第六章集成运算放大电路

第六章集成运算放大电路1第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第六章集成运算放大电路主要内容：

§6-1．集成运算放大电路概述§6-2．集成运放中的电流源电路§6-3．差分放大电路§6-4．集成电路运算放大器

第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-1．集成运算放大电路概述集成电路：采用专门的制造工艺，将元、器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路

问世最早，应用最广泛。最初多用于各种模拟信号的运算故称：集成运算放大电路，简称集成运放。第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-1．集成运算放大电路概述一、集成运放的电路结构特点1.直接耦合（硅片上不能做大电容）2.差动放大作输入级（克服温漂）3.采用电流源（偏置—提供稳定的电流；有源负载代替大电阻）4.采用复合管（不同类型管性能差异大）第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-1．集成运算放大电路概述二、集成运放电路的组成及其作用各部分的作用：1.输入级：KCMR↑，Ri↑，IQ↓，一般采用差动放大。2.中间级：Au↑，多采用有源负载的共射复合管放大。3.输出级：UOM↑，RO↓，多采用互补对称输出电路。4.偏置电路：提供各级Q点，采用电流源电路。组成：第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-1．集成运算放大电路概述三、集成运放的电压传输特性符号：电压传输特性：第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-1．集成运算放大电路概述三、集成运放的电压传输特性线性区：Aod—差模开环放大倍数非线性区：第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路一、电流源电路的特点：

这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3、电流源电路一般都加有电流负反馈。4、电流源电路一般都利用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。

(一)电流源概述第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。二、电流源电路的用途：1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。4、电流源还可单独制成稳流电源使用。§6-2．集成运放中的电流源电路第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路一、基本电流源电路T1、T0特性完全相同由于：T1、T0基-射回路对称所以：IB1=IB0=IB→IC1=IC0=IC温度特性好(二)集成电路电流源1.镜像电流源第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路问题：若IC1↓→R↑温度补偿作用：温度↑→IC1↑IC1↓ICO↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓1.镜像电流源第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路由电路：又：所以：得：得：在一定条件下2.比例电流源第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路由上电路因为Re0=0其中3.微电流源第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路二、改进型电流源电路Re2的作用：增大IE2，提高β。1.加射级输出器的电流源第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路工作点稳定，输出电阻大。二、改进型电流源电路2.威尔逊电流源第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-2．集成运放中的电流源电路三、多路电流源电路第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-3．差分放大电路6.3.1差动放大电路的工作原理6.3.2.差分放大电路的输入输出形式6.3.3具有恒流源差分放大电路第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五6.3.1差动放大电路的工作原理(DifferentialAmplifier)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；§6-3．差分放大电路第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、抑制零漂的工作原理

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“差分对管”，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。§6-3．差分放大电路第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3、信号的输入方式和电路的响应若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↑输出电压uO=uC1－

uC2≠0，而是出现了信号，记为Uod。定义：Ad=Uod/2UidUi1=Uid，Ui2=-Uid差模输入信号为Ui1－

Ui2=2

Uid差模输入方式（1）差模输入方式§6-3．差分放大电路第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。§6-3．差分放大电路第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五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=0，uo=0Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。定义：Ac=Uoc/Uic（2）共模输入方式共模输入方式下的差放电路§6-3．差分放大电路第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac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Ac《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Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。§6-3．差分放大电路第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（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”。任意输入方式§6-3．差分放大电路第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若则Uid=(Ui1-Ui2)/2例如：Ui1=10mVUi2=6mV则

Uid=2mV

Uic=8mV利用叠加原理得到：Uo=Ad·2Uid+AcUic=Ad（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”。§6-3．差分放大电路第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（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下图所示。§6-3．差分放大电路第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五6.3.2.差分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§6-3．差分放大电路第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1.双端输入双端输出(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）输出电阻§6-3．差分放大电路第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.双端输入单端输出这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数（2）差模输入电阻（3）输出电阻§6-3．差分放大电路第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五（4）共模电压放大倍数共模等效电路：§6-3．差分放大电路第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3.单端输入双端输出单端输入等效双端输入:因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值[(Rs+rbe)/(1+)]<<Re，故

对Ie分流极小，可忽略，于是有计算同双端输入双端输出：§6-3．差分放大电路vi1=－vi2=vi/2第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五4.单端输入单端输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。

计算同双入单出：§6-3．差分放大电路第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五(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：§6-3．差分放大电路第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五(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是基本放大电路的两倍。

单端输出时，

双端输出时，(4)输出电阻§6-3．差分放大电路第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五(5)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：§6-3．差分放大电路第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五6.3.3具有恒流源差分放大电路1、电路的组成和工作原理KCMR=Ad/Ac从以上两式看出要减小Ac，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AC却很小，KCMR很大？§6-3．差分放大电路第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2、电流源电路减少共模放大倍数的思路：增大REE用恒流源代替REE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REE+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RC–VEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0§6-3．差分放大电路第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五3.具有电流源的差分放大电路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREFIC4R1简化画法§6-3．差分放大电路第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五V3、V4构成比例电流源电路能调零的差分电路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0RP§6-3．差分放大电路第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五例:(1)

=100,求静态工作点；(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)求“Q”ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2k100§6-3．差分放大电路第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五ICQ1=ICQ2=0.5I0UCQ1=UCQ2=6–0.427.5=2.85(V)(2)求Aud，Rid，RoRo=2RC=15(k)§6-3．差分放大电路第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五§6-4．集成电路运算放大器6.4.1集成运放基本知识6.4.2通用型集成运算放大器的组成及基本特性第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五6.4.1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：采用差分电路形式，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。§6-4．集成电路运算放大器第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.组成方框图输入级：差分电路，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：镜像电流源，微电流源。输入级偏置电路中间级输出级+uouid§6-4．集成电路运算放大器第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期五输入级中间级输出级输入级V1、V3和V2、V43.通用型集成运算放大器741简化电路§6-4．集成电路运算放大器第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期五共集-共基组合差分电路V5、V6有源负载构成双端变单端电路中间级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。§6-4．集成电路运算放大器第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期五二、集成运算放大器电路符号及理想化条件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)§6-4．集成电路运算放大器第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期五等效电路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)§6-4．集成电路运算放大器第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期五1)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OuiduoUomax–Uomax理想线性区实际3.理想运放工作在线性区的两个特点1)u+

u–(虚短)证：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–u–=uo/Aud02)i+

i–0(虚断)证：i+=uid/Rid0同理i–0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–§6-4．集成电路运算放大器第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期五4.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)i+

i–0(虚断)§6-4．集成电路运算放大器第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期五6.4.2通用型集成运算放大器的组成及基本特性一、集成电路器件命名及主要性能指标1.国标GB-3430-82对集成电路的规定§6-4．集成电路运算放大器第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期五第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符号国标字母器件类型数字品种字母工作条件字母封装符号意义符号意义符号意义符号意义C中国制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS线性放大音响电视稳压器接口电路非线性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封闭扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金属菱形金属圆形§6-4．集成电路运算放大器第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期五2.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，