模拟与数字电子电路基础：第6章 集成运算放大电路基础

1模拟与数字电子电路基础

26.1集成运放的基本组成6.2集成运放中的偏置电路6.3差动放大电路6.4功率放大电路6.5集成运算放大电路第6章集成运算放大电路基础36.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础

集成电路（IntegratedCircuit，IC）是采用半导体制造工艺将一个含有二极管、三极管、电阻和电容等元件以及它们之间的连线集成在一块半导体芯片上，构成一个具有特定功能的完整电路。与分立元件组成的电路比较，他具有元件集成度高，体积小，重量轻，耗电省，成本低，可靠性高等优点。46.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路分类模拟集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/DD/A等。56.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础

集成运放的内部电路实质上是一个高放大倍数多级直接耦合放大电路。通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。66.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。76.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。86.1集成运放的基本组成第6章集成运算放大电路基础一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。96.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础

集成运放常用的恒流源有：镜像电流源和微电流源。偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。106.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础实现恒流源的基本思想

IC恒定

IB恒定

VBE恒定116.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础实现恒流源的基本思想负载为RC，缺点：1.受电源波动影响大；

2.电阻过多126.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础VT1，VT2具有相同的输出输入特性，参数一致+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC1IREF2IBIB2IB16.2.1镜像电流源由电路对称当满足

2时，IC2作为提供给某个放大器的偏置电流。136.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC2IREF2IBIB2IB16.2.1镜像电流源温度补偿特性：

VBE

T

IC

IB

IC

IREF

IB

146.2集成运放的偏置电路第6章集成运算放大电路基础VT1，VT2具有相同的输出输入特性，参数一致6.2.2微电流源+UCCRVT1VT2IC2IC1IREFR2156.2集成运放的偏置电路6.2.3电流源作有源负载共射电路的电压增益为：

对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为比用电阻Rc作负载时提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源166.3差动（分）放大电路1.直接耦合放大电路的零点漂移问题

直接耦合放大电路

零点漂移问题可以放大直流信号零漂：输入短路时，输出 仍有缓慢变化的电压产生。主要原因：温度变化引起，也称温漂。温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一没有电容、变压器176.3差动（分）放大电路A1vivo103A2vivo105答：两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？增加了Re电压增益输出漂移电压均为200mV输出漂移电压均为200mV输入端漂移电压为0.2mV输入端漂移电压为0.002mVA1不可以，A2可以18例如若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。

若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设

第一级是关键！

减小零漂的措施

用非线性元件进行温度补偿

调制解调方式。如“斩波稳零放大器”

采用差分式放大电路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV196.3差动（分）放大电路差分的基本概念+-vi1+-vi2-+

差分功能：实现2个信号相减同相输入端反相输入端+-vo两个输入端任何共有信号因为相减而抵消，不影响输出电压206.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路大小相等，方向也相同另外：Re相当于2Re

iE

=2

iE1=2

iE2216.3差动（分）放大电路

差模与共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模信号共模信号差分的基本概念226.3差动（分）放大电路

差模与共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模信号共模信号差分的基本概念任何输入信号都可以分解为共模输入信号和差模输入信号分量23

谢谢各位ThankYou246.3差动（分）放大电路

差模与共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模电压放大倍数共模电压放大倍数

分析：叠加定理差分的基本概念256.3差动（分）放大电路

差模与共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模电压放大倍数共模电压放大倍数共模抑制比反映抑制零漂能力差分的基本概念总输出电压266.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路276.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路注意：静态分析电路对称T放大的条件：Je正偏、Jc反偏vi1=vi2=0（静态）

Je正偏

T放大

Jc反偏vo

=VC1-

VC2=0

实现：0输入

0输出286.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路动态分析——

输入差模信号大小相等，方向相反另外：Re相当于短路

iE

=0296.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路动态分析——

输入共模信号大小相等，方向也相同另外：Re相当于2Re

iE

=2

iE1=2

iE2306.3差动（分）放大电路6.3.1长尾式差动（分）放大电路动态分析思路（1）小信号等效电路法（2）运用叠加原理（3）利用对称特点， 转化为单边电路求解。（4）四种接法a.双端输入、双端输出b.双端输入、单端输出c.单端输入、双端输出d.单端输入、单端输出电阻Re和RL316.4功率放大电路

功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。例：

扩音系统执行机构功率放大电压放大信号提取326.4功率放大电路6.4.1功率放大电路的特点最大输出功率Pom1.主要技术指标转换效率

功放提供给负载的交流信号功率称为输出功率。Po＝IoUoIo,Uo

----交流信号有效值PV----电源提供的直流功率不失真的前提下越大越好。336.4功率放大电路6.4.2甲类功率放大电路直流负载线交流负载线ICMUOMUCEQICQQ点置于负载线中部晶体管在信号的整个周期内均导通，称为甲类放大。VCCQicUCES346.4功率放大电路(1)电路的结构特点io双电源供电。输出端不加隔直电容。6.4.3乙类双电源互补对称功放电路

（OCLOutputCapacitorLess电路）基极输入射极输出

负载

NPN型PNP型RLui-VCC+VCCT1T2uo35ic1ic2动态分析：ui

0VT1截止，T2导通ui>0VT1导通，T2截止iL=ic1

;ui-VCCT1T2uo+VCCRLioiL=ic2因此，不需要隔直电容。静态分析：ui=0V

T1、T2均不工作

uo=0V(2)工作原理（设ui为正弦波）6.4.3乙类双电源互补对称功放电路

（OCLOutputCapacitorLess电路）36（1）效率较高（2）静态电流

ICQ、IBQ等于零；（3）每管导通时间等于半个周期；（4）存在交越失真。

乙类放大的特点：6.4.3乙类双电源互补对称功放电路

（OCLOutputCapacitorLess电路）37乙类放大的输入输出波形关系:死区电压uiuou"ou´o

´tttt交越失真：输入信号ui在过零前后，因三极管存在开启电压而形成输出信号的非线性失真便为交越失真。交越失真+VCC-VCCuiiLRLT1T2AOCL电路386.4.4甲乙类双电源互补对称功放电路在于晶体管特性存在非线性，ui

<uon时晶体管截止。iBiBuBEtuitUon交越失真产生的原因396.4.4甲乙类双电源互补对称功放电路R1D1D2R2+VCC-VCCULuiiLRLT1T2UB1、B2=UD1+UD2

T1、T2处于微弱导通状态。双电源互补对称电路用二极管给三极管提供偏置消除交越失真①静态时②动态时负半周:T1截止，T2

良好导通正半周:

T2截止，T1良好导通406.4.4甲乙类双电源互补对称功放电路uB1tUontiBIBQ甲乙类放大的波形关系：ICQiCuBEiBib特点：存在较小的静态电流ICQ、IBQ。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。

iCQuceVCC/RLVCCIBQ两管导通时间均大于半个周期小于一个周期，这种工作方式称为“甲乙类放大”。416.4.5复合管增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。

1

2复合NPN型426.4.5复合管晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。复合NPN型复合PNP型复合NPN型复合PNP型436.5集成运算放大电路＋－u-－u+uo集成运算放大器符号国际符号：国内符号：集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小反相输入端同相输入端输出端446.5集成运算放大电路6.5.1集成运算放大电路内部的组成

１.原理电路：输入级中间级输出级45通用型集成运放F007AB输入级中间级偏置输出级46通用型集成运放F007AB输入级T1、T2和T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。

T3

和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。47通用型集成运放F007AB偏置T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：

其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。48通用型集成运放F007AB中间级T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。49通用型集成运放F007AB输出级T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22管和R10保护T20管在负向电流过大时不致烧坏。506.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

1.开环差模电压放大倍数

Aod

：无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

2.输入失调电压UIO

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。516.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

3.输入失调电压温漂

dUIO/dT

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

4.输入偏置电流IIB

：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。526.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

5.输入失调电流

IIO

：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

6.输入失调电流温漂dIIO/DT:

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。536.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

7.最大差模输入电压Uidmax

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。8.最大共模输入电压Vicmax

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。546.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

9.差模输入电阻rid

：双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。556.5集成运算放大电路6.5.2集成运算放大电路的主要参数

11.－3dB带宽

fH

：

运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH

。

12.转换速率SR(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

566.5集成运算放大电路6.5.3理想集成运算放大电路1理想运算放大器的主要技术指标

所谓理想运算放大器就是指集成运算放大器的各项技术指标理想化，这些指标主要有：Aud=∞Rid=∞Ro=0KCMR=∞带宽BW→∞

这些指标实际运算放大器是不可能达到的，但在实际分析运算放大器电路时，根据实际情况，采用理想化指标来分析，既可简化分析的过程，得到的结果与实际测量的结果之间误差不大，所以，在实际分析运算放大器电路，很多时候都把运算放大器当成理想运算放大器来分析。576.5集成运算放大电路6.5.3理想集成运算放大电路2理想运算放大器在线性时的特性

理想运算放大器在线性时的特性是指理想运算放大器工作在线性区时显现的一些特点，运算放大器工作在线性区是指其输出电压与两个输入端电压之间存在线性放大关系即Uo=Aud(U+-U-)

式中：Uo表示输出端电压；

U+表示同相端输入电压，即从该端输入信号，输出信号与输入信号相位相同；

U－反相输入电压，即从该端输入信号，输出信号与输入信号相位相反。

＋－u-－u+uo586.5集成运算放大电路6.5.3理想集成运算放大电路2理想运算放大器在线性时的特性

根据理想运算放大器的Aud→∞，Uo/(U+

－U-)=Aud，相对一定值的Uo，U+

－U-≈0。

即：U+=U－。这表明理想运算放大器两个输入端之间的电压近似为零，两端电位近似相等，这与电路中短路的情形类似，但由于在电路结构中，运算放大器两输入端并未真正短路，因此把这种情形称为“虚短”。

根据理想运算放大器的差模输入电阻rid→∞，因此，流入两输入端的电流I+=I－≈0。这如同电路被断开的情形，但又不是实际被断路，这种情形称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是理想运算放大器工作在线性区的两个重要特点。596.5集成运算放大电路6.5.3理想集成运算放大电路3理想运算放大器在非线性时的特性

理想运算放大器在非线性时的特性是指理想运算放大器工作在非线性区时的特性

作为一个放大器，当输入信号足够大时，运算放大器中的三极管将工作在饱和状态，这时输出电压不随输入电压变化图中实线部分是运算放大器非线性的特性，虚线部分是理想运算放大器非线性的特性。

当U+＞U－时，Uo=+Uom当U－＞U+时，Uo=-Uom)

Uom为输出电压的最大值。

606.5集成运算放大电路6.5.3理想集成运算放大电路3理想运算放大器在非线性时的特性在非线性区，输