模拟电路第六章

6集成电路运算放大器电子电路分立元件电路集成电路数字集成电路模拟集成电路运放功放小规模SSI

10个从集成度分中规模MSI10～100个（三极管的个数）大规模LSI100～1000个超大规模VLSI1000～1000000

甚大规模1000000以上

优点：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格低模拟集成电路的特点：①电路结构与元件参数具有对称性②有源元件代替无源元件③采用复合结构的电路④级间采用直接耦合方式⑤二极管采用BJT的发射结构成讨论集成运放的基本单元-----电流源和差分放大电路6.1集成运算放大器中的电流源6.2差分放大电路6.3集成运算放大器6.4集成运算放大器的主要参数§6.1电流源电流源是一个输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。1

电流源概述2

三极管基本电流源3

集成电路电流源4

电流源用作有源负载1电流源概述(1)电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。(2)电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。

(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。(4)电流源还可单独制成稳流电源使用。(5)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。2三极管基本电流源

用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。分压偏置基本放大电路就具有这一功能，其电路如图6.1.1所示。

分压偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，具有稳流特性。电流源的内阻大，内阻越大稳流特性越好。

(a)(b)

图6.1.1三极管电流源

下面就通过图6.1.2所示的等效电路来求该电路的内阻，以探讨其稳流特性。由图可得解法见下页图6.1.2求Ro微变等效电路

可见三极管基本电流源的内阻较三极管放大区的输出电阻rce又有较大提高。3集成电路电流源

3.1镜像电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVV====bbb镜像电流源电路如图6.1.3所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜像(电流相等）。图6.1.3镜像电流源3.2精密镜像电流源精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其精度提高了倍。电路如图6.1.4所示。由于有T3存在，IB3和将比镜像电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。

图6.1.4精密电流源3.3微电流源微电流源电路如图6.1.5所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。由图可得：

图6.1.5微电流源Io的稳定性比IREF好。3.4比例电流源

在镜像电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路如图6.1.6所示。图6.1.6比例电流源4多路电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，电路见图6.1.7。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC1、IC2。图6.1.7多电流源当较大时由于各管的相同4电流源用作有源负载

图6.1.8电流源用作有源负载电流源具有交流电阻大的特点，在集成电路中作为负载使用。图中T1是放大管，T2和T3组成电流源作为T1集电极的有源负载，是电压增益增大。例。P2316.1.3；P2696.1.1，6.1.2多级放大电路的放大倍数补充多级放大电路概述2零点漂移1耦合形式

1耦合形式

多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。有隔直作用，故前后级的Q点不相互影响；C的容抗很小，交流电压可忽略，vo1=vi2；应用于分立元件电路，在集成电路中，大的C很难制造，故不用。。直接耦合电抗性元件耦合前级的输出端直接接到后级的输入端直接耦合电路可放大缓慢变化或直流量的信号，不用C，便于集成；有良好的低频特性，低频段Av不降低，展宽了通频带；但存在前后级Q点相互影响和零点漂移的问题。级间采用电容和下级输入电阻或变压器耦合。根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。

耦合电路的简化形式如图1所示。

直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决。

(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合图1耦合电路的形式2零点漂移零点漂移(如图2）

Vo多级直接耦合放大电路votVi=0图2零点漂移放大电路vi=

0

时，输出端vo还有缓慢的、无规则的变化电压输出，偏离原来的起始点而上下漂动的，这种现象叫零点漂移。评价放大电路的零点漂移的指标—温漂△vi=△vo/|Av|△T

通常把温度变化1C在输出级的漂移电压除以放大倍数，折算到输入级的等效输入漂移电压。例如V/C。1

基本差分放大电路2差分放大电路的传输特性§6.2差分放大电路1基本差分放大电路

1.1差分放大电路的组成1.2工作原理1.3主要技术指标的计算1.1差分放大电路的组成

差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。如图6.2.1所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。

图6.2.1差分放大电路即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=

rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=

Rb1.2工作原理差分放大电路的输入和输出方式：4种

差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1

和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2

对地输出称为单端输出。图6.2.1差分放大电路

信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；

若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。图6.2.2共模信号和差模信号示意图

差模信号共模信号

是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。

是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。输入信号分以下几种：例:Vi1=10mv,Vi2=6mvVid

=Vi2-Vi1

=4mvVi1=Vic+Vid/2=8mv+2mvVic=½(Vi2+Vi1)=8mv

Vi2=Vic-Vid/2=8mv-2mv

Vi1和Vi2,即非共模，又非差模，大小、极性任意比较信号㈠差分放大电路的静态计算

差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源－VEE。

由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2Re

才能获得相同的电压降。图6.2.3双电源差分放大电路(动画6-2-3)

如图6.2.3所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为－VEE和Re提供基极偏置电流。基极电流为:㈡差分放大电路的动态计算

⒈差模状态动态计算

⒉共模状态动态计算

⒊恒流源差分放大电路

⒈差模状态动态计算

差分放大电路的差模工作状态分为四种:1.双端输入、双端输出（双----双）

2.双端输入、单端输出（双----单）

3.单端输入、双端输出（单----双）

4.单端输入、单端输出（单----单）主要讨论的问题有：

差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻图6.2.4双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数AVD

双端输入差放电路如图6.2.4所示。负载电阻接在两集电极之间。vi接在两输入端之间，也可看成±vi/2各接在两输入端与地之间。

未接负载时①双端输入双端输出差模电压放大倍数

在电路完全对称，双入双出时，差分电路与单边电路的电压增益相等，但用成倍的元件换取对零漂的抑制。接RL，RL的中点为交流的地，所以，对半边电路等效为RL/2接负载时常多级直接耦合放大电路的输入级和中间级(1)差模电压放大倍数AVD②双端输入单端输出差模电压放大倍数双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一，但不能抑制零点漂移。图6.2.5双端输入单端输出

这种方式适用于将差分信号（双入）转换为单端输出的信号，常用于多级直接耦合放大电路的输入级和中间级。

③单端输入双端输出差模电压放大倍数

单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图6.2.6。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值[(Rs+rbe)/(1+)]<<Re，故Re对Ie分流极小，可忽略，于是有

这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号,常用于多级直接耦合放大电路的输入级。图6.2.6单端输入转换为双端输入vi1=－vi2=vi/2④单端输入单端输出

通过从T1

或T2

的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1

输出，为反相；从C2

输出为同相。

(2)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。(3)输出电阻

输出电阻在

单端输出时，

双端输出时，

⒉共模状态动态计算例如温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。图6.2.2共模信号示意图

计算共模放大倍数AVC的微变等效电路，如图6.2.8

所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。AVC的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。(1)共模放大倍数AVC图6.2.8共模微变等效电路eLebesLi2O2i1O1C1i121iCOCC2'2)1('0=RRRrRRvvvvAvvvvvAVooV-=+++-====-=bb单端输出时为(2)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。，或

双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比。Re越大，共模抑制比越大，放大差模信号抑制共模信号能力越强。(动画6-2-9)输入比较信号：⒊恒流源差分放大电路

为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图6.2.9所示。图6.2.9恒流源差分放大电路图6.2.9恒流源共模等效电路图6.2.9恒流源差模等效电路⒊恒流源差分放大电路书中图6.2.2恒流源差分放大电路差分放大电路几种接法的性能指标比较见P239页思考题：P2426.2.1—6.2.4例题1.如图是一个单端输入、双端+12V输出的长尾式差动放大器。已知晶体管的3030100,0.6V,+-240。求：+ＴＴ1(1)静态时Ｔ、Ｔ集电极1电位(对地)、；-57(2)该电路的差模电压放大倍数Ａ-12V2.下图所示的对称20+12V差动放大电路,已知50,20201Ｍ试求:1Ｍ10+-⑴Ｔ,Ｔ的静态值;TT+100⑵当输出端不接负载51时如果=10ｍＶ，2051则输出电压？--6V⑶若输出端接=20K时,10

则输出电压？(=10ｍＶ)2.解:(1).求Ｔ、Ｔ的静态值。由于=1Ｍ很大，可以认为开路。

Ｔ、Ｔ对称,求一管即可。

－Ｅ－＝＋2(1＋)＝2.63Ａ

＝＝0.132ｍＡ;＝－＝－26.3ｍV

＝－＝－0.63Ｖ＝－＝9.36Ｖ

20+12V

20201Ｍ1Ｍ10+-TT+100512051--6V10

20+12V

20201Ｍ1Ｍ10+-TT+100512051--6V10

(2)＝300＋(1＋)26(ｍＶ)／＝10.35K

Ａ＝－＝－49＋

输出电压:＝Ａ·＝0.49Ｖ

(3).当＝20K时，//(0.5)Ａ＝－＝－16.4＋

输出电压＝Ａ×＝0.16Ｖ

3.在图示的差动电路中，+12Ｖ已知Ｔ、Ｔ管的1515均为80，＝３００。1＋－1试求：双端输出时的差模增益、ＴＴ差模输入电阻及输出电阻。＋200＋～～－5.1－

-12Ｖ

3.解:题图中令w＝200，＝5.1，则可求得、、分别为－12-0.6＝w/2+100+5100

≈2.3ｍＡ/2＝1.15ｍＡ从而可求出为26＝＋（1＋）26＝300＋（1＋80）＝2.11.15+12Ｖ15151＋－1ＴＴ＋200＋～～－5.1－

-12Ｖ

放大器的差模增益、差模输入电阻及输出电阻分别为

Ａ＝－＋＋(1+)w/280×15＝－＝-1071+2.1+(1+80)×0.1＝２[＋(1+)w/2]＝2[2.1+81×0.1]＝20.4

＝2c＝2×15＝30+12Ｖ15151＋－1ＴＴ＋200＋～～－5.1－

-12Ｖ

4.放大电路如图所示,

(1)当输入端＝０时,输出电压＝5.1Ｖ;当输入端＝16ｍＶ时,＝9.7Ｖ,试求放大器的电压增益。

(2)输入端＝０时,如温度变化使输出电压由5.1Ｖ变化为4.5Ｖ,这时折合到输入端的零点漂移为何值?

+(+12V)105.115100+＋15.1-－

+(+12V)105.115100+＋15.1-－解：⑴Ａ＝／=(5.1-9.7)/(0-16×10)=2.875

⑵因为输出漂移电压=4.5-5.1=-0.6Ｖ，所以折算到输入端的漂移电压为／Ａ＝0.6/287.5=-2.08ｍＶ

作业：p2706.2.1,6.2.3§6.3集成运算放大器

运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。运算放大器的结构1.1方框图1.2运算放大器的引线1.3运算放大器的符号1.1方框图

集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的原理框图如图6.3.1所示。图6.3.1运算放大器原理框图1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。4.偏置电流源为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，一般由各种恒流源电路组成。3.互补输出级要求输出电阻低，带负载能力强，能输出大功率。一般由互补对称电路或电压跟随器组成。2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。

1.2运算放大器的引线

运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。

1.3运算放大器的符号(1)集成放大器的符号

按照国家标准符号如图6.3.2所示。(a)

(b)图6.3.2模拟集成放大器的符号(a)国家标准符号(b)原符号例。简单的集成运放电路的分析（P244）运算放大器外形图运算放大器外形图§6.4运算放大器的主要参数

运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。

1

运算放大器的静态技术指标

2

运算放大器的动态技术指标

1运算放大器的静态技术指标1.输入失调电压Vio

：(inputoffsetvoltage)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。是表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电流

Iio：(inputoffsetcurrent)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。3.输入偏置电流IB：(inputbiascurrent)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。4.输入失调电压温漂

dVio/dT5.输入失调电流温漂dIio/dT

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。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。

6.最大差模输入电压Vidmax

7.最大共模输入电压Vicmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)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。(maximumcommonmodeinputvoltage)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，放大器失去共模抑制能力。2运算放大器的动态技术指标

1.开环差模电压放大倍数

Avd

：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd

与共模电压增益Avc

之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg(Avd/

Avc)

(dB)

5.单位增益带宽

BWG(fT)——(unitgainbandwidth)Avd

下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fT。

4.开环带宽BW（

fH）：(-3dBbandwidth)运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。

6.转换速率SR(压摆率)—(slewrate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

(动画6-3-3)为了使输出电压不因的限制而产生失真，必须使运放的为：第6章模电作业一.是非题1.交流放大器中没有零点漂移现象，直流放大器中存在零点漂移现象。[]2.注意选择元件，使电路尽可能对称，可以减小差动放大器的零点漂移。[]

3.共模信号都是直流信号，差模信号都是交流信号。[]

4.典型差动放大器电路的共模电阻愈大，Ｋ愈大，因此可无限地增大。[]5.差动放大器的差模放大倍数愈大，共模抑制比愈小，则其性能愈好。[]

6.差动放大器有四种接法，放大倍数取决于输出端的接法，而与输入端的接法无关。[]7.差动放大器有四种接法，输出电阻取决于输出端的接法，而与输入端的接法无关。[]8.典型的差动放大器中的发射极电阻对差模信号和共模信号都有负反馈作用，牺牲了差模放大倍数，但提高了共模抑制比。[]9.一个理想的差动放大电路，只能放大差模信号，不能放大共模信号。[]

×

××

×

×

10.差动放大电路中的长尾电阻对共模信号和差模信号都有负反馈作用，因此，这种电路是靠牺牲差模电压放大倍数来换取对共模信号的抑制作用的。[]11.在线性工作范围内的差动放大电路，只要其共模抑制比足够大，则不论是双端输出还是单端输出，其输出电压的大小均与两个输入端电压的差值成正比，而与两个输入电压本身的大小无关。[]12.对于长尾式差动放大电路，不论是单端输入还是双端输入，在差模交流通路中，射极电阻一概可视为短路。[]二．选择题1.放大缓慢变化的信号应采用________。(Ａ)直接耦合放大器；

(Ｂ)阻容耦合放大器；(Ｃ)全波桥式整流电路;(Ｄ)变压器耦合放大器。2.两直接耦合放大器和，Ａ=200，零漂输出△＝10mV；另一个

Ａ=50，△＝4mV，则________。

(Ａ)零漂优于；(Ｂ)零漂比差；(Ｃ)、零漂相同；(Ｄ)无法判断。

×AA3.差动放大器抑制零点漂移的效果取决于______。

(Ａ)两个晶体三极管的放大倍数；(Ｂ)两个晶体三极管的对称程度；

(Ｃ)各个晶体三极管的零点漂移；

4.在典型的差动放大器中，的作用是______。

(Ａ)对差模信号构成负反馈以提高放大器的稳定性；

(Ｂ)对共模信号构成负反馈以提高抑制零点漂移的能力；

(Ｃ)(Ａ)和(Ｂ)

5.直接耦合放大电路的放大倍数越大，在输出端出现的零点漂移现象就越

______。(Ａ)严重(Ｂ)轻微(Ｃ)和放大倍数无关

6.在相同条件下，阻容耦合放大电路的零点漂移______。

(Ａ)比直接耦合电路大(Ｂ)比直接耦合电路小(Ｃ)与直接耦合电路基本相同

BBAB7.放大电路产生零点漂移的主要原因是______。

(Ａ)环境温度变化引起参数变化(Ｂ)放大倍数太大(Ｃ)采用了直接耦合方式

(Ｄ)晶体管的噪声太大(Ｅ)外界存在干扰源

8.差动放大电路是为了______而设置的（Ａ.稳定放大倍数,Ｂ.提高输入电阻,

.克服温漂，Ｄ.扩展频带），它主要通过______来实现（Ｅ.增加一级放大，Ｆ.采用两个输入端，Ｇ.利用参数对称的对称管）。9.在长尾式差动放大电路中，的主要作用是______。

(Ａ)提高差模电压放大倍数(Ｂ)抑制零点漂移(Ｃ)增加差动放大电路的输入电阻

(Ｄ)减小差动放大电路的输出电阻

A，CC，GB10.差动放大电路用恒流源代替是为了______。

(Ａ)提高差模电压放大倍数(Ｂ)提高共模电压放大倍数

(Ｃ)提高共模抑制比(Ｄ)提高差模输出电阻

11._____耦合放大电路各级Ｑ点相互独立，_____耦合放大电路温漂小，_____

耦合放大电路能放大直流信号。

(Ａ)直接；(Ｂ)阻容

12.多级直接耦合放大器中，影响零点漂移最严重的一级是_____，零点漂移

最大的一级是_____。

(Ａ)输入级(Ｂ)中间级(Ｃ)输出级(Ｄ)增益最高的一级13.差动放大器电路，若在两管集电极之间接上负载电阻，对放大器的静态工

作点_______影响。(Ａ)有(Ｂ)没有

CB，B，AA，CB14.如图是一个两边完全对称的+差动放大电路.已知=-0.1V,则c＝______,=______。(Ａ)-0.1V,ＡＢ(Ｂ)+0.1V,(Ｃ)-0.2V,(Ｄ)+0.2VＴＴ若=1,c=5.1,=6.8,+晶体管的=1.5,=50,则当=10ｍＶ时,≈______。--(Ａ)+500ｍＶ,(Ｂ)-500ｍＶ,

(Ｃ)+1Ｖ，(Ｄ)-1ＶB，C，D15.如图是一个双端输入、双端+输出差动放大电路。设=0(接地).试c择正确的答案填空:(1)若希望负载电阻的一端接地,+ＴＴ+输出电压与输入电压极性相同,则的另一端应接在___(，)--(2)若希望的一端接地,而o-与极性相反,则的另一端应接在______(，);C2,C1(3)当输入电压的变化量为时,两端______(Ａ.也存在,Ｂ.不存在)变化电压,对差模信号而言,ｅ点_____（Ａ.仍然是,Ｂ.不再是）交流接地点.

16.在如图所示单端输出差动放大电+路中，设其差模电压增益|Ａ|=50，共模电压增益|Ａ|=0.5，若输入电压＝80ｍＶ，＝60ｍＶ，输出电压为_____。(Ａ)－1.035Ｖ；(Ｂ)－0.965Ｖ；(Ｃ)＋0.965Ｖ；(Ｄ)＋1.035Ｖ。

-

A,AC17.在如图所示单端输出差动放大电+路中，设其差模电压增益|Ａ|=50，共模电压增益|Ａ|=0.5，若输入电压＝80ｍＶ，＝60ｍＶ，输出电压为_____。