第6章新集成电路运算放大器

模拟集成电路原理第6

章6.2集成电路运算放大器小结6.1差动放大电路（1）直流信号：变化十分缓慢的信号。注意：不是直流电多级直接耦合的放大器的问题：

静态工作点互相影响引言（2）直接耦合放大电路中的零点漂移问题1）何谓零点漂移？将直接耦合放大电路的输入端短路，输出端有一固定的直流电压（静态电压零点），但实际上，它缺离开零点，出现忽大忽小，忽快忽慢的不规则摆动，这种现象称~2）产生零点漂移的原因3）零点漂移的严重性及其抑制方法电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。抑制零点漂移的方法：1）采用恒温措施，使晶体管工作温度稳定。需要恒温室，设备复杂，成本高。2）采用温度补偿法。就是在电路中用热敏元件或二极管（或晶体管的发射结）来与工作管的温度特性互相补偿。最有效的方法是设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移相互抵消。这就是“差动放大电路”的设计思想。3）采用直流负反馈稳定静态工作点。4）各级之间采用阻容耦合。6.1差动放大电路6.1.1差动放大电路的工作原理6.2.3具有恒流源差动放大电路6.1.2差动放大电路的输入输出形式6.2.1差动放大电路的工作原理(DifferentialAmplifier)一电路组成及抑制零漂的工作原理1、电路组成特点：a.两只完全相同的管子；b.两个输入端，两个输出端；c.元件参数对称；

原理：静态时，输入信号为零，即将输入端1和2短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ2≡0，因此消除了零点漂移。具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差动对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。二、信号的输入方式和电路的响应（1）差模输入方式:输入信号大小相等，相位相反，即Ui1=Uid/2，Ui2=-Uid/2差模输入信号为Ui1－

Ui2=

Uid差模输入方式若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：ui1↑→ib1↑→ic1↑→uc1↓ui2↓→ib2↓→ic2↓→uc2↑结论：差模电压放大倍数等于单管电路电压放大倍数。输出电压uO=uC1－

uC2≠0，而是出现了信号，记为Uod。定义：Aud=Uod/Uid（2）共模输入方式：输入信号大小相等，相位相同。即Ui1=Ui2=Uic在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。Ui1=Ui2=Uic时，Uoc1=Uoc2，Uoc=Uoc1-Uoc2=0。定义：Auc=Uoc/Uic共模输入方式下的差放电路Auc叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Auc为0，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般Auc<<1。既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用下，Uoc=0或Auc=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。（3）任意输入方式

输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+Uid/2Ui2=Uic+（-Uid）/2若则Uid=(Ui1-Ui2)任意输入方式例如：Ui1=10mVUi2=6mV则Uid=4mVUic=8mV利用叠加原理得到：Uo=AudUid+AucUic=Aud（Ui1-Ui2）结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号Ui1和Ui2的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。（4）存在的问题及改进的方案以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如图所示。可以想见，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。但，RE太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太大，管子的动态范围就会变小。为了保证一定的静态工作电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源供电，用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电后，输出电压的动态范围大多了。改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可以去掉。二射极耦合差动放大电路的静态分析静态工作点的计算：1、差模电压放大倍数三射极耦合差动放大电路的动态分析关键在于画出差模信号作用下，半电路的交流通路和微变等效电路。A、对差模信号，若一管的射极电流增大△i，则另一管的射极电流必然减小△i，因而流过射极电阻RE的总电流不变，即e点的电位恒定，相当于交流接地。B、负载RL中点电位为交流地电位。由此画出半电路的交流通路如图所示。2、共模电压放大倍数在理想情况下，共模电压放大倍数Auc=0。3、差模输入电阻Rid是由图①、②两个输入端看进去的动态电阻，

它是单管共射放大电路输入电阻的两倍。4、差模输出电阻Rod=2RC5、共模抑制比KCMR=︱Aud/Auc︱用分贝表示：KCMR=20lg︱Aud/Auc︱Aud越大越好，Auc越小越好，因此KCMR越大越好。实际差动放大电路的输出电压6、差动放大电路的电压传输特性差放双入双出电压传输特性6.1.2差动放大电路的输入输出形式

差动放大器共有四种输入输出方式:

1.双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）3.单端输入、双端输出（单入双出）4.单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：

差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模输入电阻、输出电阻(1)差模电压放大倍数

（2）共模电压放大倍数（3）差模输入电阻（4）差模输出电阻1.双端输入双端输出2.双端输入单端输出电路组成(1)差模电压放大倍数

（2）差模输入电阻（3）差模输出电阻（4）共模电压放大倍数共模交流通路：（5）共模抑制比KCMR=︱Aud1/Auc1︱

3.单端输入双端输出动态分析计算结果同双端输入双端输出4.单端输入单端输出

计算同双入单出注意放大倍数的正负号：

设从T1的基极输入信号，如果从C1输出，为负号；从C2输出为正号。6.1.3差动放大电路的调零增加调零电阻后四种接法下的性能分析比较(1)差模电压放大倍数

与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：

差动放大器动态参数计算总结

双端输出时：

单端输出时：

(2)共模电压放大倍数

与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：

双端输出时：

单端输出时：

(3)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是单管共射放大电路的两倍。

单端输出时，

双端输出时，

(4)输出电阻(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差动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：6.1.4具有恒流源差动放大电路1、问题的提出（以单管为例）KCMR=Aud/Auc从以上两式看出要减小Auc，提高共模抑制比，应增大RE，但RE不能太大，因为RE上的压降由VEE提供。在保持VT1、VT2两管的工作电流为一定值时，要加大RE，必须提高VEE，这是有困难的。能不能找到这样一种元器件，它的直流电阻很小，而它的交流电阻却很大，这样静态时不需要很大的VEE，动态时的AuC却很小，KCMR很大？2、电路的组成及工作原理减少共模放大倍数的思路：增大RE用恒流源代替RE特点：直流电阻为有限值动态电阻很大1.三极管电流源简化画法电流源代替差分电路中的RE+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RC–VEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI03.具有电流源的差动放大电路简化画法1、静态分析2、动态分析(1)求静态工作点；(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)求“Q”ICQ1=ICQ2=0.5IC3UCQ1=UCQ2=6–0.427.5-UEB=3.25(V)(2)求Aud，Rid，RodRo=2RC=15(k)6.2集成电路运算放大器6.2.1集成运放基本知识6.2.2通用型集成运算放大器的组成及基本特性6.2.1集成运放基本知识一、通用型集成运放(OperationalAmplifier)的组成1.模拟集成电路的特点1)直接耦合：采用差动电路形式，元件相对误差小；2)大电阻用恒流源代替，大电容外接；3)二极管用三极管代替(B、C极接在一起)；4)高增益、高输入电阻、低输出电阻。2.组成方框图输入级：差动电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：OCL电路，带负载能力强偏置电路：电流源，微电流源。输入级偏置电路中间级输出级+uouid输入级中间级输出级输入级V1、V3和V2、V4通用型集成运算放大器741简化电路共集（V1入B出E）-共基（V2入E出C）组合差动电路V5、V6有源负载中间级V7、V8复合管，共发射极具有高增益输出级甲乙类互补对称功率放大电路(OCL)V11V13采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为0.5VCC。F007的管脚图和简化图4.主要参数1)

输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压2)

输入偏置电流IIB几毫伏UO=0时，10nA1A3)

输入失调电流

IIOUO=0时，1nA0.1A4)开环电压增益Aud100140dB5)

差模输入电阻Rid输出电阻Ro几十千欧几兆欧几十欧几百欧6)共模抑制比

KCMR>80dB二、集成运算放大器的符号和基本特点1.运放的符号习惯用符号uid+VCC–VEE国家标准符号uouid+VCC–VEE8直流电源接法(VCC=VEE)等效电路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相端输入电压u-

—反相端输入电压uid—差模输入电压uid=u–

u+Aud—开环差模电压放大倍数

uo=Aud(u+–u)1)

Aud2.运放特性的理想化6)UIO0，IIO0理想运放：4)

KCMR5)BW2)

Rid3)Ro

0传输特性理想线性区OuiduoUomax–Uomax实际uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–4.理想运放工作在非线性区的两个特点1)u+>u–时，uo=Uomaxu+<u–时,

uo=–UOmax2)