西安交大模电第4章集成运算放大电路

2.集成电路的分类（1）按功能分a.模拟集成电路b.数字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。主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。当前第1页\共有115页\编于星期日\16点(2)按集成度分

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

b.中规模集成电路（MSI：middlescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在100~1000之间。c.大规模集成电路（LSI：largescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在1000~100000之间。当前第2页\共有115页\编于星期日\16点d.超大规模集成电路（VLSI：verylargescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在100000以上。d.目前的集成电路：(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。当前第3页\共有115页\编于星期日\16点(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。(c)集成电路仍在高速发展。集成度每2~4年增加一倍。(d)出现的系统级芯片（SOC—systemonchip）。(3)按制造工艺分a.半导体集成电路将元器件和电路集成在一块硅片上。当前第4页\共有115页\编于星期日\16点b.薄膜集成电路c.厚膜集成电路集成电路的元器件和电路由不到一微米厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。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。当前第5页\共有115页\编于星期日\16点3.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）非线性集成电路集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。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。当前第6页\共有115页\编于星期日\16点4.集成运算放大器概述(1)集成运算放大器简称集成运放。b.信号处理。(2)集成运算放大器的主要功能a.完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。c.波形产生。当前第7页\共有115页\编于星期日\16点(3)集成运放发展的三个阶段a.通用型集成运放的广泛使用。b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。当前第8页\共有115页\编于星期日\16点(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。5.集成运放的主要特点(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。当前第9页\共有115页\编于星期日\16点(1)相邻元器件的特性一致性好(2)用有源器件代替无源器件(3)二极管大多由三极管构成(4)只能制作小容量的电容，不能制造电感(5)电路采用直接耦合的方式。4.1.1 集成电路中元器件的特点当前第10页\共有115页\编于星期日\16点4.1.2 集成运算放大器的典型结构输入级输出级中间级偏置电路输入输出1.典型结构当前第11页\共有115页\编于星期日\16点（1）偏置电路2.各部分的作用具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。为各级电路提供直流偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。（2）输入级输入级输出级中间级偏置电路当前第12页\共有115页\编于星期日\16点为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。主要进行电压放大，具有很高的电压增益。(3)中间级(4)输出级输入级输出级中间级偏置电路当前第13页\共有115页\编于星期日\16点3.集成运算放大器的电路符号同相输入端反相输入端输出端–+当前第14页\共有115页\编于星期日\16点4.2.1 典型差分放大电路4.2 集成运算放大器中的基本单元电路1.电路的组成+-+-+-+--+当前第15页\共有115页\编于星期日\16点(1)电路特点a.电路两边对称。b.两管共用发射极电阻RE。c.具有两个信号输入端。d.信号可以双端或单端输出。+-+-+-+--+当前第16页\共有115页\编于星期日\16点两个输入端信号电压的差值是有用的，称之为差模输入信号，因而该电路称为差分放大电路。(2)信号的输入+-+-+-+--+当前第17页\共有115页\编于星期日\16点（3）抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)当温度T一定时(uI1=uI2=0)a.电路双端输出+-+-+-+--+当前第18页\共有115页\编于星期日\16点(b)当温度增加时在双端输出的情况下，漂移为零。+-+-+-+--+当前第19页\共有115页\编于星期日\16点b.单端输出时因射极电阻RE的负反馈作用可以抑制零点漂移+-+-+-+--+当前第20页\共有115页\编于星期日\16点2．静态分析直流通路+-+-+-+--+当前第21页\共有115页\编于星期日\16点因为电路对称，所以–+–+–+–+当前第22页\共有115页\编于星期日\16点列输入回路方程由此可得因–+–+–+–+当前第23页\共有115页\编于星期日\16点–+–+–+–+当前第24页\共有115页\编于星期日\16点3.动态分析(1)小信号差模特性差模信号：记为当时的输入信号+-+-+-+--+当前第25页\共有115页\编于星期日\16点差模输入时放大电路中的电流⊕当前第26页\共有115页\编于星期日\16点由于电阻RE上无交流电流T1、T2发射极虚地。⊕当前第27页\共有115页\编于星期日\16点交流通路⊕当前第28页\共有115页\编于星期日\16点由于故当前第29页\共有115页\编于星期日\16点1）差模电压放大倍数a.双端输出当前第30页\共有115页\编于星期日\16点b.单端输出(a)输出uO1当前第31页\共有115页\编于星期日\16点(b)输出uO2当前第32页\共有115页\编于星期日\16点c.RL时(a)双端输出负载电阻RL的中点虚地。由于当前第33页\共有115页\编于星期日\16点等效电路当前第34页\共有115页\编于星期日\16点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”。当前第35页\共有115页\编于星期日\16点(b)单端输出从T1的集电极输出输出与输入反相当前第36页\共有115页\编于星期日\16点从T2的集电极输出输出与输入同相当前第37页\共有115页\编于星期日\16点2)差模输入电阻当前第38页\共有115页\编于星期日\16点a.单端输出时求Ro的等效电路3)输出电阻Ro当前第39页\共有115页\编于星期日\16点b.双端输出时求Ro的等效电路当前第40页\共有115页\编于星期日\16点（2）小信号共模特性共模信号记为当uIc1=uIc2时的输入信号当前第41页\共有115页\编于星期日\16点1)共模电压放大倍数a.双端输出共模电压共模电压放大倍数由知故当前第42页\共有115页\编于星期日\16点b.单端输出交流通路，当前第43页\共有115页\编于星期日\16点电压放大倍数实际中当前第44页\共有115页\编于星期日\16点一般电路中故当前第45页\共有115页\编于星期日\16点差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。由讨论可知：单端输出时双端输出时当前第46页\共有115页\编于星期日\16点2)共模抑制比共模抑制比的定义或者a.双端输出当前第47页\共有115页\编于星期日\16点b.单端输出因当前第48页\共有115页\编于星期日\16点3)共模输入电阻交流通路，当前第49页\共有115页\编于星期日\16点因为故当前第50页\共有115页\编于星期日\16点4)共模输出电阻因为输出只与电路的结构有关，而与输入信号的性质（共模、差模）无关。所以输出电阻双端输出时单端输出时当前第51页\共有115页\编于星期日\16点（3）任意输入信号的分解既不是差模信号又不是共模信号的输入信号。任意信号：++12差分放大电路uI2_uI1_当前第52页\共有115页\编于星期日\16点令那么任意信号可以分解成差模和共模信号++12差分放大电路uI2_uI1_当前第53页\共有115页\编于星期日\16点差分放大电路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意输入的等效电路++12差分放大电路uI2_uI1_当前第54页\共有115页\编于星期日\16点uI1≠0，uI2=0特别的，对于单端输入即或uI1=0，uI2≠

0单端输入是一种特殊的双端输入形式+12差分放大电路uI_单端输入电路当前第55页\共有115页\编于星期日\16点)(2C1CuIdfii=、（4）大信号传输特性1-1线性区截止、饱和区截止、饱和区传输特性：0246-2-4-6.0.10.9ic1、ic2UTuId/0.70.50.3当前第56页\共有115页\编于星期日\16点例电路如图所示。设T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uId=50mV，uIc=1V，试求：

+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2（a）静态工作点IC、UC之值；（b）uO及KCMR之值；（c）若将RL接在C1对地之间，求UC、uO

及KCMR。（d）Rid、Ric和Ro之值。

当前第57页\共有115页\编于星期日\16点解:为了计算简单，设调零电位器RW的滑动端在电位器的中间。(a)画出放大电路的直流等效电路+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第58页\共有115页\编于星期日\16点直流等效电路(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第59页\共有115页\编于星期日\16点直流等效电路由图可得由上两式得因(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB当前第60页\共有115页\编于星期日\16点则有(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB当前第61页\共有115页\编于星期日\16点（b）根据题意+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第62页\共有115页\编于星期日\16点+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第63页\共有115页\编于星期日\16点(c)当RL在C1对地之间时经整理可得(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL当前第64页\共有115页\编于星期日\16点+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2当前第65页\共有115页\编于星期日\16点+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2当前第66页\共有115页\编于星期日\16点(d)差模输入电阻共模输入电阻+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第67页\共有115页\编于星期日\16点输出电阻Ro双端输出时

单端输出时

+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2当前第68页\共有115页\编于星期日\16点双端输出单端输出对于图示电路4.2.2 带恒流源的差分放大电路RE越大，KCMR越大，电路抑制共模信号的能力越强+-+-+-+--+当前第69页\共有115页\编于星期日\16点a.当VEE一定，IE减小，rbe增大，Aud减小。c.在集成电路中不易制作较大阻值的电阻。RE太大对电路的影响:b.为了维持IE不变，必须提高电源电压VEE。+-+-+-+--+当前第70页\共有115页\编于星期日\16点恒流源的主要特点：b.直流电阻较小。a.具有很大的交流等效电阻。恒流源通常采用恒流源来代替RE+-+-+-+--+当前第71页\共有115页\编于星期日\16点当iB恒定，则iC恒定，晶体管相当于一个电流源。

当晶体管工作在放大区时，iC基本上与uCE无关，只取决于iB。晶体管恒流源晶体管恒流源构成原理：–++–RCE1rce1uCEiC=当前第72页\共有115页\编于星期日\16点带恒流源的差分放大电路恒流源+-+-+-De+++---当前第73页\共有115页\编于星期日\16点选择R1和R2使IBQ3恒定，则IC3恒定。+-+-+-De+++---IC3当前第74页\共有115页\编于星期日\16点1．电流镜电路T1和T2特性相同（1）电路组成（2）电路特点（3）电路分析设由于UBE1=UBE2=UBE4.2.3 电流源电路–+–+当前第75页\共有115页\编于星期日\16点当β>>2时所以IB1=IB2=IB故–+–+当前第76页\共有115页\编于星期日\16点T1和T2特性相同（1）电路组成（2）电路特点（3）电路分析由图可知2．比例电流源电路–+–+当前第77页\共有115页\编于星期日\16点由于故有–+–+当前第78页\共有115页\编于星期日\16点3．微电流源电路T1和T2特性相同（1）电路组成（2）电路特点（3）电路分析由图可知–+–+当前第79页\共有115页\编于星期日\16点由得故有–+–+当前第80页\共有115页\编于星期日\16点例1已知IR=0.73mA,IC2=20mA,求RE=?解由得–+–+当前第81页\共有115页\编于星期日\16点例2上例中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在VCC=15V时，欲获IC2=20mA,求R=?解已知IC2=20mA,则RVCC/IR=750kWIR=20mA–+–+当前第82页\共有115页\编于星期日\16点+-+-4．电流源作有源负载的差动放大电路（1）电路组成当前第83页\共有115页\编于星期日\16点代替RE为T1、T2提供合适稳定的静态工作点代替RC称有源负载镜像电流源比例电流源+-+-当前第84页\共有115页\编于星期日\16点因为T5、T6组成镜象电流源，所以a.当ui1=ui2时（2）电路分析忽略T5、T6的基极电流。则有iC5

iC1

+-+-当前第85页\共有115页\编于星期日\16点iO=iC6

+

iC2=iC5

–

iC1无共模信号输出输出电流

0+-+-当前第86页\共有115页\编于星期日\16点b.当uI1=-uI2时输出电流iO=

iC6

+

iC2=

iC1

+

iC2=2

iC1负载上得到了双端输出的电流+-+-当前第87页\共有115页\编于星期日\16点用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能。结论：+-+-当前第88页\共有115页\编于星期日\16点a.采用电流源作有源负载。b.利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数值。集成运放获得高电压增益，通常采用的方法：4.2.4 复合管电路当前第89页\共有115页\编于星期日\16点常见的复合管结构a.NPN管+NPN管T1T2当前第90页\共有115页\编于星期日\16点等效管T两个NPN型管可以复合成一个NPN型管(a)等效管T1T2当前第91页\共有115页\编于星期日\16点由图可知(b)复合管的电流放大系数等效管TT1T2当前第92页\共有115页\编于星期日\16点而由于等效管TT1T2当前第93页\共有115页\编于星期日\16点复合管的电流放大系数故当前第94页\共有115页\编于星期日\16点微变等效电路T1T2(c)复合管的输入电阻rbeT1T2当前第95页\共有115页\编于星期日\16点因为故复合管的输入电阻T1T2当前第96页\共有115页\编于星期日\16点b.PNP管+PNP管T1T2当前第97页\共有115页\编于星期日\16点等效管(a)等效管两个PNP型管可以复合成一个PNP型管T1T2T当前第98页\共有115页\编于星期日\16点(b)复合管的及rbe等效管T1T2T当前第99页\共有115页\编于星期日\16点T1T2c.NPN管+PNP管当前第100页\共有115页\编于星期日\16点等效管T(a)等效管一个NPN和一个PNP型管可以复合成一个NPN型管T1T2当前第101页\共有115页\编于星期日\16点(b)复合管的及rbe等效管TT1T2当前第102页\共有115页\编于星期日\16点d.PNP管+NPN管T1T2当前第103页\共有115页\编于星期日\16点等效管T(a)等效管一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管T1T2当前第104页\共有115页\编于星期日\16点(b)复合管的及rbe等效管T1T2T当前第105页\共有115页\编于星期日\16点RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_4.2.5 互补推挽放大电路1.电路组成2.电路主要特点(2)输出电阻小(3)动态范围大(4)带载能力强(1)T1、T2参数相同当前第