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1、集成电路运算放大器本讲稿第一页，共五十五页第六章第六章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 6.1 6.1 集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源 6.2 6.2 差分式放大电路差分式放大电路 6.3 6.3 集成电路运算放大集成电路运算放大 6.4 6.4 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数 本讲稿第二页，共五十五页镜像电流源的结构镜像电流源的结构+UCCRT1RCT2结构特点：结构特点：T1和和T2是对管，是对管，即所有的特征参数即所有的特征参数均一致。均一致。本讲稿第三页，共五十五页镜像电流源镜像电流源+UCCRT1RCT2IREFIC1IC22
2、IB本讲稿第四页，共五十五页+UCCRT1T2IREFIC1IC2IB镜像电流源的改进镜像电流源的改进Re3T3 如果如果IB与与IC相比不相比不能忽略，怎么办？能忽略，怎么办？本讲稿第五页，共五十五页微电流源微电流源+UCCRT1T2IREFIC1IC22IBRcRe2本讲稿第六页，共五十五页多级放大电路的组成与耦合方式（多级放大电路的组成与耦合方式（1 1）理想放大器的条件：理想放大器的条件：AU=ri=ro=0riro本讲稿第七页，共五十五页多级放大电路的组成与耦合方式（多级放大电路的组成与耦合方式（2 2）因为任何一个单管放大电路都不可能同时满足上述要求，故必须利因为任何一个单管放大电
3、路都不可能同时满足上述要求，故必须利用用各单管电路的特点各单管电路的特点构成多级放大电路。构成多级放大电路。输输入入级级中中间间级级输输出出级级RLRS+-us+-uoui作用作用：获取信号：获取信号要求要求：ri大大电路电路：共集、：共集、MOS管管电路电路作用作用：电压放大：电压放大要求要求：AU大大电路电路：共射、共源：共射、共源电路电路作用作用：带负载能力强：带负载能力强要求要求：ro小小电路电路：共集、共漏、功率：共集、共漏、功率放大电路放大电路本讲稿第八页，共五十五页多级放大电路的组成与耦合方式（多级放大电路的组成与耦合方式（3 3）多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式阻容
4、耦合阻容耦合直接耦合直接耦合变压器耦合变压器耦合本讲稿第九页，共五十五页多级放大电路的组成与耦合方式（多级放大电路的组成与耦合方式（4 4）BCETRCC1u ui i+-C2uo+-+UCCRbu阻容耦合方式阻容耦合方式BCETRCC1u ui i+-C2uo+-+UCCRbu直接耦合方式直接耦合方式本讲稿第十页，共五十五页直接耦合电路的优点直接耦合电路的优点2 2）便于集成化。便于集成化。1 1）不存在耦合电容，可放大直流信号和变化缓慢的不存在耦合电容，可放大直流信号和变化缓慢的信号。信号。本讲稿第十一页，共五十五页BCT2RC2C3uo+-+UCCRb2BCET1RC1u ui i+-R
5、b1直接耦合电路的问题（直接耦合电路的问题（1）解决办法：解决办法：增加增加RE2，设置合适的设置合适的Q点。点。问题问题 1:前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。RE20.7V0.7V导致导致T T1 1管管饱和饱和本讲稿第十二页，共五十五页问题问题 2:零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui 等于零时，等于零时，uo不等于零。不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2RE2uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没直接耦合电路的问题（直接耦合电路的问题（2）本讲稿第十三页，共五十五页特点：特点：结构对称。结构对
6、称。基本型差动放大器的结构基本型差动放大器的结构ui1ui2RCR1T1RBuoRCR1T2RB本讲稿第十四页，共五十五页uo=UC1-UC2 =0uo=(UC1+uC1 )-(UC2+uC2)=0当当 ui1=ui2=0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2基本型差动放大器抑制零漂的原理基本型差动放大器抑制零漂的原理本讲稿第十五页，共五十五页+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：共模输入信号：ui1=ui2=uC（大小相等，极性相同）（大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：ui1=ui2 uC1=uC2
7、 uo=0 共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：（很小，（很小，1)设设uC1=UC1+uC1，uC2=UC2+uC2。因因ui1=-ui2,uC1=-uC2 uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2 uC1 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：+UCC差放的差模电压放大倍数差放的差模电压放大倍数A AVDVD本讲稿第十七页，共五十五页结论：结论：任意输入的信号任意输入的信号 ui1,ui2，都可分解成差模，都可分解成差模分量和共模分量。分量和共模分量。差模分量和共模分量差模分量和共模分量ui1=uic+0.5udui2=uic 0.5ud差模分量差模分量共模分量共模分量如果如果本讲稿第十八页
8、，共五十五页差模分量和共模分量举例差模分量和共模分量举例例例:ui1=50 mV,ui2=-50 mV求：求：uid ,uic，uo 例例:ui1=1050 mV,ui2=950 mV求：求：uid ,uic，uo Uo=10000Uid=100Uic=0Uo=10010Uid=100Uic=1000本讲稿第十九页，共五十五页例例:Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR=KCMRR(dB)=(分贝分贝)共模抑制比共模抑制比(CMRR)(CMRR)的定义的定义 试一试试一
9、试P P270270 6.2.2 6.2.2本讲稿第二十页，共五十五页为了使左右平衡，可为了使左右平衡，可设置调零电位器设置调零电位器:特点：特点：加入射极电阻加入射极电阻RE；加入负电源；加入负电源-UEE，采用，采用正负双电源供电。正负双电源供电。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE双电源长尾式差放双电源长尾式差放的结构（的结构（1）本讲稿第二十一页，共五十五页双电源的作用：双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供。提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE双电源长尾式差放双电
10、源长尾式差放的结构（的结构（2）本讲稿第二十二页，共五十五页温度温度TICIE =2ICUEUBEIBIC1.RE的作用的作用 设设ui1=ui2=0自动稳定自动稳定RE 具有强负反馈作用具有强负反馈作用 抑制温度抑制温度漂移，稳定静漂移，稳定静态工作点。态工作点。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE双电源长尾式差放双电源长尾式差放的的静态分析静态分析 本讲稿第二十三页，共五十五页2.Q点的计算点的计算直流通路直流通路uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEEIBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IB UC1=UC2=UCCICRC UE1=UE2
11、=IBRBUBE UCE1=UCE2=UC1UE1本讲稿第二十四页，共五十五页输入信号分类输入信号分类(1)差模差模(differential mode)输入输入ui1=-ui2=0.5ud(2)共模共模(common mode)输入输入ui1=ui2=uC差模电压差模电压放大倍数放大倍数:共模电压共模电压放大倍数放大倍数:双电源长尾式差放双电源长尾式差放的的动态分析动态分析本讲稿第二十五页，共五十五页均压器均压器+UCCRRuouiRCT1RBRCT2RBREUEE差模信号输入差模信号输入本讲稿第二十六页，共五十五页 ui1 ui2ib1,ic1ib2 ,ic2ic1 =-ic2iRE=ie
12、1+ie2=0uRE =0RE对差模信号对差模信号不起不起作用作用RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUEEib2ib1ic2ic1iRER RE E 对差模信号作用对差模信号作用本讲稿第二十七页，共五十五页T1单边微变单边微变等效电路等效电路uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E差模信号输入下的微变等效电路差模信号输入下的微变等效电路本讲稿第二十八页，共五十五页uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1单边差模：单边差模：单边差模信号输入下的放大倍数单边差模信号输入下
13、的放大倍数本讲稿第二十九页，共五十五页若差动电路带负载若差动电路带负载RL(接在接在 C1 与与 C2 之间之间),对于差模信对于差模信号而言，号而言，RL中点电位为中点电位为 0,所以放大倍数：所以放大倍数：即总的差动电压放大倍数为：即总的差动电压放大倍数为：双边差模双边差模双边差模信号输入下的放大倍数双边差模信号输入下的放大倍数本讲稿第三十页，共五十五页ro=2RC ri ri ro输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：RRuoui1+UCCRCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E差模信号输入下的输入输出电阻差模信号输入下的输入输出电阻本讲稿第三十一页，共
14、五十五页共模信号输入共模信号输入+UCCuocRCT1RBRCT2RBREUEEui uoc2本讲稿第三十二页，共五十五页 ui1 ui2ib1,ic1ib2 ,ic2ic1 =ic2RE对对共共模信号模信号起抑制起抑制作用作用R RE E 对对共共模信号作用模信号作用iRE、uRE +UCCuocRCT1RBRCT2RBREUEEuC uoc2 uoc1ic1 ic2iREuRE本讲稿第三十三页，共五十五页uocRCT1RBRCT2RB2REuc1 uoc2 uoc1ic1 ic2uc22RE共模信号输入下的微变等效电路共模信号输入下的微变等效电路RCRB2REic1uc1uc2ib1 ib
15、1ie1rbe1T1单边微变等单边微变等效电路效电路本讲稿第三十四页，共五十五页单边：单边：RCRB2REic1uc1uc2ib1 ib1ie1rbe1单边共模信号输入下的放大倍数单边共模信号输入下的放大倍数本讲稿第三十五页，共五十五页KCMRR AC 0问题：问题：负载影响共模放大倍数吗？负载影响共模放大倍数吗？不影响！不影响！双边：双边：双边共模信号输入下的放大倍数双边共模信号输入下的放大倍数本讲稿第三十六页，共五十五页ro=2RC输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：ri ri roRRuoui1+UCCRCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E2RE2R
16、E共模信号输入下的输入输出电阻共模信号输入下的输入输出电阻本讲稿第三十七页，共五十五页双电源长尾式差放双电源长尾式差放的改进的改进理想电流源理想电流源本讲稿第三十八页，共五十五页双电源恒流源式差放的结构双电源恒流源式差放的结构ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE本讲稿第三十九页，共五十五页1.恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流
17、源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。抑制比是无穷。恒流源式差放电路的优点恒流源式差放电路的优点本讲稿第四十页，共五十五页差放电路的几种接法差放电路的几种接法输出端输出端 接法接法双端双端单端单端ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE双端双端单端单端输入端输入端 接法接法本讲稿第四十一页，共五十五页差放电路几种接法的性能比较差放电路几种接法的性能比较1.双端输入双端输出的性能指标等于单端输入双端输出的性能指标。看一看看一看P P238238 表表6.2.16.2.12.双端输入单端输出的性能指标等于单端输入
18、单端输出的性能指标。3.差模放大倍数单端输出是双端输出的一半。试一试试一试P P270270 6.2.3 6.2.3本讲稿第四十二页，共五十五页集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；集成电路运算放大器集成电路运算放大器本讲稿第四十三页，共五十五页1.电路元件制作在
19、一个芯片上，元件参数偏差方向一电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、大电结的结电容构成、大电容要外接。容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。集成电路构造的特点集成电路构造的特点本讲稿第四十四页，共五十五页UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端
20、输入端T3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相集成电路运算放大器的原理框图集成电路运算放大器的原理框图本讲稿第四十五页，共五十五页（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。大，提高带负载的能力。集成电路运算放
21、大器的结构集成电路运算放大器的结构本讲稿第四十六页，共五十五页对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高 KCMRR ,输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的主要提高带负载能力，给出足够的输出电流输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成电路运算放大器各级的要求集成电路运算放大器各级的要求本讲稿第四十七页，共五十五页R2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4IC=IC1+
22、IC2 =1 IB+2(1+1)IB =1+2(1+1)IB为减小为减小IB，提高输入电阻，提高输入电阻，T1、T2采用复合管采用复合管 =IC/IB =1+2(1+1)1 2 ICIBIE 1 2 IC1IC2IB2本讲稿第四十八页，共五十五页-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器+极极性性判判断断集成运放内部结构举例集成运放内部结构举例本讲稿第四十九页，共五十五页 ri 大
23、大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大:104 107理想运放：理想运放：ri KCMMRR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uoAo国际符号国际符号国内符号国内符号集成运放的特点与符号集成运放的特点与符号本讲稿第五十页，共五十五页一、开环差模电压放大倍数一、开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单
24、位，一般100dB以上。以上。集成运放的主要参数（集成运放的主要参数（1）本讲稿第五十一页，共五十五页三、差模输入电阻三、差模输入电阻ridri1M,有的可达有的可达100M 以上。以上。四、输出电阻四、输出电阻roro=几几-几十几十。集成运放的主要参数（集成运放的主要参数（2）五、最大共模输入电压五、最大共模输入电压UIcmax六、最大差模输入电压六、最大差模输入电压UIdmax本讲稿第五十二页，共五十五页七、七、-3dB带宽带宽fH运放是直流放大器，运放是直流放大器，也可放大低频信号，不也可放大低频信号，不适用于高频信号。适用于高频信号。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。还有其他
25、一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。不再一一介绍。看一看看一看P P257257 表表6.5.16.5.1集成运放的主要参数（集成运放的主要参数（3）本讲稿第五十三页，共五十五页掌握双端输入双端输出差动放大电路的静态工作点掌握双端输入双端输出差动放大电路的静态工作点和交流性能的计算。和交流性能的计算。了解电流源的工作原理及用途。了解电流源的工作原理及用途。了解运算放大器的内部结构、主要参数和应用。了解运算放大器的内部结构、主要参数和应用。本章基本要求熟悉差动放大电路四种不同接法的特点。熟悉差动放大电路四种不同接法的特点。熟悉差模信号、共模信号、共模抑制比的定义。熟悉差模信号、共模信号、共模抑制比的定义。熟悉零点漂移产生的原因，以及抑制的措施。熟悉零点漂移产生的原因，以及抑制的措施。本讲稿第五十四页，共五十五页电子技术电子技术 第六章 结 束模拟电路部分模拟电路部分本讲稿第五十五页，共五十五页