数字电子技术基础简明教程第5章集成运算放大器课件

第五章集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点5.2集成运放的主要技术指标5.3集成运放的基本组成部分第一节集成放大电路的特点集成电路的发展集成电路的分类集成放大电路的主要特点一、集成电路的发展集成电路简称IC(IntegratedCircuit)，是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引线短、外部接线大为减少，提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。二、集成电路的分类1.按功能的不同可分为数字集成电路：输入量和输出量为高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路模拟集成电路：数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路2.按模拟集成电路的类型可分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数模和模数转换器以及锁相环等。

3.按构成有源器件的类型可分为双极型（三极管）和单极型（场效应管）。三、集成电路的特点参数精度不高，受温度影响较大，但对称性好。电阻值范围有一定局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，放大级之间通常采用直接耦合方式。一般情况下，PNP管只能做成横向的，β值较小（β

≤10）。第二节集成运放的主要技术指标集成运放的符号集成运放的技术指标二、集成运放的主要技术指标1.开环差模电压增益

Aod它的定义是Aod=20lgΔUo

ΔU--ΔU+Aod是指运放无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。2.输入失调电压

UIo3.输入失调电压温漂

αUIOdUIodT它的定义是αUIO=UIo的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIo的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。一般运放为每度10～20μV，高质量的低于每度0.5μV。

4.输入失调电流

IIO5.输入失调电流温漂

αIIO即IIO=IB1-IB2dIIodTαIIO的定义是αIIO=IIO的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百nA，高质量的低于1nA。代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。7.差模输入电阻

rid8.共模抑制比KCMR9.最大共模输入电压

UIcmΔUIdrid的定义是rid

=ΔIId集成运放输入端所能承受的最大共模电压。它的定义是KCMR

=

20lgAod

Acd用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。一般集成运放的rid为几MΩ。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。多数集成运放的KCMR在80dB以上，高质量的可达160dB。10.最大差模输入电压

UIdm11.-3dB带宽

fH12.单位增益带宽

BWG13.转换速率

SR集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。Aod下降3dB时的频率。一般集成运放的fH值较低，只有几赫至几千赫。Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/μs。描述集成运放对大幅度信号的适应能力。第三节集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级输出级IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置电路1.镜像电流源VCC-

UBE1RIC2≈IREF=VCC-

UBE1RIREF

IC12IBIc2

IREF-2IB当β>>2时IB2IB12IBVT1VT2RR1R2+VCCUBE1≈

UBE22.比例电流源UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2IE1R1

≈IE2R2IC2

≈R1R2IC1R1R2IREFIREFIc2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2IREFIB2IB1Ic12IBVT1VT2RRe+VCC3.微电流源UBE1

-

UBE2

=

IE2ReIc2UBE2UBE1+--+≈

IC2ReUBE

≈UTlnICISUBE1

–

UBE2≈UT(

lnIC1IS1IC2IS2–

ln)≈

IC2ReUTlnIC1IC2≈

IC2ReIE2Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF解：①由图可得②VT12与VT13组成镜像电流源，

VT10、VT11与R4组成微电流源。Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③不能简单认为Ic13

≈IREF。④

可认为Ic11

≈IREF。二、差分放大输入级+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大电路电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1）电路组成1、基本形式差分放大电路电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。抑制零点漂移的原理静态时，Ui1=Ui2=0，由于电路对称RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2ui＋UCCuoV1V2（1）电路组成温度上升，引起两边电流变化由于电路对称，零漂被抑制。（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压

uId

两个输入电压大小相等、极性相反。差模输入电压+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:[例5.3.2]

uI1=5mV,uI2=1mV则:

uId=4mVuIc=3mV（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比差模输入电压+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模电压放大倍数AdΔuo

=

Δuc1

–

Δuc2=2

Δuc112=

2·Au1ΔuiΔuc1

=-

Δuc2

=12Au1Δui牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。ΔuoΔui=

Au1Ad=共模放大倍数Ac

=ΔuoΔuic共模抑制比差模放大倍数共模放大倍数

KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模抑制比+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.长尾式差分放大电路

引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流(1)电路组成+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)静态分析IBQR

+UBEQ

+2IEQRe

=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)

ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB（3）动态分析Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe）Ro=2

Rc+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2RRL12RL12+-∆ui∆uc2∆uc1+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-∆uo=2∆uc1∆ui=∆uI1-

∆uI2

=2∆uI1[例5.3.3]在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。静态分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+

β)（

2Re+0.5

Rw)UCQ=VCC-ICQRcICQ

≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR

+UBEQ

+IEQ（

2Re

+0.5

Rw)

=VEE+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的长尾式差分放大电路RwRLuI1动态分析：+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-0.5RwAd=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe+（Rc//）12RLβRo=2

Rc∆uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie∆uc1=（Rc//）12RLβib（1+β）Rw2Rid=2[R+rbe+（1+β

）Rw2]+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2R交流通路RL12RL120.5Rw0.5Rw3.恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）电路组成+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLuI1I简化表示法恒流源式差分放大电路+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLuI1Rb2VT3(2)静态分析通常可从确定恒流三极管的电流开始。恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3URb1=Rb1Rb1+Rb2(VCC+VEE)ICQ3≈

IEQ3=ReURb1–UBEQ3ICQ1=

ICQ2≈12ICQ3βIBQ1=

IBQ2≈ICQ1UBQ1=

UBQ2=-IBQ1R

UCQ1=

UCQ2=VCC-

ICQ1RC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz[例5.3.4]估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad。UB1=

-IB1RIE3IC3IC1IC2UC1UC2IB1IB1解：静态工作点+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwuI1R1VT3VDz12IC3IC1=UC1=VCC-ICQRCβICQ1IB1

=Uz-UBE3ReIE3

=

Ad=-R+

rbe+βRc

（1+

β

）Rw2解：差模电压放大倍数+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻均相同4.差分放大电路的输入、输出接法（1）差分输入、双端输出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（2）差分输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo（3）单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（4）单端输入、单端输出抑制零漂能力较强,可使输入、输出电压反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-结论：1.双端输出时Ad

≈Au1Ro=

2

Rc理想情况下KCMR=

∞2.单端输出时Ad

=

Au112Ro=

RcKCMR不如双端输出时高，可选择从不同的三极管输出，使ui与uo反相或同相。单端输入时两个三极管仍基本工作在差分状态。Rid

≈

2（R+

rbe）三、中间级1.有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现差分与单端信号间的转换。IVT2RVT3VT1uiuo-+-++VCC放大管用三极管代替负载电阻RC

，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数2.复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。VT1VT2VT3

RVT4

uiuo-+-++VCCIREF根据基准电流IREF，即可确定放大管的工作电流。+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

Δic2