第六章 集成电路运算放大器X

电子技术第六章集成电路运算放大器模拟电路部分1

第六章差动放大器与集成运算放大器§6.1集成运算放大器中的电流源§6.2差分式放大电路§6.3集成运算放大器§6.4集成运放的主要参数Integratedoperationalamaplifier2集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器。线性集成电路运算放大器集成稳压器功率放大器一、特点:1.直接耦合2.偏置电流较小

3.几十Ω<R<几十千Ω

4.有源负载代替大电阻、恒流源、T代替D5.对称性好、差动、电流源

6.用复合管改进单管性能Integratedoperationalamaplifier3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需要对称结构的电路。（2）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。（3）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pF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。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。4二、集成运放的基本组成单元

输入级的作用：提供与输出端成同相和反相关系的两个输入端，对其要求是温度漂移要尽可能地小。

中间级：主要完成电压放大。

输出级：向负载提供一定的功率，属于功率放大。偏置电路:向各级提供稳定的静态工作电流。

辅助环节：电平偏移电路、调零电路、过流保护电路。中间级输入级输出级偏置电路uiu05多极放大电路Multistageamplifier一、概述输出级负载中间级输入级信号源多极放大电路三种耦合方式：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合

(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合耦合电路的形式6三种耦合方式的特点1.阻容耦合1)各级Q独立2）选择较大的耦合电容可以不衰减传递的信号。3）不适于放大缓慢变化和直流信号4）不易集成2.直接耦合1）可放大交、直流信号2）便于集成3）Q不独立4）有零点漂移和电平偏移现象73.变压器耦合transformer-coupled1）各级Q独立2）利用变压器原边、次边不同的变化，提高放大作用和输出功率3）不能反映缓慢变化和直流信号,对高、低频信号产生附加相移。4）不易集成、笨重二、动态参数的计算1.电压放大倍数Aur01ri2前级后级86.1集成运放中的电流源为了加强电路的集成度，电路中的电阻不宜太多，所以在集成电路中常用以下几种恒流源电路：1.镜像电流源设无论Rc2的值如何，IC2的电流值将保持不变。镜像电流源9电路优点结构简单，并具有一定的温度补偿作用。电路缺点受VCC影响大，当VCC变化时，IC2几乎同样随之变，不适应电源电压在大幅度变动下运行。要求小电流时，如微安级，要求R大；当值不够大时，IC2与IR相差大。102.微电流源Micro-currentsource为了使IC2为弱电流时,R值仍然不大，我们可以在镜像电流电流源的基础上，引入一个电阻RE到T2的发射极如图所示。微电流源由于很小，所以IC2也很小RE引入电流负反馈，也提高T2的集电极输出电阻，它更接近于理想的恒流源113.多路电流源多路电流源因为各个管子的β和VBE相同，所以：124.电流源用作有源负载Activeload共射电路的电压增益为：对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为比用电阻Rc就作负载时提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源13差分式放大电路中的一般概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益差模信号输出共模信号输出差分式放大电路结构示意图vi2线性放大线路vi1vo§6.2差分放大电路differentialamplifier所谓差分，意思就是两个输入信号之差。差分式放大电路是集成运放的主要组成单元。14viRC1R1T1增加R2

、RE2

:用于设置合适的Q点。问题1:前后级Q点相互影响。+VCCvoRC2T2R2RE2直接耦合电路的特殊问题§6.2.1基本差分放大电路15问题2:零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当

vi等于零时，vo不等于零。viRC1R1T1+VCCvoRC2T2R2RE2vot0有时会将信号淹没16零漂现象：输入Vi=0时，输出有缓慢变化的电压产生。6.2差分式放大电路differentialamplifier1直耦放大电路的特殊问题——零点漂移17产生零漂的原因：温漂是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。Ｕ0t这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化称零点漂移-----零漂。严重时会淹没有用信号。衡量：将输出漂移电压折合到输入端来衡量。当温度变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漂移。因而零点漂移也叫温漂。当输入端短路时输出将随t缓慢变化，如图18若第一级漂了100V，则输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设

第一级是关键3.减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿采用差分式放大电路漂了100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV例如解决方法：19一、结构特点：结构对称。vi1vi2voRCRBT1RSRCRBT2RS1、工作原理+VCC20二、抑制零漂的原理vo=VC1-VC2

=0vo=(VC1+vC1

)-(VC2+vC2)=0当vi1

=

vi2=0

时：当温度变化时：+VCCvovi1RCRBT1RSRCRBT2RSvi221三、共模电压放大倍数AC+VCCvovi1RCRBT1RSRCRBT2RSvi2共模输入信号：

vi1=vi2=vC

（大小相等，极性相同）理想情况：vi1=vi2

vC1=vC2

vo=0共模电压放大倍数：（很小，<1)但因两侧不完全对称，vo

022vovi1RCRBT1RSRCRBT2RSvi2四、差模电压放大倍数Ad差模输入信号：

vi1=-vi2=vd

（大小相等，极性相反）设vC1=VC1+vC1，vC2=VC2+vC2。因vi1=-vi2，

vC1=-vC2

vo=vC1-vC2=vC1-vC2=2vC1

差模电压放大倍数：+VCC23五、共模抑制比(CMRR)的定义例:

Ad=-200

Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR

(dB)=(分贝)24一、结构为了使左右平衡，可设置调零电位器:双电源长尾式差放特点：加入射极电阻RE；加入负电源-VEE

，采用正负双电源供电。vovi1+VCCRCT1RBRCT2RBvi2RE–VEE25双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源-VEE提供。vovi1+VCCRCT1RBRCT2RBvi2RE–VEE26二、静态分析温度TICIE

=2ICVEVBEIBIC1.RE的作用

设vi1

=vi2

=0自动稳定RE具有强负反馈作用——抑制温度漂移，稳定静态工作点。vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2RE–VEE272.Q点的计算直流通路vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2RE–VEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IB

VC1=VC2=VCC－IC×RC

VE1=VE2

=－IB×RS－VBE

VCE1=VCE2

=VC1－VE1282.Re对共模信号的抑制作用

——抑制温度漂移，稳定静态工作点。+VCCvi2vovi1RCT1RSRCT2RSRE–VEEvi2vovi1RCT1RSRCT2RS2RE2REIe1+Ie2=2Ie，对每管而言，可视为在射极接入2RE,电路仍然是对称的。对双端输出：

voc=vc1-vc2=0RE具有强负反馈作用对共模信号的抑制作用29由于2RE的作用，引入很强的负反馈，对零漂起到抑制作用，此时单边放大倍数vi2vovi1RCT1RSRCT2RS2RE2RERS相当于电源内阻303.对差模信号的放大作用流过RE的差模电流为零，因此RE对差模信号而言相当于短路，即不起任何影响。故将射极视为地电位，此地称“虚地”。此时，放大电路的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即：vi2vovi1RCT1RSRCT2RSRE31若差动电路带负载RL(接在C1与C2之间),对于差动信号而言，RL中点电位为0,所以放大倍数：vi2vovi1RCT1RSRCT2RBRE325.其它指标:差模输入电阻rid和差模输出电阻rodvirbeibiiicvoRSRCRCibrbeRSibibic33共模输入电阻ricuirbeibiiicuoRsRCRCibrbeRsibibicRE若两个输入端连接在一起，则若两个输入端分别接入，则从一端看进去的输入电阻为：34RRvovi1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1vi2E+VCC恒流源式差放电路电路结构:IC3R2T3R1R3-VEE-VEE351.恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用36差放电路的几种接法输入端接法双端单端输出端接法双端单端双端输入双端输出：Ad

=Ad1双端输入单端输出：vi1+VCCvi2voC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-VEE37双端输出：Ad

=Ad1单端输出：对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。vi1+VCCvi2voC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-VEEib2ib1vd

=0.5vi,vc

=0双端输入：vi1=-vi2=0.5vivd

=0.5vi,vc

=0.5vi单端输入：vi1=-vi，vi2=038集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；§6.3集成运放的内部结构及特点39集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。40VEE+VCC

v+vo

v–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与vo同相41对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。42R2T3R1R3-VEE+VCCvi2uoERCT1RCT2vi1T4IC

=IC1+IC2

=1IB

+2(1+1)IB

=[1+2(1+1)]IB为减小IB，提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管=IC/IB

=1+

2(1+1)12ICIBIE12IC1IC2IB243-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器–+集成运放内部结构（举例）极性判断44三.通用型集成运放F007populartype主偏置电路产生基准电流微电流源45

ri

大:几十k

几百k运放的特点：KCMRR很大ro

小：几十几百Ao

很大:104107理想运放：ri

KCMMRR

ro

0Ao

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAo国际符号国内符号46一、开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Aod为。二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。三、差模输入电阻ridri>1M,有的可达100M以上。四、输出电阻roro

=几-几十。§6.4集成运放的主要性能指标47五、最大共模输入电压UIcmax六、最大差模输入电压UIdmax七、-3dB带宽fH运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。关于集成运放的应用下面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。48运算放大器外形图49运算放大器外形图506.5集成运放应用基础一、低频等效电路UidridrOAudUidUO511.运放的电压传输特性：设：电源电压±VCC=±10V。运放的AVO=104│Ui│≤1mV时，运放处于线性区