第6章 集成運算放大電路

1、電子技術基礎（模擬部分）電子技術基礎（模擬部分）蘭州大學信息科學與工程學院蘭州大學信息科學與工程學院20132013集成電路運算放大器中的電流源1、鏡像電流源、鏡像電流源T0 和 T1 特性完全相同。，成鏡象關系。，CC0C1B0B1BE0BE1IIIIIVVRRIIIIIIII22CCCB10B0CRVVII， BECCRC1 則時2 若多路輸出鏡像電流源多路輸出鏡像電流源 若考慮到若考慮到不夠大或輸出路數很多，該如何處理？不夠大或輸出路數很多，該如何處理？若若不夠大或輸出路數很多：不夠大或輸出路數很多：作用？作用？2、比例式電流源（多路輸出）、比例式電流源（多路輸出）RCIRRI212RC

2、IRRI313要求提供很小的靜態(tài)要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電電流，又不能用大電阻時，采用微電流源阻時，采用微電流源微電流源微電流源eeRVRVVIIBEBEBEEC10113、電流源用作有源負載、電流源用作有源負載F007型集成電路運算放大器型集成電路運算放大器6.1.1 6.1.1 前后級前后級Q Q點相互影響點相互影響設兩個管子的特性參數相同，則Ub1=Ub2=0.7v Uc1=Uc2=EC-IcRc=Ec-RcIb= Ec-Rc(Ec-Ub)/Rb=6.3vuiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=501、 直接耦合后，由于Ub2不會有

3、很大的增加，迫使T1處于接近飽和的狀態(tài)。2、 直接耦合后，Rc1作為T2的扁流電阻，且由于Rc1Rb2使IB2大大增加，使T2處于深度飽和狀態(tài)。6.1 直接耦合放大器的特點直接耦合放大器的特點6.1.1 6.1.1 前后級前后級Q Q點相互影響點相互影響6.1 直接耦合放大器的特點直接耦合放大器的特點uiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=503、怎樣解決直流電位相互牽制的問題？（1）利用Re2提高T2的Ue，使T1，T2退出飽和狀態(tài)。 Re2優(yōu)點：元件少，結構簡單缺點：由于Re的作用使放大倍數降低。因為UcUb，當級數增多時，這一方面要求電源提供

4、更高的電壓，另一方面輸出端可能偏離所要求的直流電位。在接入信號源或負載時，由于信號源或負載電阻的分流作用也會影響放大電路的直流電位。 Re2的阻值應由T1的Uc1和T2的Ie2來決定，即Re2=（Uc1-Ube2）/Ie26.1.1 6.1.1 前后級前后級Q Q點相互影響點相互影響6.1 直接耦合放大器的特點直接耦合放大器的特點uiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=503、怎樣解決直流電位相互牽制的問題？（1）利用Re2提高T2的Ue，使T1，T2退出飽和狀態(tài)。 Re2（2）利用NPN型和PNP型管交替使用。 uiRb1Rb2Rc1Re1Rc2

5、uo-E+E（3）用硅穩(wěn)壓管耦合移動電位。 u0uiRb1Rc1Rb2+EC6.1.2 6.1.2 零點漂移零點漂移 6.1 直接耦合放大器的特點直接耦合放大器的特點1、什么是零點漂移在直流放大電路中，我們把輸入信號為零時，輸出電壓偏離其初始值的現象稱為零點漂移。 （1）直流放大器級數越多，放大倍數越大。輸出端漂移現象越嚴重。（2）第一級的零漂影響最大。 ui Au=20 U01=10mv Au=20 U02=210mv Au=20 U01=4.21v uot0有時會將信號淹沒6.1.2 6.1.2 零點漂移零點漂移 6.1 直接耦合放大器的特點直接耦合放大器的特點3、產生零漂的原因（1） 溫

6、度的變化最主要。（2） 電流電壓的波動。（3） 電路元件參數的變化。4、減少零漂的措施（1） 選用高質量的硅管，并用溫度補償電路。（2） 采用調制的方式。（3） 采用差分放大電路。2、怎樣衡量零點漂移的大小：折算到輸入端的等效漂移電壓放大器的電壓放大倍數輸出電壓的漂移值等效漂移電壓 6.2.1 基本電路基本電路 特點：特點：結構對稱。結構對稱。6.2 差動放大器差動放大器ui26.2.2 工作原理工作原理 1、 工作原理當ui=0時，ui1=ui2=0，一方面uo1=uo2=0，另一方面UC1=UC2，可見，在電路完全對稱的情況下，輸入信號為零時，輸出信號也為零。當uI0時，ui1uoRCR1

7、RsRCR1Rs+ECuiuo1uo2 ui1=-ui2， 則uo1=-uo2，同時UC1=UC2，則輸出信號uo=uo1-uo2=2uo1，即輸入信號不為零時，輸出信號也不為零。ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo16.2.2 工作原理工作原理 2、 放大倍數： 6.2 差動放大器差動放大器即這種電路的電壓放大倍數與單管放大器的電壓放大倍數相同。 2/LCLRRR iegLiegbLb2o1o1uhRR)hR(IRIUUAiegLuhRRA22iegLuioioiiooiouhRRAUUUUUUUUUUA11111212122總的電壓放大倍數：RL RL/26.2.2

8、 工作原理工作原理 3、 共模信號與差模信號共模( common mode)信號：uc 6.2 差動放大器差動放大器ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo1 由于電路完全對稱，當溫度變化時，兩管的零漂總是一樣的，這相當于在兩管的輸入端加了一個共模信號，uic1=uic2，則uoc=Auuic=Au(uic1-uic2)=0差分放大器可以完全抑制共模信號。差模(differential mode)信號：ud 兩信號的幅值相等，位相相反，頻率相同。4、 對零點漂移的抑制兩信號的幅值相等，位相相同，頻率相同。6.2.2 工作原理工作原理 5、 共模抑制比（Common - Mo

9、de Rejection Ratio) 6.2 差動放大器差動放大器ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo1 對理想的差動放大器：CMRR= 一般的差動放大器： CMRR=60dB（左右） 差分放大電路能有效地放大差模信號，而對共模信號有很強的抑制能力。這是它的主要優(yōu)點。差模放大倍數越大，共模放大倍數越小，即對共模信號的抑制能力越強，說明放大器的性能越好。 )dB(AAlg20AACMRRucuducud1、結構、結構為了使左右平衡，可設為了使左右平衡，可設置調零電位器置調零電位器: uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE6.2.3 典型電路分析典型電

10、路分析長尾電路長尾電路 6.2 差動放大器差動放大器2、 RE的作用的作用 設ui1 = ui2 = 0 抑制溫度漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。溫度溫度TICIE = 2ICUEUBEIBIC自動穩(wěn)定自動穩(wěn)定RE 具有強負反饋作用具有強負反饋作用1、結構、結構為了使左右平衡，可設為了使左右平衡，可設置調零電位器置調零電位器: uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE6.2.3 典型電路分析典型電路分析長尾電路長尾電路 6.2 差動放大器差動放大器2、 RE的作用的作用 兩管的集電極電壓的變化，也是大小相等，方向相反，當負載接在兩管的集電極之間時，負載兩端的輸出電壓是兩管集電極的電位差

11、，而不是相互抵消。 RE對差模信號沒有反饋作用。 ui1 ui2ib1 , ic1ib2 , ic2ic1 = - ic2iRE = ie1+ ie2 = 0uRE = 0RE對差模信號對差模信號不起不起作用作用3、Q點的計算點的計算IBIC1IC2IBIE6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEEuoWP/2+ECRCRsRCRs2REEe2REWP/2Q點： IC1IE1 IB1=IC1/1 UCE1=EC-IC1(RC1+2RE)-EeE1BEe1W21E1BEe1ER2UE1RsRR2UEIS11ER1IE

12、e-UBE1=IE1(WP/2+2RE)+IB1Rs = IE1(WP/2+2RE)+得：(1) 差模輸入差模輸入均壓器均壓器diiuuu211diiuuu212RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍數的計算放大倍數的計算 6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器RL/2WP/2RCRs)1 (WhR)2R/R(AP21iesLcud(1) 差模輸入差模輸入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍數的計算放大倍數的計算 6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器)1 (WhR)2R/R(AP21ie

13、sLcud110022iddiddudUUUUA雙)1 ()2/(21PiesLcWhRRR雙單udiddiddudAUUUUA2121100在雙端輸出時：在單端輸出時：(1) 差模輸入差模輸入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍數的計算放大倍數的計算 6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器)1 (WhR)2R/R(AP21iesLcud說明：差分電路的差模電壓放大倍數與對應的單管放大器相等。選擇較大的負載電阻和較高的管子，可以獲得較大的放大倍數。WP對差模信號有負反饋作用，故不能太大。單端輸出的Aud是雙端輸出的Aud的一半。(2) 共模

14、輸入共模輸入4、放大倍數的計算放大倍數的計算 6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEERW/22RERC2Rs說明：Auc在單端輸出的情況下與對應的單管放大器相等，但很小。在雙端輸出時，由于電路的對稱性，使Auc=0。因為零漂信號就是共模信號，故電路對零漂有抑制作用。 1ic1c0ucUUAecP21eiescR2R)1)(WR2(hRRuc1ic1ocicocucA21U2UUUA單在單端輸出時：(1) 差模輸入差模輸入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC5、輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電

15、阻 6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器RL/2WP/2RCRs)1 ( 2)1 (222112111piesbpiesbbiiiidWhRiWhRiIUIURcoRR2兩輸入端之間的電阻 (2) 共模輸入共模輸入6.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEERW/22RERC2Rs5、輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 每個輸入端對地的電阻 )2(12111PeiesiciCicWRhRIURcoRR26.2.3 典型電路分析典型電路分析6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRC

16、T1RsRCT2Rsui2REUEE6、四種接法、四種接法21212112BEBEBEBEeBETREBEUUUURUUEUUe即較大時，當的基極接地（1）雙端輸入，雙端輸出；（2）雙端輸入，單端輸出；（3）單端輸入，雙端輸出；雖是單端輸入，但由于Re的負反饋作用，其實際效果等效于雙端輸入。（4）單端輸入，單端輸出；6.2.4 差動放大器的改進差動放大器的改進 6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE1、采用恒流源的差動放大器、采用恒流源的差動放大器 已知Re對共模信號有反饋，對差模信號無反饋，故Re越大越好，但Re太大，必須電源電壓很高。 例如：

17、設IRe=1mA，當Re=10k時，Ee=10.7V； 當Re=100k時，Ee=100.7V。對晶體管的e極和c極之間，具有極高的等效阻抗而壓降不大。 IC(mA)UCE(v)QIC UCE )10(IUr6CCECE左右很大)10(IUR2CQCEQCE左右很小6.2.4 差動放大器的改進差動放大器的改進 6.2 差動放大器差動放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE1、采用恒流源的差動放大器、采用恒流源的差動放大器 電路結構電路結構:+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRs3e3212eC3e3B3e3E3E3CRER)RR(R)EE(REU

18、REUII由于T3的恒流作用，當為共模信號時，T1、T2的e極電位，將隨輸入信號變化而變化，但兩管的電流IC1、IC2卻幾乎不變，故UC1、UC2幾乎不變。R3是負反饋電阻，提高了恒流源IC3的穩(wěn)定性和進一步提高恒流源的交流輸出電阻。6.2.4 差動放大器的改進差動放大器的改進 6.2 差動放大器差動放大器2、采用共模負反饋的差動放大器、采用共模負反饋的差動放大器 電路結構電路結構:+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRsUA+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRsT IC1 IC2UAUBIE3IC3IC2IC16.3.1 集成電路及其分類集成電路

19、及其分類 1、小規(guī)模集成電路（0100個元件） 中規(guī)模集成電路（1001000個元件） 大規(guī)模集成電路（1000個元件以上） 超大規(guī)模集成電路（十萬個元件以上） 6.3 集成運算放大器集成運算放大器 2、模擬集成電路 數字集成電路3、集成運算放大器 集成功放 集成高頻放大器 集成中頻放大器 集成比較器集成電路集成電路: 將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點： 工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類： 6.3.2 運算放大器及其特點運算放大器及其特點 1、運算放大器是一個高增益的直接耦合放大器；2、運算放大器第一級總是采用

20、差分放大器，末級采用射極輸出器，因此，它至少有兩個輸入端、一個輸出端。 6.3 集成運算放大器集成運算放大器同相輸入端：uo與ui的位相相同。反相輸入端：uo與ui的位相相反。Aod：開環(huán)差模電壓放大倍數。ui反相輸入端同相輸入端Uo=AodUi u u+ uoAo國際符號國際符號國內符號國內符號Auduu+6.3.2 運算放大器及其特點運算放大器及其特點 3、運算放大器的等效電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器4、理想運算放大器的特性（1）差分輸入阻抗 Ri=（2）輸出阻抗 Ro=0（3）開環(huán)電壓放大倍數 Aod=ui反相輸入端同相輸入端AudUo=AodUi U-U+Roui Ri

21、AodUi uo（4）通頻帶寬 BW=（5）共模抑制比 CMRR= （6）特性不隨溫度變化6.3.2 運算放大器及其特點運算放大器及其特點 5、集成運算放大器的特點（1）同一芯片上的元件是同一工藝制造出來的，故具有同相偏差。元件參數偏差方向一致，溫度均一性好。（2）盡量采用三極管代替電阻、電容和二極管等元件。 盡量多用NPN型管，少用PNP管。6.3 集成運算放大器集成運算放大器6、集成運算放大器的方框圖 輸入級中間級輸出級偏置電路u-u+6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 1、差動輸入級（1）對輸入級的要求零點漂移要盡量小，輸入電阻要高，基極偏置電流要小，并

22、且有較高的增益。（2）采用普通差動放大器的輸入級優(yōu)點：結構簡單，容易對稱，有因而漂移較小。缺點：輸入阻抗低（50300k），電壓放大倍數不高（30100）。（3）采用共集共基差動放大器 6.3 集成運算放大器集成運算放大器6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 1、差動輸入級（3）采用共集共基差動放大器 6.3 集成運算放大器集成運算放大器 這種電路由兩級放大電路組成，第一級由較高的NPN型管T1、T2組成共集電極放大器，T3、T4為其負載，I0為本級集電極恒流源。IOu+u-T1T2T3T4IOuoRC1RC2-EC第二級由較低的橫向PNP管T3、T4接成差動放

23、大器，其負載電阻為Rc1、Rc2，I0為本級基極恒流源。6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 1、差動輸入級（3）采用共集共基差動放大器 6.3 集成運算放大器集成運算放大器特點：共集電極放大器的輸入阻抗高，電流增益大，而共基極放大器的輸出阻抗高，電壓增益大，故該電路兼有兩者的特點。IOu+u-T1T2T3T4IOuoRC1RC2-EC利用較高的NPN管補償了較低的PNP管，因此，這種電路不僅輸入阻抗高，電壓增益也大。允許較高的差模輸入電壓（30V），因為橫向的PNP管有很高的反向擊穿電壓。6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 1

24、、差動輸入級（4）采用復合管形成的差動放大電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器優(yōu)點：因=13=24，使IC在固定的情況下，IB可以大大減小，因而輸入電阻可以提高到兆歐級。缺點：兩組復合管很難做到對稱，因而漂移較大。 IOu+u-T1T2T3T4uoRCRC-Ee+EC6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 1、差動輸入級（5）采用超管構成的差動電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器超管的基區(qū)比一般管做的更薄，摻雜濃度更低，而e區(qū)的摻雜濃度更高，使這種管子在低電流的情況下的值高達10005000。超管T1、T2接成共射差動電路，輸出端接到由T3、T4組成的

25、共基極電路，RC1、RC2為T3、T4組成的復合管的集電極負載。 IOu+u-T1T2T3T4uoRCRC-Ee+ECT5T6IO為保護超管，增加了T5、T6組成的電路，使UCE1=-UBE3+UBE5+UBE60.7v以保證超管安全工作，不致損壞。 6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 2、中間級 主要功能：提供足夠大的電壓增益；有較高的輸入電阻；能夠提高較大的輸出電流；將輸入級的雙端輸出變?yōu)閱味溯敵?；實現電位移動。（1）有源負載共射放大電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器用有源元件代替放大器中的RC，可使放大倍數大大提高，而不需增加電源電壓。但應盡可能

26、地提高晶體管的輸出電阻和下一級的輸入電阻。 有源負載放大器允許電源電壓變動的范圍較寬。 uiuoRC+EC電阻負載IB2uoT1T2+ECui有源負載6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 2、中間級（2）雙端變單端電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器T1、T2組成差動電路，T3、T4為T1、T2的有源負載，當差模信號輸入時iC1（iC1）， iC2（-iC1），而IC1=IC3，又T3、T4的e結并聯，所以：IC4=IC3=IC1，因而輸出電流增量 i0=IC4-IC2= iC1 -(-iC1)=2IC1這就把差模電壓引起的T1，T2兩管集電極電流的增量全

27、部輸出給負載，并實現了雙端變單端。 u0I0uiT4T3T2T1+ECIC4IC2IC3IC1i0-Ee6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 2、中間級（3）電平移動電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器因為恒流源的交流電阻很大 rR，直流電阻較小，故：u2u1，U2=U1I0R +U2=U1I0RU1I0u1u2=u1R6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 2、中間級（3）電平移動電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器PNP管與NPN管搭配的移動電路 T2T1RC2RC1u0uiEe+ECRe2Re1T1：NPN管作放大

28、用。T2：橫向PNP管既有一定放大又作電平移動。對T1：UCUB，對T2：UC1時 I0IR=特點：IR選定后，I0隨之確定鏡像恒流源；I0受電源EC變化的影響較大；要得到較小的電流，就需要較大的電阻R，故此電路適用于工作電流I0較大的場合（毫安級）；/31IIR3C6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 4、偏置電路（2）比例電流源電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器T3IC3T2T3IREFIo=IC2+ECR2IBIB2IB1IE1IE2R1R23 . 2IIln3 . 2oRER則2E1ET11ES2ETS1ET11E22EIIlnURIIIlnUI

29、IlnURIRImv26/USmv26/USEBEBEeI) 1e (II由SETBEIIlnUU得由圖知：UBE1+IE1R1= UBE2+IE2R2 則：IE2R2= IE1R1+ UBE1UBE2即若兩管的足夠大，可認為：I0IE2，IE1IC1= IREFIB1IB2IREFoREFTREF212EoIIlnUIRRII得10II101oREF如果0REF2TIIlnRU可忽略REF21oIRRI 6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 4、偏置電路（3）微電流源電路 6.3 集成運算放大器集成運算放大器T3IC3T2T3IREFIo=IC2+ECR2IB

30、IB2IB1IERe)IIlnII(lnU2S2E1S1ETmv26/USmv26/USEBEBEeI) 1e (II由SETBEIIlnUU得由圖：UBE1= UBE2+IERe 則：IERe= UBE1UBE2 IS1IS2，IE1IC1 IR，IE2IC2I0oRTeoe2EIIlnURIRI得（當IR、Re確定時，可求出I0）上試為超越方程，可用圖解法或累式法求解。6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 4、偏置電路（4）多路輸出恒流源因電流源輸出的工作電流與基準電流IR的比值可通過改變Re來控制，這樣可以設置一個公共的基準電流，使各級電流源有不同的數值輸

31、出。6.3 集成運算放大器集成運算放大器+ECRIR=500A10A50A489.5AIC1 489.5A10.5AT1T25A0.1ARe1 10.2k0.5A1.2k4.9A6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運算放大器的基本單元電路 5、實際電路分析5G24(F007) 6.3 集成運算放大器集成運算放大器T1uiR11kD1D2u015v+15vT2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12T13T14T17T16T15T19T18RWR250kR539kR31kR43kR650R74.5kR87 . 5kR1050R925C+6.3.3 集成運算放大器的基本單元電路集成運

32、算放大器的基本單元電路 5、實際電路分析5G24(F007) 6.3 集成運算放大器集成運算放大器主要特點采用有源負載，使電壓放大倍數很高（十萬倍）；放大級數少（采用兩級放大），使相位校正十分簡便（用一只30PF的電容作校正元件，就能夠保證在各種情況下穩(wěn)定工作）；輸入阻抗高，共模抑制比高，有過載保護，功耗低；集成運算放大器：集成運算放大器： 741型集成運算放大器型集成運算放大器差分輸入級偏置電路差分輸入級偏置電路 放大級輸出級放大級輸出級中間中間信號流經路徑和各主要電路單元信號流經路徑和各主要電路單元集成運算放大器：集成運算放大器： 741型集成運算放大器型集成運算放大器集成運算放大器：集成運算放大器： 741型集成運算放大器型集成運算放大器741型集成運算放大器基本電路型集成運算放大器基本電路輸入差分放大器的輸出端鏡像恒流源偏置輸入差分放大器的輸出端鏡像恒流源偏置單端輸