西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第4章

1、4.1集成运放概述,集成电路 把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。,体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。,4 集成运算放大器,1. 集成电路的主要特点,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。,(2) 按集成度分,a. 小规模集成电路（SSI small scale integration circuit) 。,b. 中规模集成电路（MSI middle scale i

2、ntegration circuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。,集成度：一块芯片上包含的元器件在1001,000之间。,c. 大规模集成电路（LSI large scale integration circuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000100,000 之间。,d. 超大规模集成电路（VLSI very large scale Integration circuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。,e. 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

3、迅速 提高。,(c) 集成度大约每3年增加一倍。,(d) 出现了系统级芯片（SOCsystem on chip）。,(e) 集成电路逐步向集成系统（integrated system） 的方向发展。,(3) 按制造工艺分,a. 半导体集成电路,b. 薄膜集成电路,集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。,c. 厚膜集成电路,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。,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,线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。,线性集

4、成电路有：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。,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应用,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。,d. 信号测量。,(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。,(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。,

5、(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，103105倍。,(2) 输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,(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，难以制造电感和较 大容量的电容( C 2000pF ) 。,(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,4.1.2集成运放的典型结构,1. 典型结构,(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

6、扰及零漂的能力。,为各级电路提供稳定合适的偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。,(2) 输入级,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,3. 集成运算放大器的电路符号,4.2.1典型差分放大电路,4.2集成运放中的基本单元电路,1. 电路组成,(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. 信号既可以双端，也可以单端输出。,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,

7、(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,(b) 当温度增加 时,在双端输出的情况下，漂移为零。,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,2静态分析,直流通路,因为电路对称，所以,列输入回路方程,由此可得,因,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,差模输入时放大电路中的电流,由于,电阻RE上无交流电流，T1、T2发射极虚地。,交流通路,由于,故,1) 差模电压放大倍数,a. 双端输出,b. 单端输出,(a) 输出uO1,(b) 输出uO2,c. RL时,(

8、a) 双端输出,负载电阻RL的中点虚地,由于,等效电路,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”。,(b) 单端输出,从T1的集电极输出,输出与输入反相,从T2的集电极输出,输出与输入同相,2) 差模输入电阻,a. 单端输出时,求Ro的等效电路,3) 输出电阻Ro,b. 双端输出时,求Ro的等效电路,(2) 小信号共模特性,共模信号,记为,当uIc1=uIc2时的输入信号,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,故,b. 单端输出,交流通路，,电压放大倍数,一般情况,一般情况中,故,差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共

9、模信号的能力越强。,综上所述,单端输出时,双端输出时,2) 共模抑制比,共模抑制比的定义,或者,a. 双端输出,b. 单端输出,因,3) 共模输入电阻,交流通路，,因为,故,4) 输出电阻,双端输出时,单端输出时,(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,令,那么,任意信号可以分解成差模和共模信号两种性质的输入信号,任意输入信号分解示意图,uI10 ，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,(4) 大信号传输特性,线性区,截止、饱和区,截止、饱和区,传输特性,(a) 静态工作点IC、UC之值；,(

10、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。,例 电路如图所示。设T1、T2的特性一致，=50，UBE=0.7 V， uIc=1 V， uId =50 mV， 。试求：,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通路,直流通路,由图可得,由上两式得,因,则有,(b) 根据题意,(c) 当RL在C1对地之间时,经整理可得,(12V),(+12V),IC,UC,c1,c2,IE,IB,IRL,(d)差模输入电阻,共模输入电阻,输出电阻Ro,双端输出时,单端输出时,双端输出,单

11、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。,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。,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,晶体管恒流源工作原理,带恒流源的差分放大电路,恒流源,选择R1和R2使IBQ3恒定，

12、则IC3恒定。,IC3,1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 = UBE,4.2.3电流源电路,当2 时,所以 IB1= IB2 = IB,故,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,由于,故有,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,由,得,故有,例1 已知IR=0.73 mA，IC2=20 mA，求RE=?,例2 在例1中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在VCC=15 V时，欲获IC

13、2=20 mA, 求R=?,解 已知IC2=20 mA, 则,RVCC/IR=750 kW,IR=20 mA,4电流源作有源负载的差分放大电路,(1) 电路组成,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,电流镜,比例电流源,因为T5、T6 组成电流镜，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, iO= iC6 + iC2,= iC5 iC1,无共模信号输出,输出电流, 0,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,

14、用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻,以单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能。,结论,利用多个晶体管组成复合管，可以得到较大的电流放大系数 值。,4.2.4复合管电路,四种常见的复合管结构,常见的复合管结构,a. NPN管+NPN管,两个NPN型管可以复合成一个NPN型管,(a) 等效管,由图可知,(b) 复合管的电流放大系数,而,由于,故,复合管的电流放大系数,(c) 复合管的输入电阻rbe,因为,故 复合管的输入电阻,b. PNP管+PNP管,(a) 等效管,两个PNP型管可以复合成一个PNP型管,(b) 复合管的及rbe,c. NPN管+PNP管,(a) 等效管,一个NPN和一个PN

15、P型管可以复合成一个NPN型管,(b) 复合管的 及rbe,d. PNP管+NPN管,(a) 等效管,一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管,(b) 复合管的及rbe,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,3. 工作原理,(1) uI=0时,T1、T2截止,uO=0,(2) uI0时,T1导通、T2截止,uO uI,(3) uI0时,T1截止、 T2导通,uO uI,4. 输出动态范围,5. 电路存在的缺陷 交越失真,当输入电压小于发射结死区电压时，输出电压为零。,克

16、服交越失真的方法,给T1、T2的发射结加一定的直流偏置，使其工作在微导通状态。,克服交失真的互补电路,思 考 题,1. 差分放大电路中，单端输出与双端输出在性能上有 何区别？单端输入与双端输入在性能上有何区别？,3. 差分放大电路中为什么要用恒流源代替公共发射极 电阻RE?,2. 差分放大电路中，公共发射极电阻对共模信号有 什么影响？为什么？对差模信号有什么影响？为 什么？,4.3.1双极型通用运放简化电路,4.3通用集成运放,4.3.2CMOS运放,4.4.1交流参数,1开环差模电压增益Aud,2开环带宽（3dB带宽）fH,3单位增益带宽fBWG,4单位增益上升速率SR,4.4运放的主要参数

17、及简化低频等效电路,5建立时间Tset,6最大差模输入电压UIDM,7最大共模输入电压UICM,8最大输出电流IOM,9输出电压峰 峰值Uopp,1输入失调电压UIO,2输入偏置电流IIB,3输入失调电流IIO,4失调电压和失调电流的温漂 UIOT、IIOT,4.4.2直流参数,4.4.3简化低频等效电路,4.5.1 几种特殊用途的运放简介,4.5其它集成运放,1高精度运算放大器,2高输入阻抗运算放大器,3高速运算放大器,4低功耗运算放大器,5高压运算放大器,跨导型运算放大器的简化电路,4.5.2跨导运放,跨导运算放大器电路符号,电流模电路具有与闭环增益无关的近似恒定带宽,1电流模电路基础,(

18、1) 电流模电路的一般概念,4.5.3 电流模运放,电流模（电流型）电路: 以电流为参量传递信号,电压模（电压型）电路: 以电压为参量传递信号,(2) 跨导线性的基本概念,工作在放大区的双极型晶体管，当UBE100mV时,跨导,(3) 跨导线性回路原理,四个晶体三极管发射结构成的闭合回路，称为跨导线性回路，也称为跨导线性环。,任意偶数n个发射结,ISj与发射区面积Aj成正比,(4) 甲乙类推挽电流模电路,跨导线性回路,如各晶体管发射区面积相等,则有,由以上各式得,电路工作在甲类状态。,或,电路工作在乙类状态。,2电流模运算放大器,(1) 电流模运算放大器工作原理,(2) 电流模运算放大器的基本特性,思 考 题,通用型集成运放一般由几部分电路组成？每部分常采用哪种基本电路？通常对每一