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1、电子技术基础电子技术基础第六章第六章 模拟集成电路模拟集成电路模拟电路部分模拟电路部分 第六章第六章 集成运算放大器集成运算放大器6.1 集集成运算放大器中的电流源成运算放大器中的电流源6.2 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成运算放大器集成运算放大器(operational amplifier)6.4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数概述概述运算放大电路是一种将运算放大电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合的器件，紧密结合的器件，是一种高电压放大倍数的多级直接是一种高电压放大倍数的多级直接 耦合放大电路耦合放大电路，最初，最初多用于各种模拟信号运算，故称为运算放大器，简称多用于各
2、种模拟信号运算，故称为运算放大器，简称运放运放。集成运算放大电路的特点：集成运算放大电路的特点：l电路结构与元件参数具有对称性；电路结构与元件参数具有对称性；l用有源器件代替无源器件；用有源器件代替无源器件；l采用复合结构的电路；采用复合结构的电路；l极间采用直接耦合方式；极间采用直接耦合方式；首先讨论运放的基本电路：电流源和差分放大电路首先讨论运放的基本电路：电流源和差分放大电路6.1 集成运放中的电流源集成运放中的电流源为了加强电路的集成度，电路中的电阻不宜太多，所为了加强电路的集成度，电路中的电阻不宜太多，所以在集成电路中常用以下几种恒流源电路：以在集成电路中常用以下几种恒流源电路：1.
3、镜像电流源镜像电流源设设无无论论Rc2的的值值如如何何，IC2的的电电流流值将保持不变。值将保持不变。镜像电流源镜像电流源电路优点电路优点结构简单，并具有一定的温度补偿作用。结构简单，并具有一定的温度补偿作用。电路缺点电路缺点1.受受VCC影响大，当影响大，当VCC变化时，变化时，IC2几乎同样随之变，几乎同样随之变，不适应电源电压在大幅度变动下运行。不适应电源电压在大幅度变动下运行。2.要求小电流时，如微安级，要求要求小电流时，如微安级，要求R大；大；3.当当 值不够大时，值不够大时，IC2与与IR相差大。相差大。2.微电流源微电流源为了使为了使IC2为弱电流时，为弱电流时，R值仍值仍然不大
4、，我们可以在镜像电流然不大，我们可以在镜像电流电流源的基础上，引入一个电电流源的基础上，引入一个电阻阻RE到到T2的发射极如图所示。的发射极如图所示。微电流源微电流源由于由于很小，很小，所以所以IC2也很小也很小RE引入电流负反馈，也提高引入电流负反馈，也提高T2的集电极输出电阻，它更接近的集电极输出电阻，它更接近于理想的恒流源于理想的恒流源1 1、结构、结构特点：特点：结构对称。结构对称。6.2.1 差分式放大电路的一般结构差分式放大电路的一般结构所谓差分，意思就是两个输入信号之差。差分式放大所谓差分，意思就是两个输入信号之差。差分式放大电路是集成运放的主要组成单元。电路是集成运放的主要组成
5、单元。vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2REVEE差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念差模差模(difference-mode)信号信号共模信号共模信号差模电压增益差模电压增益共模电压增益共模电压增益差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出差分式放大电路结构示意图差分式放大电路结构示意图vi2线性放大线性放大线路线路vi1vo2 差摸信号和共模信号差摸信号和共模信号viRC1R1T1R2+VCCvoRC2T2RE2直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题6.2.2 射极耦合差分式放大电路射极耦合差分式放大电路问题问题:零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将
6、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 vi 等于零时，等于零时，vo不等于零。不等于零。vot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没1.基本电路基本电路特点：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-VEE，采用正负双电源供电。采用正负双电源供电。vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2REVEE2、工作原理、工作原理vo=VC1-VC2 =0vo=(VC1+vC1 )-(VC2+vC2)=0当当 vi1=vi2=0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2REVEE（1）静态分析（抑制零漂的原理
7、）静态分析（抑制零漂的原理）Q点的计算点的计算直流通路直流通路IBIC1IC2IBIEIC1=IC2=IC=IB VC1=VC2=VCCICRC VE1=VE2=IBRSVBE VCE1=VCE2=VC1VE1vovi1+VCCRCT1RSRCT2RSvi2REVEE输入共模信号输入共模信号vic共模输入信号：共模输入信号：vi1=vi2（大小相等，极性相同）大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：vi1=vi2 vC1=vC2 vo=0 共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：用对共模信号的用对共模信号的抑制能力来反映抑制能力来反映电路对零漂的抑电路对零漂的抑制能力。差动电制能力。差动电路对称性
8、好时，路对称性好时，对共模信号的抑对共模信号的抑制能力强。制能力强。温度或电源电压波动所温度或电源电压波动所产生的干扰信号可看成产生的干扰信号可看成共模信号共模信号（2）动态分析）动态分析+VCCvoviRCT1RsRCT2RsREVEE差模输入信号：差模输入信号：vi1=vi2（大小相等，极性相反）大小相等，极性相反）因因vi1=vi2，vC1=vC2 vod=vC1 vC2=2vC1 此时此时:vid=vi1vi2=2vi1输入差模信号输入差模信号vidvoviRCT1RsRCT2Rsvi2+VCCvi1REVEE差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：说明对差模信号有放大作用，对共模信号无放
9、大说明对差模信号有放大作用，对共模信号无放大作用。对作用。对Vic的抑制作用靠电路的对称。的抑制作用靠电路的对称。等于单管的等于单管的AvRS相当于电源内阻相当于电源内阻（1）差模电压增益）差模电压增益流过流过RE的差模电流为的差模电流为零，因此零，因此RE对差模信对差模信号而言相当于短路，即号而言相当于短路，即不起任何影响。故将射不起任何影响。故将射极视为地电位，此地称极视为地电位，此地称“虚地虚地”。此时，放大电路的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即：此时，放大电路的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即：vi2vovi1RCT1RSRCT2RSRE3 主要技术指标的计算主要技术指标的计算若差动电
10、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),对于对于差动信号而言，差动信号而言，RL中点电位为中点电位为 0,所以放大倍数：所以放大倍数：vi2vovi1RCT1RSRCT2RBRE其中，其中，若输出从若输出从T1引出，则差模放大倍数引出，则差模放大倍数若输出从若输出从T2引出，则差模放大倍数引出，则差模放大倍数vi2vovi1RCT1RSRCT2RS单端输出：单端输出：对双端输出：对双端输出：voc=vc1-vc2=0+VCCvi2vovi1RCT1RSRCT2RSREVEERE 具有强负反馈作用具有强负反馈作用(2)共模电压增益共模电压增益vi2vovi1RCT1
11、RSRCT2RS2RE2RE共模输入时的交流通路共模输入时的交流通路由于由于2RE的作用，引入很强的负反馈，单端的作用，引入很强的负反馈，单端输出对零漂亦起到抑制作用，此时单边共模输出对零漂亦起到抑制作用，此时单边共模放大倍数放大倍数vi2vovi1RCT1RSRCT2RS2RE2RE对单端输出：对单端输出：其它指标其它指标:差模输入电阻差模输入电阻Rid和差模输出电阻和差模输出电阻Rodvirbe ibiiicvoRSRCRC ibrbeRSibibic恒流源恒流源(constant current source)式差放电路式差放电路电路结构电路结构:长尾式，长尾式，RE越大，越大，抑制零漂
12、能力越抑制零漂能力越强。但强。但RE大为得大为得到同样的工作电到同样的工作电流所需要的流所需要的VEE值值也越高，不经济。也越高，不经济。解决办法：用恒解决办法：用恒流源代替原来的流源代替原来的RE。RRvovi1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1vi2E+VCC-VEEI0ro1.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，大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电理想的恒流源相当于阻值为无
13、穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用差放电路的几种接法差放电路的几种接法输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端双端输入双端输出：双端输入双端输出：Ad =Ad1双端输入单端输出：双端输入单端输出：vi1+VCCvi2voC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBI0-VEE双端输出：双端输出：Avd =Avd1单端输出：单端输出：对对Avd而言，而言，单端单端输入输入与双端输入与双端输入效果是一样的。效果是一样的。vid=vi ,vic=0双端输入：双端输入：vi1=-vi2=0.5vivid=vi ,vic=
14、0.5vi 单端输入：单端输入：vi1=vi，vi2=0vi1+VCCvi2voRCT1RsRCT2RsI0-VEE共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定义的定义例例:Ad=200 Ac=0.1 KCMR=20 lg (200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMR=KCMR(dB)=(分贝分贝)6.3差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性传输特性就是放大电路输出差模信号随输入差模信号传输特性就是放大电路输出差模信号随输入差模信号变化的曲线变化的曲线线性区线性区射极接电射极接电阻阻RE时时集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做
15、在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。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、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。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；6.4 集成运放的内部结构及特点集成运放的内部结构及特点集成电路内部结构的特点：集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方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。向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在
16、几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。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、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。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。VEE+VCC v+vo v反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：原理框图：输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与vo反相反相与与vo同相同相对输入级的要求：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 KCM
17、R ,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，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗即输出阻抗 Ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）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。级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）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。小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随
18、器，以进行）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。功率放大，提高带负载的能力。Ri 大大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：KCMR 很大很大 Ro 小：几十小：几十 几百几百 Ao 很很大大:104 107理想运放：理想运放：Ri KCMR Ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：vv+vo v v+voAo国际符号国际符号国内符号国内符号1.输入失调电压输入失调电压VIO：offset voltage6.4 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡
19、量差分放大对管输入电流的大小。值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。2.输入偏置电流输入偏置电流IB：bias current输入电压为零时，将输出电压输入电压为零时，将输出电压除以除以电压增益，即为折算电压增益，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到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。标。4.输入失调电流输入失调电流 Iio：offset current在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，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。用于表征差分级输入电流不对称的程度。5.最大差模输入电压最大差模输入电压Vid
20、max 运放同相入端和反相输入端之间能承受的最大差模运放同相入端和反相输入端之间能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差放一侧管子的发射结输入电压，超过此电压时，差放一侧管子的发射结可能出现反向击穿现象。可能出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压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，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放大器失去共模抑制能力8.开环差模电压放大倍数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
21、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。9.差模输入电阻差模输入电阻ridri1M,有的可达有的可达100M 以上。以上。11.共模抑制比共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。10.输出电阻输出电阻roro=几几-几十几十。12.开环（开环（-3dB）带宽）带宽fH开环差模电压增益下降开环差模电压增益下降3dB时对应的频率时对应的频率fH。运放。运放是直流放大器，是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高也可放大低频信号，不适用于高频信号。频信号。还有其它一些反映运放功耗、电源等的参数。还有其它一些反映运
22、放功耗、电源等的参数。不再一一介绍。不再一一介绍。12.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：slew rate 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率换速率SR的表达式为的表达式为本章主要讲述了差动式放大电路的结构特点、电路本章主要讲述了差动式放大电路的结构特点、电路组成及工作原理；集成运放的组成原则及主要性能组成及工作原理；集成运放的组成原则及主要性能指标。指标。学完本章要求能达到以下要求：学完本章要求能达到以下要求：一、熟悉差分式放大电路的组成原则及工作原理；一、熟悉差分式放大电路的组成原则及工作原理；二、掌握四种输入输出方式及其对放大倍数的影响；二、掌握四种输入输出方式及其对放大倍数的影响；三、掌握共模抑制比的数学定义及数学表达式；三、掌握共模抑制比的数学定义及数学表达式；四、了解电流源电路的工作原理。四、了解电流源电路的工作原理。本章小结本章小结电子技术基础电子技术基础第六章第六章 结束结束模拟电路部分模拟电路部分