较高的电压增益。这一级可以获得较高的电压增益。 *6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大器典型电路介绍6.2.1 双极型集成运放双极型集成运放F741中间级：中间级：有有VT16、VT17组成复合管的单级共组成复合管的单级共射放大器，并由

51、射放大器，并由VT13作为它的有源负载。作为它的有源负载。高的输入电阻保证输入级有较高的电压增益。高的输入电阻保证输入级有较高的电压增益。提高中间级的电压增益。提高中间级的电压增益。30pF30pF补偿电容，可以保证闭环稳定工作。补偿电容，可以保证闭环稳定工作。 *6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大器典型电路介绍6.2.1 双极型集成运放双极型集成运放F741输出级：输出级：VT14和互补复合管和互补复合管VT18、VT19组成准互补输出级。组成准互补输出级。消除交越失真消除交越失真输出级二极管保护电路输出级二极管保护电路 *6.2.2 MOS集成运放的组成集成运放的组成1. CM

52、OS集成运放组成集成运放组成 CC14573为例为例CC14573是一个四可编程运算放大器，它用是一个四可编程运算放大器，它用P P沟道和沟道和N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管以单片结构组成低功耗运算放大器场效应管以单片结构组成低功耗运算放大器。偏置电路：偏置电路：由由P沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管 VT5、VT6和外接偏置电阻组成。和外接偏置电阻组成。 VT5、VT6构成基本电流源。构成基本电流源。输入级输入级: :由由VT1、VT2、VT3、VT4和和VT6组组成。成。VT1、VT2组成差分放大器，组成差分放大器，VT3 、VT4作为它的有源负载，作为它的有源负

53、载，VT6提供工作电流。提供工作电流。 输出级输出级: :由由VT7 、VT8构成一共源放大器。构成一共源放大器。 *6.2.2 MOS集成运放的组成集成运放的组成2. NMOS集成运放集成运放1 1）NMOSNMOS的单级共源放大器或差分放大器与的单级共源放大器或差分放大器与CMOSCMOS放大器相比，其电压增益放大器相比，其电压增益较低。为了提高较低。为了提高NMOSNMOS放大器的电压增益，采用一些特殊电路，使电路结构放大器的电压增益，采用一些特殊电路，使电路结构较为复杂。较为复杂。2 2）为了保证零输入时零输出，）为了保证零输入时零输出，NMOSNMOS运放一定要有电平位移电路。而运放

54、一定要有电平位移电路。而CMOSCMOS运放的电平位移靠器件的互补性能来实现，没有专门的电平位移电路。运放的电平位移靠器件的互补性能来实现，没有专门的电平位移电路。3 3）为提高）为提高NMOSNMOS运放的输出性能，输出级采用特殊的电路形式，它比运放的输出性能，输出级采用特殊的电路形式，它比CMOSCMOS互补输出电路复杂。互补输出电路复杂。NMOSNMOS运放与运放与CMOSCMOS运放相比，它有下列不同之处：运放相比，它有下列不同之处： *6.3 6.3 集成运算放大器的性能参数和模型集成运算放大器的性能参数和模型6.3.1 6.3.1 性能参数性能参数6.3.2 6.3.2 模型模型

55、*6.3 集成运放的性能参数和模型集成运放的性能参数和模型6.3.1 性能参数性能参数1 1）输入偏置电流）输入偏置电流 ( )( )：当运算放大器的输出直流电压为：当运算放大器的输出直流电压为 零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即即BIBiasIBBBIII 2双极型管双极型管1pA1pA1A1A左右左右 场效应管：一般小于场效应管：一般小于1nA1nA2 2）输入失调电流）输入失调电流 ：其值范围一般为：其值范围一般为1nA1nA10A10A。偏置电流。偏置电流越大，其输入失调电流也越大。越大，其输入失调电流也越大。IO

56、I *6.3.1 性能参数性能参数IOU3 3）输入失调电压）输入失调电压 ：一般为：一般为mVmV数量级。对于高精度、低数量级。对于高精度、低漂移类型的运算放大器，可以做到小于漂移类型的运算放大器，可以做到小于1V1V。 双极型管作为输入级双极型管作为输入级 场效应管作为输入级场效应管作为输入级4 4）差模开环电压增益）差模开环电压增益 即线性区域的斜率。即线性区域的斜率。 A(dB)lg20(dB)AA *6.3.1 性能参数性能参数5 5）共模电压增益）共模电压增益 ：当共模信号输入时，运放输出电压：当共模信号输入时，运放输出电压的变化量与输入电压变化量的比值，即的变化量与输入电压变化量

57、的比值，即OcIcuAu cA6 6）共模抑制比）共模抑制比 ： CMRKCMRc/KA A CMRc(dB)lg/(dB)KA A 20频率的函数频率的函数 7 7）差模输入阻抗）差模输入阻抗 ：差模输入电阻：差模输入电阻 和差模输入电容和差模输入电容 构成，在低频时仅指差模输入电阻。构成，在低频时仅指差模输入电阻。idZidRidC双极型管：几十千欧到几兆欧双极型管：几十千欧到几兆欧 场效应管：通常大于场效应管：通常大于109 *6.3.1 性能参数性能参数8 8）共模输入阻抗）共模输入阻抗 ：输入共模信号时，共模输入电压的变：输入共模信号时，共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比

58、。在低频情况下，它表现化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模输入电阻为共模输入电阻 。icZicR9 9）输出阻抗）输出阻抗 ：在低频时，它即为运放的输出电阻：在低频时，它即为运放的输出电阻 ，一般为几十至几百欧。一般为几十至几百欧。oZoR1010）最大差模输入电压）最大差模输入电压 ：运放两输入端所允许加的最：运放两输入端所允许加的最大电压差。大电压差。IDMU1111）最大共模输入电压）最大共模输入电压 ：在线性区共模输入电压的最：在线性区共模输入电压的最大值。大值。ICMU *6.3.1 性能参数性能参数1212）额定输出电压）额定输出电压 ：指在特定的负载条件下，

59、运放能：指在特定的负载条件下，运放能输出的最大不失真电压幅度。通常与电源电压相差输出的最大不失真电压幅度。通常与电源电压相差12V12V。omU1313）-3dB-3dB带宽带宽 和单位增益带宽和单位增益带宽 ： HfcfHoffjAjfA 1)(直流电压增益直流电压增益 1)(1| )(|2HcoffAjfA HoHocfAfAf 12 *6.3.1 性能参数性能参数1414）转换速率）转换速率 ：在额定负载条件下，当输入阶跃大信号：在额定负载条件下，当输入阶跃大信号时，运放在线性区输出电压的最大变化速率称为转换速时，运放在线性区输出电压的最大变化速率称为转换速率，即率，即 RSmaxdtd

60、uSoR 图中输出电压上升部分的斜图中输出电压上升部分的斜率最大值就是转换速率率最大值就是转换速率。tUuomO sin tUdtduomO cos omomtOORfUUdtdudtduS 20max *6.3.1 性能参数性能参数1414）转换速率）转换速率 ：RS转换速率也可以用频率范围来表示，定义全功率带宽转换速率也可以用频率范围来表示，定义全功率带宽 为在正弦输入电为在正弦输入电压作用下，把运放接成单位增益情况下，不失真输出电压振幅达到额定压作用下，把运放接成单位增益情况下，不失真输出电压振幅达到额定值值 的最高频率。的最高频率。pfompRUfS 2 omU上图上图画出了由于转换速