模拟电子技术基础集成运算放大器原理与应用

第5章集成运算放大器

2/3/20231本章基本要求1）掌握差分放大电路的工作原理及其分析方法和由运算放大器构成的各类模拟运算电路；2）熟悉有源滤波电路和电压比较器3）了解构成集成运算放大器的主要单元电路和运算放大器的内部电路组成和主要技术指标.2/3/202325.1集成电路的特点集成电路

——在经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及电路的连线都集成在同一块半导体基片上，最后再进行封装成一个完整的电路。1.集成电路的主要特点体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。（1）电路结构与元件参数具有对称性（2）用有源器件代替无源器件（3）采用复合结构的电路（4）用双极型三极管的发射结代替二极管（5）级间采用直接耦合方式2/3/20233(5)是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。

(3)输出电阻小，几百欧以下。(4)通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。(1)电压放大倍数高，103~105倍。(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。2.集成电路中元器件的特点(1)电路结构与元件参数具有对称性。(2)用有源器件代替无源器件。(3)采用复合结构的电路。(4)外接分立元件少。集成电路内部只能制作小容量的电容，难以制造电感和较大容量的电容(C>2000pF)。(5)级间采用直接耦合方式，并利用二极管进行温度补偿和直流电位偏移。1.集成运放的特点2/3/202342.集成电路的分类

(1)按功能分

(1)按功能分a.模拟集成电路主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。b.数字集成电路主要用于处理数字信号，即离散的、断续的电压和电流信号。

(2)按集成度分

a.小规模集成电路（SmallScaleIntegrationCircuit，SSI)集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。

b.中规模集成电路（MiddleScaleIntegrationCircuit，MSI)集成度：一块芯片上包含的元器件在100~1,000之间。2/3/20235

c.大规模集成电路（LargeScaleIntegrationCircuit,LSI)集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000~100,000之间。d.超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegrationCircuit,VLSI)集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。e.当前集成电路的状况(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至亿只晶体管。(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大约每3年增加一倍。(d)集成电路逐步向集成系统（IntegratedSystem）方向发展。(2)按集成度分2/3/20236(3)按制造工艺分a.半导体集成电路b.薄膜集成电路集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。c.厚膜集成电路厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。2/3/202373.模拟集成电路的分类(1)线性集成电路输出信号与输入信号呈线性关系。(2)非线性集成电路线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。线性集成电路有：集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。输出信号与输入信号呈非线性关系。2/3/202385.2电流源电路

偏置电路的作用是向放大器的各级提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，在模拟集成电路中，一般采用电流源提供偏置电流。图5-1所示的分压式射极偏置电路，就是一个基本的恒流源电路。采用适当的辅助电路，可以使其恒流特性更接近于理想电流源。稳定工作点2/3/202395.2.1镜像电流源T1和T2特性相同(1)电路组成如图6-2(a)所示(2)电路特点(3)电路分析由于UBE1=UBE2=UBE设所以IB1=IB2=IB时基准电流镜像电流2/3/202310虽然接成二极管形式，但仍然可以理解为工作在正向作用区域，的关系仍然成立，这是分析电流源电路的关键。2/3/2023112/3/202312如图5-3所示称为多路镜像电流源。且由式(5-1)有（5-2）

2/3/2023135.2.2比例电流源

T1和T2对称，特性完全相同(1)电路组成如图5-4所示(2)电路特点(3)电路分析由图可知忽略两管的基极电流，有（5-3）2/3/2023145.2.3微电流源

(1)电路组成(2)如图5-5所示电路特点(3)电路分析由图可知T1和T2对称，特性完全相同（5-4）由得可得到2/3/2023155.2.4改进型电流源

减小基极电流的影响2/3/2023165.3差分放大电路

5.3.1直接耦合多级放大电路的零点漂移问题多级放大器的级间耦合方式主要有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合、光电耦合等方式。在许多情况下需要放大诸如温度、压力、流量等传感器输出的(或其他)缓慢变化的非周期信号，但不能采用隔直流的耦合电路，只能采用前后级之间直接耦合的方式。然而，直接耦合放大电路除了前后级工作点相互牵连、电平移动问题外，更为突出的问题是零点漂移问题。2/3/202317关于零点漂移引起零点漂移的原因很多，如环境温度变化、器件老化或参数变化、电源电压波动等。其中最严重的是三极管参数随温度变化引起的漂移。在模拟集成运放中，减小零点漂移的方法与分立元件放大电路中稳定静态工作点的方法大体相似，如采用恒流源偏置电路、第一级(前级)采用具有补偿特性的差分放大电路等。后者可利用其结构特点及其参数的对称性，有效地抑制温度漂移。

2/3/2023182/3/2023195.3.2差分放大电路的组成原理

5.3.2.1电路结构特点

a.电路两边对称。具有两个信号输入端，两个输出端。信号既可以双端，也可以单端输出。2/3/2023205.3.2.2零点漂移的抑制

由于电路处于直流工作状态且电路具有对称性，三极管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即

（1）时，(a)当温度T一定时(b)当温度增加时可见，差分放大器在双端输出的情况下，漂移为零。2/3/202321图5-9(a)所示电路存在如下问题。

1）即使输出端的漂移小了，但每个管子集电极对地的漂移并未减少，若采用单端输出信号，则差分电路的优势不存在。

2）当每个三极管的漂移量比较大时，在大范围完全抵消的可能性就很小。要尽可能提高每个管子抑制零漂的能力，有效的解决办法是在图5-9的基础上加上一个发射极电阻，如图5-10所示。5.3.2.3电路改进2/3/202322典型差分放大电路电位器是调平衡用的，又称为调零电位器。

双端输入双端输入双端输出2/3/2023235.3.3差分放大电路的静态分析

由于电路的对称性静态时由输入回路有

（5-5）直流通路2/3/202324由于

由式(5-5)得则可得

由此可知（5-6）2/3/2023255.3.4差分放大电路动态分析

放大电路的输入信号有三种形式：差模输入、共模输入、比较输入。

5.3.4.1差模输入

两个输入信号的大小相等，极性相反，即，这样的输入称为差模输入。2/3/2023261.差模输入时放大电路中的电流电阻RE上无交流电流，T1、T2发射极虚地。T1基极电位升高T2基极电位降低T2发射极极电流增大T2发射极极电流减小2/3/202327交流通路微变等效电路负载电阻RL的中点虚地负载电阻RL的中点虚地2/3/202328由于则1.双端输出

双端输出时差模电压放大倍数为

差模输入电阻（从两管输入端看进去的等效电阻）

（5-8）（5-9）差模输出电阻为（5-10）2/3/202329（5-11）

Aud与单级共射极电路电压放大倍数相同。可见，差分放大电路是用“数量换质量”。输出电压与输入电压反相2/3/2023302.单端输出其中表示单管放大电路的电压放大倍数。差模输入电阻（与双端输出相同）差模输出电阻为（5-13）从T1的集电极输出时(无负载)T1的集电极输出为反相输出（5-12）

2/3/202331上式说明，单端输出时的差模电压放大倍数是单管共射极放大器电压放大倍数的一半；输出电阻和单管共射极放大电路相同；输入电阻和双端输入相同，是单管共射极放大电路的两倍。

如果在T1输出端与地之间接上负载电阻，则差模电压放大倍数为（5-14）输出电压与输入电压反相特别注意：右图所示电路中T1与T2集电极直流电位不相等2/3/202332从T2的集电极输出输出电压与输入电压同相，称为同相输出端2/3/2023335.3.4.2共模输入

1)双端输出

1)双端输出

两个输入信号大小相等，极性相同，1.共模电压放大倍数于两管对称，有

（5-15）上式说明，差动放大电路双端输出时，具有很强的抑制共模信号的能力。

2/3/202334（1）两输入端不连在一起时

（5-16）

（5-18）

2/3/202335（2）两输入端连在一起时

（5-17）

（5-18）

2/3/2023362）单端输出电压放大系数（5-19）通常则有

由上式可知，越大，越小，抑制共模信号的能力越强。故称射极电阻为共模抑制电阻。如果在输出端与地之间接了负载，则共模电压放大倍数为

通常2/3/2023372.共模抑制比共模抑制比的定义（5-20）或用对数形式（5-21）a.双端输出时b.单端输出时2/3/2023383.共模输入电阻由于4.共模输出电阻为

双端输出时单端输出时2/3/2023395.3.4.3比较输入

两个信号既非差模，又非共模，它们的大小和极性是任意的，这种输入称为比较输入。

比较输入可分解为共模与差模的合成

由于有

（5-22）由于电路对称，双端输出时

单端输出时2/3/202340差分放大器的传输特性可以用BJT的be结电压与集电极电流的基本关系：

求出，也可以通过实验测出。

1)当时电路处于平衡状态，输出电压；

2）当时，电路处于差动放大状态，时，增大，减小，增大；时，减小，增大，也增大，但相位相反。由此得到上图所示差分放大器的电压传输特性曲线。2/3/2023415.3.4.4单端输入的差分放大电路

若信号仅加在一个输入端，另一个输入端接地，即所谓的单端输入。

单端输入可以看作是比较输入的一个特例，即由式（5-22）

2/3/202342共模信号与差模信号共同产生的输出为与双端输入的情况一样。双端输出时

输出仅由差模信号引起单端输出时可见，单端输入可以看作是双端输入，差模信号仍然相同，只是输入的共模信号不同而已。

单端输入和双端输入时的差模放大倍数、差模输入电阻完全相同；单端输出的放大倍数和输出电阻均为双端输出时的一半。【例5-1】链接2/3/2023435.3.5带恒流源的差分放大电路

2/3/202344恒流源选择Rb1和Rb2使IBQ3恒定，则IC3恒定。2/3/202345（5-23）（5-24）（5-25）2/3/202346【例5-2】链接2/3/2023475.4集成运放的组成原理和主要技术参数

5.4.1集成运算放大器的组成

5.4.1.1集成运算放大器的原理框图

2/3/2023485.4.1集成运算放大器的组成输入级：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入级常采用复合三极管或场效应管，使输入电阻Ri

尽可能大。中间级：足够大的电压放大倍数。输出级：输出级采用互补对称式射极跟随器，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。偏置电路：为运算放大器中各放大器提供偏置电流。2/3/2023492/3/2023502/3/2023515.4.2集成运放的主要技术参数

1.开环差模电压放大倍数Aud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Aud为。2.共模抑制比KCMRR常用分贝作单位，一般100dB以上。理想运放的KCMRR为。3.差模输入电阻RidRid>1M,有的可达100M以上。理想运放的Rid为。4.输出电阻RoRo=几—几十。理想运放的Ro为0。5.无限大的带宽和转换速率

2/3/2023525.4.2集成运放的主要技术参数6．开环带宽（–3dB带宽）fH7．单位增益带宽fBWG8．建立时间Tset

0.1UomUomTset9．最大差模输入电压UIDM

10．最大共模输入电压UICM

11．最大输出电流IOM

12．输出电压峰——峰值Uopp2/3/2023535.4.2集成运放的主要技术参数直流参数1．输入失调电压UIO2．输入偏置电流IIB

3．输入失调电流IIO

4．失调电压和失调电流的温漂

UIOT、IIOT

2/3/202354集成运算放大器特性2/3/202355电压传输特性

2/3/202356理想运放模型的参数如下差模电压放大倍数：；差模输入电阻：；输出电阻为零：；共模抑制比：；转换速率：.5.4.3理想运放的分析方法

2/3/2023572/3/2023585.4.3理想运放的分析方法

2.虚断

（5-29）1.虚短

理想运算放大器的开环电压放大倍数，而输出电压是一个有限的数值，在深度负反馈时，运算放大器工作在线性区，（5-28）

2/3/2023595.5模拟信号的运算电路

5.5.1比例运算5.5.1.1反相比例运算电路

根据运放工作在线性区的虚断、虚短即式(5-28)、(5-29)有则输出电压

电压放大倍数

（5-30）2/3/2023605.5.1.2同相比例运算电路

根据运放工作在线性区的虚断、虚短即式(5-28)、(5-29)有输出电压为

（5-32）2/3/202361电压跟随器图5-292/3/202362如果同相端接上分压电阻，如图5-30所示，则有由于同相比例电路不存在“虚地”，运放承受的共模输入电压比较大，要求运放有较高的共模抑制比。【例5-4】链接2/3/2023635.5.2加法运算电路

5.5.2.1反相加法运算电路

由KCL其中2/3/202364由以上各式得（5-35）当时，

（5-36）平衡电阻2/3/2023655.5.2.2同相加法运算电路

由式(5-28)、(5-29)有由节点法，有若令

2/3/202366则

(5-37)上式和式（5-37）形式上相似，能够实现多个输入信号的同相比例求和运算。2/3/2023675.5.3减法运算电路

如果两个输入端都有信号，则为差动输入。电路如图5-35所示。由于运算放大器工作在线性区，用迭加定律，求出其运算关系。单独作用时，这是一个反相比例运算电路单独作用时，这是一个同相比例运算电路

2/3/202368由虚断，有

故（5-38）当、时，其为一个比例减法运算电路

（5-39）若取，则为一个减法电路

（5-40）【例5-5】【例5-6】链接2/3/2023695.5.4积分运算电路

利用“虚地”概念，由图可知反馈电流2/3/202370输入电压输出电压t0t02/3/2023712/3/2023725.5.5微分运算电路

利用“虚地”概念，由图可知2/3/202373输入方波电压输出电压t0TUt0【例5-7】链接2/3/2023742/3/2023755.5.6模拟乘法器

一个理想的乘法器，输出电压正比于两个输入电压的乘积乘法器符号2/3/2023765.5.6.2模拟乘法器的应用

1.

平方运算电路

将乘法器的两个输入端合并作为一个输入信号，即为平方运算电路

（5-46）2.弦波倍频电路

当平方运算的输入信号为正弦信号

则输出为：

（5-47）2/3/2023773.除法运算电路

用乘法器组成的除法电路如图5-46所示。由图有

根据理想运算放大器的虚断、虚短概念（5-48）2/3/2023784.开平方运算电路

若将除法电路中的乘法器的两个输入端合并，再与运放输出端相连，如图5-41所示，就构成了负压开方运算电路。则（5-49）为负值时，运放输出为正，二极管导通，电路正常工作；当为正值时，运放输出为负，二极管截止，电路不工作。

2/3/2023795.5.7集成运算放大器接成交流放大器

双电源同相输入式交流放大电路

2/3/202380双电源反相输入式交流放大电路

2/3/202381单电源反相输入式交流放大电路

2/3/202382交流信号分配放大器

2/3/2023835.6有源滤波器

5.6.1滤波器的作用和分类

滤波器的分类a.根据处理的信号不同分为

数字滤波器模拟滤波器b.根据使用的滤波元件不同分为RC型LC型RLC型c.根据工作频率不同分为低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器2/3/202384功能:允许信号中某一部分频率的分量通过。通带:能够通过信号的频率范围。阻带:不能够通过信号的频率范围。截止频率:通带和阻带之间的分界频率。低通滤波器:低频信号能顺利通过而高频信号不能通过的滤波器

。高通滤波器:高频信号能顺利通过而低频信号不能通过的滤波器

。带通滤波器:只允许某一频段内的信号通过，而将这一频段之外的信号阻断

。带阻滤波器:在规定的某一频段内，信号被阻断，而在这频段外的信号，可以顺利通过

。2/3/202385理想滤波器的幅频特性高通带通通带fA0fA0通带通带通带Af0fA0通带带阻低通2/3/2023865.6.2有源低通滤波器(LPF)

由图5-47a有

2/3/202387其中(5-53)

(5-54)为滤波器的截止频率，为通带电压增益。

（5-52）时，幅频特性下降了3分贝，这时即为由通带转为阻带的截止频率。

2/3/202388通带过渡带阻带2/3/2023896.6.3有源高通滤波器(HPF)

(6-59)（6-60）2/3/2023902/3/2023916.6.3有源带通滤波器(BPF)

图2/3/202392电路及幅频特性如图6-49

(5-64)（5-65）幅频特性中心频率为

时

2/3/2023932/3/2023946.6.4有源带阻滤波器(BEF)

2/3/202395图5-65(a)所示为典型的双T带阻滤波器(5-66)（5-67）2/3/2023966.7电压比较器

电压比较器是对输入