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第六章 集成运算放大电路

第六章 集成运算放大电路. 掌握内容： 差分式放大电路的工作原理 理解内容： 集成电路运算放大器中的电流源 了解内容： 集成电路的特点； 集成电路运算放大器的参数 重 点： 差分式放大电路及其各项指标的计算 难 点： 四类差分式放大电路的性能分析 本章学时： 8. 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. §6-1 ．集成运算放大电路概述. 集成电路：

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第六章 集成运算放大电路

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  1. 第六章 集成运算放大电路 掌握内容：差分式放大电路的工作原理 理解内容：集成电路运算放大器中的电流源 了解内容：集成电路的特点； 集成电路运算放大器的参数 重 点：差分式放大电路及其各项指标的计算 难 点：四类差分式放大电路的性能分析 本章学时：8

  2. 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

  3. §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。

  4. §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）

  5. 组成： 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。 §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

  6. 电压传输特性： 符号： §6-1．集成运算放大电路概述 三、集成运放的电压传输特性

  7. 线性区： Aod—差模开环放大倍数 非线性区： §6-1．集成运算放大电路概述 三、集成运放的电压传输特性

  8. §6-2．集成运放中的电流源电路 (一)电 流 源 概 述 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。

  9. 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。 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。 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

  10. 1.镜像电流源 §6-2．集成运放中的电流源电路 (二)集成电路电流源 T1、T0特性完全相同 一、基本电流源电路 由于：T1、T0基-射回路对称 所以： IB1=IB0=IB → IC1=IC0=IC 温度特性好

  11. 1.镜像电流源 温度↑→IC1↑ IC1 ↓ ICO↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓ §6-2．集成运放中的电流源电路 温度补偿作用： 问题：若IC1↓→R↑

  12. 2.比例电流源 §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

  13. 3.微电流源 §6-2．集成运放中的电流源电路 由上电路 因为Re0=0 其中

  14. 1.加射级输出器的电流源 §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。

  15. 2.威尔逊电流源 §6-2．集成运放中的电流源电路 二、改进型电流源电路 工作点稳定，输出电阻大。

  16. §6-2．集成运放中的电流源电路 三、多路电流源电路

  17. §6-3．差分放大电路 6.3.2.差分放大电路的输入输出形式 6.3.1 差动放大电路的工作原理 6.3.3 具有恒流源差分放大电路

  18. 6.3.1 差动放大电路的工作原理 (Differential Amplifier) 1、电路组成 §6-3．差分放大电路 电路组成及抑制零漂的工作原理 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；

  19. §6-3．差分放大电路 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。

  20. Ui1=Uid，Ui2=Uid （1）差模输入方式 差模输入信号为Ui1 －Ui2=2Uid 差模输入方式 §6-3．差分放大电路 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/2Uid

  21. §6-3．差分放大电路 结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。

  22. （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 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=Uic ui1=ui2=0，uo=0 Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。 定义：Ac=Uoc/Uic

  23. §6-3．差分放大电路 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。

  24. 任意输入方式 §6-3．差分放大电路 （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”。

  25. §6-3．差分放大电路 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”。 若 Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2 Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2 则 Ui1=Uic+Uid Ui2=Uic+（-Uid） 利用叠加原理得到： Uo=Ad·2Uid+AcUic 则Uid=2mV Uic=8mV = Ad（ Ui1- Ui2 ） Ui1=10mV Ui2=6mV 例如：

  26. §6-3．差分放大电路 （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。

  27. §6-3．差分放大电路 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

  28. §6-3．差分放大电路 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

  29. §6-3．差分放大电路 2. 双端输入单端输出 (1)差模电压放大倍数 这种方式适用于将 差分信号转换为单端输出 的信号。 （2）差模输入电阻 （3）输出电阻

  30. §6-3．差分放大电路 （4）共模电压放大倍数 共模等效电路：

  31. §6-3．差分放大电路 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 Re 对 Ie 分流sss极小，可忽略，于是有 vi1 = －vi2 = vi /2 计算同双端输入双端输出：

  32. §6-3．差分放大电路 4. 单端输入单端输出 计算同双入单出： 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。

  33. §6-3．差分放大电路 (1)差模电压放大倍数 差动放大器动态参数计算总结 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： (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：

  34. 单端输出时， 双端输出时， §6-3．差分放大电路 (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。 (4)输出电阻

  35. §6-3．差分放大电路 (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：

  36. §6-3．差分放大电路 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？

  37. +VCC RC RC uod +VCC ui1 ui2 V2 V1 RL RB1 I0 I0 IC VEE RB2 +VCC RE RC RC uod ui1 ui2 R1 V2 V1 IC3 V3 R2 R3 –VEE §6-3．差分放大电路 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 1. 三极管电流源 特点： 直流电阻为有限值 动态电阻很大 简化画法 电流源 代替差 分电路 中的 REE

  38. +VCC +VCC RC RC RC RC uo uo ui2 ui1 简化 画法 V2 IREF V1 ui1 ui2 V2 IC3 V1 R1 I0 V3 IC4 V4 R2 R3 VEE VEE §6-3．差分放大电路 3.具有电流源的差分放大电路

  39. +VCC RC RC uo RP ui1 ui2 V2 V1 I0 VEE §6-3．差分放大电路 V3、V4构成比例电流源电路 能调零的 差分电路

  40. +VCC RC RC +6 V 7.5 k uo 7.5 k ui2 ui1 100  V2 V1 IREF IC3 6.2 k V3 V4 R2 R3 100  100  VEE 6 V §6-3．差分放大电路 例: (1) = 100,求静态工作点； (2)求电路的差模 Aud，Rid，Ro。 [解] (1) 求“Q”

  41. §6-3．差分放大电路 ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0 UCQ1 = UCQ2 = 6 – 0.42  7.5 = 2.85 (V) (2)求 Aud，Rid，Ro Ro = 2RC = 15 (k)

  42. §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

  43. §6-4．集成电路运算放大器 6.4.1 集成运放基本知识 一、通用型集成运放(Operational Amplifier)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。

  44. +  uid 输入级 中间级 输出级 uo 偏置电路 §6-4．集成电路运算放大器 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。 偏置电路： 镜像电流源，微电流源。 输出级： OCL 电路，带负载能力强

  45. 中间级 输入级 输出级 §6-4．集成电路运算放大器 3. 通用型集成运算放大器 741 简化电路 V1、V3 和 V2、V4 输入级

  46. §6-4．集成电路运算放大器 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 V7、V8 中间级 复合管，共发射极 具有高增益 输出级 V11  V13 甲乙类互补对称功率放大电路 (OCL) 采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为 0.5VCC。

  47. +VCC 8 uid +VCC uo –VEE uid –VEE 国家标准符号 习惯用符号 (VCC = VEE ) 直流电源接法 §6-4．集成电路运算放大器 二、集成运算放大器电路符号及理想化条件 1. 运放的符号

  48. 等效电路 i– Ro uo uo Rid uid Aud uid u– u+ i+ §6-4．集成电路运算放大器 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)

  49. i– Ro uo uo Rid uid Aud uid u– uo u+ Uomax i+ uid O –Uomax §6-4．集成电路运算放大器 2. 运放特性的理想化 传输特性 理想 线 性 区 实际 理想 运放： 3)Ro 0 1) Aud  2) Rid   6)UIO  0，IIO  0 4) KCMR   5)BW   3. 理想运放工作在线性区的两个特点 uo = Aud (u+ –u–) = Aud uid 证： 1) u+ u–(虚短) u+ –u–= uo/Aud  0 2) i+i– 0 (虚断) 证： i+ = uid / Rid  0 同理 i– 0

  50. §6-4．集成电路运算放大器 4. 理想运放工作在非线性区的两个特点 u+ < u –时, uo= –UOmax 1)u+ > u–时， uo = Uomax 2)i+ i– 0 (虚断)

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