集成运算放大电路(机械工业黄丽亚)

第5章集成运算放大电路5.1集成运算放大电路的特点5.2电流源电路一、镜像电流源(CurrentMirror)二、比例电流源三、微电流电流源(WidlarCurrent)四、威尔逊电流源5.3有源负载放大电路1/14/20231模拟电子技术5.4差动放大电路(DifferentialAmplifier)

5.4.1零点漂移现象

5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析一、差模(Difference-Mode)放大特性二、共模(Common-Mode)抑制特性三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio)四、对任意输入信号的放大特性1/14/20232模拟电子技术5.4.4差动放大电路的大信号分析一、差动放大电路的传输特性(TransferCharacteristic)二、差动放大电路正常工作的前提条件三、差动放大电路作模拟乘法器5.4.5差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调二、失调的温度漂移(TemperatureDrift)1/14/20233模拟电子技术5.8集成运算放大电路的外部特性及其理想化5.8.1集成运放的电压传输特性5.8.2集成运算放大器的主要参数一、静态参数二、动态参数5.8.3理想集成运算放大电路一、理想化条件二、理想运放特性1/14/20234模拟电子技术第5章集成运算放大器电路

（1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。（2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。（3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。1/14/20235模拟电子技术集成电路：60年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。集成电路具有性能好，可靠性高，体积小，耗电少，成本低等优点。集成运放：是一种模拟集成电路，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。1/14/20236模拟电子技术常用运算放大器外形图1/14/20237模拟电子技术5.1集成运算放大电路的特点1.级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能制作大电容和电感)；2.尽可能采用有源器件代替无源器件(避免使用大电容、大电阻)；3.利用对称结构改善电路性能

(参数一致性好,但单个元器件参数误差较大)。1/14/20238模拟电子技术图5.1.1集成运算放大电路方框图差动放大器负载为有源负载的共射放大器射随器或互补射随器提供各级偏流和有源负载输入级中间级输出级偏置电路uPuOuN1/14/20239模拟电子技术5.2电流源电路IC0IBUCER1R2ICR3－UEEICRo

(a)晶体管的恒流特性(b)电流源电路(c)等效电流源表示法1/14/202310模拟电子技术图5.2.1镜像电流源一、镜像电流源(CurrentMirror)工作电流参考电流1/14/202311模拟电子技术图5.2.2多路镜像电流源1/14/202312模拟电子技术IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向PNP管电路(b)等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现1/14/202313模拟电子技术二、比例电流源图5.2.4比例电流源1/14/202314模拟电子技术室温下，当两管的射极电流相差10倍时：若β>>2，则IE1≈Ir,IE2≈IC2仅为此时两管UBE电压(>600mV)的10%。因此，UBE1≈UBE2。1/14/202315模拟电子技术三、微电流电流源(WidlarCurrent)RrIrIC2V2V1UCCR2图5.2.5微电流电流源当β1>>2时，

IE1≈Ir,IE2≈IC2已知Ir=1mA,要求IC2=10μA时1/14/202316模拟电子技术四、威尔逊电流源图5.2.6威尔逊电流源1/14/202317模拟电子技术若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro较大的动态内阻；输出电流受β的影响也大大减小优点1/14/202318模拟电子技术5.3有源负载放大电路UCCV3V2uoV1uiRr图5.3.1有源负载共射放大电路(a)电路UCCuoV1uiIorce3(b)以电流源表示的等效电路1/14/202319模拟电子技术5.4差动放大电路(DifferentialAmplifier)

5.4.1零点漂移现象1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下飘动。2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，输入级工作点的缓飘很难传到下一级去，因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，这样整个电路将无法正常工作。1/14/202320模拟电子技术3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。等效输入漂移电压输出漂移电压等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。1/14/202321模拟电子技术

5.4.2差动放大电路的工作原理及性能分析UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo图5.4.2基本差动放大电路当Ui1=Ui2=0时则流过RE的电流I为故有1/14/202322模拟电子技术UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo图5.4.2基本差动放大电路静态时，差动放大电路两输出端之间的直流电压为零。1/14/202323模拟电子技术一、差模(Difference-Mode)放大特性UCCRCRLRCRE－UEEV1V2－＋uo＋Uid1Uid2－＋Iid1Iid2RE上只有静态电压，无交流信号电压0V0VUid1Uid2Uod1UCEQ1Uod2UCEQ21/14/202324模拟电子技术基本差动放大器的差模等效通路－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic21/14/202325模拟电子技术——双端输出（浮动输出）时

1.差模电压放大倍数－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic21/14/202326模拟电子技术—单端输出时

1.差模电压放大倍数－＋Uod1RLV2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2负载RL∞情况下或1/14/202327模拟电子技术2.差模输入电阻(InputDifferentialResistance)注：－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2Iid1/14/202328模拟电子技术

3.差模输出电阻(OutputDifferentialResistance)－＋Uod1＋－Uod2＋－RL2RL2V2V1＋＋Uid1Uid2－－Uid＋－RCRCUodIid1Iid2Ic1Ic2单端输出时为双端输出时为1/14/202329模拟电子技术UCCRCRLRCRE－UEEV1V2－＋uo＋Uic－Iic1Iic2Ic1Ic2RE上有静态电压

和交流信号电压0VUicUoc2UCEQ2二、共模(Common-Mode)抑制特性Uoc1UCEQ1Iic1/14/202330模拟电子技术RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2RE图5.4.4基本差动放大器的共模等效通路Iic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202331模拟电子技术1.共模电压放大倍数—双端输出时RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202332模拟电子技术

——单端输出时1.共模电压放大倍数RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202333模拟电子技术

2.共模输入电阻RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic注：1/14/202334模拟电子技术

3.共模输出电阻

—单端输出时RCUoc2RCUoc1UicV1V2－＋Uoc＋－2RE2REIic1Iic2Ic1Ic2Iic1/14/202335模拟电子技术三、共模抑制比KCMR(Common-ModeRejectionRatio)1/14/202336模拟电子技术四、对任意输入信号的放大特性+=0V1/14/202337模拟电子技术1.任意输入信号的分解及输入电压1/14/202338模拟电子技术UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo～～～～图5.4.7将两个任意信号转换成差模和共模输入信号1/14/202339模拟电子技术2.任意输入信号作用下，输出电压的计算双端输出时的电路图UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo＋－＋－1/14/202340模拟电子技术单端输出时的电路图UCCRCRLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo＋－＋－1/14/202341模拟电子技术如两端都不接地，这种接法称为双端输入；如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。UCCRCUC2RLRCUC1UiRE－UEEV1V2－＋Uo3.关于只有一路信号源接入差动放大器UCCRCUC2RLRCUC1UiRE－UEEV1V2－＋Uo1/14/202342模拟电子技术图5.4.3所示的基本差动放大器，存在两个缺点：若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)的上限约为300，而与RE的取值无关。1.共模抑制比做不高5.4.3具有电流源的差动放大电路UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE－UEEV1V2－＋Uo1/14/202343模拟电子技术2.不允许输入端有较大的共模电压变化。公共射极电位变化差放管的静态工作电流变化rbe改变1/14/202344模拟电子技术RCRCUi1V1V2－＋UoUi2－UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC图5.4.9具有电流源的差动放大电路(a)用单管电流源代替RE的差动电路(b)电路的简化表示恒流源1/14/202345模拟电子技术静态工作点的估算：RCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC1/14/202346模拟电子技术1.共模抑制比可做的非常高；2.允许输入端有较大的共模电压变化。Auc≈0、Auc（单）≈0KCMR、

KCMR（单）高电流源的输出电阻非常大rbe几乎不变1/14/202347模拟电子技术5.4.4差动放大电路的大信号分析图5.4.11具有电流源的差动放大电路RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC1一、差动放大电路的传输特性(TransferCharacteristic)1/14/202348模拟电子技术1/14/202349模拟电子技术RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC11/14/202350模拟电子技术(a)电流传输特性曲线iC1,iC2IiC1iC2iC1iC2－6UT/－4UT－2UT02UT4UT6UTuidQI2图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线1.两管集电极电流之和恒等于I2.传输特性具有非线性特性3.在静态工作点附近，当|uid|≤UT，即室温下，uid在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。4.当|uid|≥4UT,即uid超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。1/14/202351模拟电子技术(b)电压传输特性曲线图5.4.12差动放大电路的传输特性曲线uoIRC－6UT/－4UT－2UT02UT4UT6UTuid－IRC1/14/202352模拟电子技术二、差动放大电路正常工作的前提条件1.差放电路输入电压幅值限制RCUC2RCUC1Ui1V1V2－＋Uoc－UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC2.电流源电流I限制1/14/202353模拟电子技术三、差动放大电路作模拟乘法器RCRCuidV1V2－＋uo－UEEIUCC－＋iC2iC1若则若则1/14/202354模拟电子技术

5.4.5差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。与失调有关的具体因素：1/14/202355模拟电子技术实际差分放大器RSRS+-UOOS(a)无失调差分放大器RSRS+-UOOS(b)+-UIOS图1

实际差动电路的失调电压和失调电流总输入失调电压----总输出失调电压----差模源电压增益1/14/202356模拟电子技术UOOSRSRS+-(c）实际差分放大器+-UIO无失调差分放大器图1

实际差动电路的失调电压和失调电流IIO

：RS很大并接近开路时的输入失调参数；UIO

：RS为0时的输入失调参数；IIO

、UIO

：差分放大器的固有参数。利用戴维南等效定理可得a、b两点间开路电压ba1/14/202357模拟电子技术RSRS+-图2实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图+-UIO无失调差分放大器－＋IIO2IIO2UIOIB1IBIBIB2补偿电流补偿电压失调电压(OffsetVoltage)失调电流1/14/202358模拟电子技术RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－－＋IIO2IIO2UIOIB1图3差动电路的失调电压和失调电流补偿电压补偿电流RSRSIBIB1/14/202359模拟电子技术RC＋ΔRCRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2－＋UIOIB1图4求差动电路的失调电压补偿电压1/14/202360模拟电子技术RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－IIO2IIO2IB1图5求差动电路的失调电流补偿电流RSRSIBIB1/14/202361模拟电子技术RC＋ΔRCRCUiV1V2－＋Uo－UEEIUCCIB2＋－IIO2IIO2IB1图5求差动电路的失调电流补偿电流RSRSIBIB1/14/202362模拟电子技术RCRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCRWRSRSRCV1V2－＋Uo－UEEIUCCRWRSRSRC图5.4.17差动放大器的调零电路

(a)射极调零(b)集电极调零1/14/202363模拟电子技术二、失调的温度漂移(TemperatureDrift)1/14/202364模拟电子技术5.8集成运算放大电路的外部特性及其理想化5.8.1集成运放的电压传输特性+_+¥+_图5.8.1集成运放电路旧符号与新符号uid=u--u+uouid=u--u+uo0斜率为AudUOHUOL图5.8.2电压传输特性1/14/202365模拟电子技术5.8.2集成运算放大器的主要参数1.输入失调电压UIO和输入失调电流IIO2.失调的温漂3.输入偏置电流IIB当外接RS足够大，使IIO

RS>>UIO时，失调电流

IIO

＝IB1－IB2一、静态参数4.最大差模输入电压最大共模输入电压1/14/202366模拟电子技术2.差模输入电阻Rid4.带宽5.转换速率(压摆率)SR1.开环差模电压放大倍数Aud

3.共模抑制比KCMR二、动态参数1/14/202367模拟电子技术5.8.3理想集成运算放大电路、理想化条件由于运放具有开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小等特性，在分析时常将其理想化，称为理想运放。差模电压增益Aud=∞差模输出电阻Rod=0差模输入电阻Rid=∞输入偏置电流IIB=0共模抑制比KCMR=∞失调电流IIO=0频带宽度BW-3dB=∞失调电压UIO=0转换速率

SR=∞失调电流温漂dIIO/dT=0噪声电压

UN=0失调电压温漂dUIO/dT=0如何理解参数为∞或0？1/14/202368模拟电子技术二、理想运放特性(1)“虚短”特性(virtualshortcircuit)1.理想运放工作在线性(linear)状态时的特性所以(2)“虚断”特性(virtualopencircuit)所以＋－u-u+uo由于u-u+uo集成运放理想模型零子任意子集成运放符号1/14/202369模拟电子技术2.理想运放工作在非线性(nonlinear)状态时的特性(2)“虚断”特性(1)“离散”特性uiduoUOHUOL非线性区非线性区uo=UOH或UOL1/14/202370模拟电子技术作业5.25.95.45.65.81/14/202371模拟