集成运放差动放大器

集成运放差动放大器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。第2页,共127页，2024年2月25日，星期天(2)按集成度分

a.小规模集成电路（SSI：smallscaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在100个以下。

b.中规模集成电路（MSI：middlescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在100~1000之间。

c.大规模集成电路（LSI：largescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在1000~100000之间。第3页,共127页，2024年2月25日，星期天d.超大规模集成电路（VLSI：verylargescaleintegrationcircuit)一块芯片上包含的元器件在100000以上。d.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）也迅速提高。第4页,共127页，2024年2月25日，星期天(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。(c)集成电路仍在高速发展。集成度每2~4年增加一倍。(d)出现的系统级芯片（SOC—systemonchip）。(3)按制造工艺分a.半导体集成电路将元器件和电路集成在一块硅片上。第5页,共127页，2024年2月25日，星期天b.薄膜集成电路c.厚膜集成电路集成电路的元器件和电路由不到一微米厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。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。第6页,共127页，2024年2月25日，星期天第7页,共127页，2024年2月25日，星期天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）非线性集成电路集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。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。第8页,共127页，2024年2月25日，星期天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功能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。第9页,共127页，2024年2月25日，星期天(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。

(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，103~105倍。(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。第10页,共127页，2024年2月25日，星期天4.1.2 集成运算放大器的典型结构输入级输出级中间级偏置电路输入输出1.典型结构各级之间采用直接耦合，即集成运放内部既没有耦合电容，也没有旁路电容。第11页,共127页，2024年2月25日，星期天（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扰及零漂的能力。输入级是一个差动放大器。为各级电路提供直流偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。（2）输入级输入级输出级中间级偏置电路第12页,共127页，2024年2月25日，星期天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。输出级一般采用互补推挽电路。主要进行电压放大，具有很高的电压增益。中间级是直接耦合的多级放大器。(3)中间级(4)输出级输入级输出级中间级偏置电路第13页,共127页，2024年2月25日，星期天3.集成运算放大器的电路符号同相输入端反相输入端输出端–+第14页,共127页，2024年2月25日，星期天4.2.1 典型差分放大电路4.2 集成运算放大器中的基本单元电路1.电路的组成+-+-+-+--+第15页,共127页，2024年2月25日，星期天(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.信号可以双端或单端输出。+-+-+-+--+第16页,共127页，2024年2月25日，星期天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+-+-+-+--+第17页,共127页，2024年2月25日，星期天（3）抑制零漂的原理T1和T2特性相同；(a)当温度T一定时静态时，(uI1=uI2=0)在有噪声影响下，电路双端输出+-+-+-+--+第18页,共127页，2024年2月25日，星期天(b)当温度增加时在双端输出的情况下，漂移为零。+-+-+-+--+第19页,共127页，2024年2月25日，星期天2．静态分析直流通路+-+-+-+--+第20页,共127页，2024年2月25日，星期天因为电路对称，所以–+–+–+–+第21页,共127页，2024年2月25日，星期天列输入回路方程由此可得因–+–+–+–+第22页,共127页，2024年2月25日，星期天–+–+–+–+第23页,共127页，2024年2月25日，星期天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+-+-+-+--+第24页,共127页，2024年2月25日，星期天差模输入时放大电路中的电流⊕第25页,共127页，2024年2月25日，星期天交流通路⊕第26页,共127页，2024年2月25日，星期天由于故第27页,共127页，2024年2月25日，星期天1）差模电压放大倍数a.双端输出第28页,共127页，2024年2月25日，星期天b.单端输出(a)输出uO1或输出uO2第29页,共127页，2024年2月25日，星期天2)差模输入电阻第30页,共127页，2024年2月25日，星期天a.单端输出时求Ro的等效电路3)输出电阻Ro第31页,共127页，2024年2月25日，星期天b.双端输出时求Ro的等效电路第32页,共127页，2024年2月25日，星期天（2）小信号共模特性共模信号记为当uIc1=uIc2时的输入信号第33页,共127页，2024年2月25日，星期天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由知故第34页,共127页，2024年2月25日，星期天b.单端输出交流通路，第35页,共127页，2024年2月25日，星期天电压放大倍数实际中第36页,共127页，2024年2月25日，星期天一般电路中故第37页,共127页，2024年2月25日，星期天差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。由讨论可知：单端输出时双端输出时第38页,共127页，2024年2月25日，星期天2)共模抑制比共模抑制比的定义或者a.双端输出第39页,共127页，2024年2月25日，星期天b.单端输出因第40页,共127页，2024年2月25日，星期天（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：++12差分放大电路uI2_uI1_第41页,共127页，2024年2月25日，星期天任意信号可以分解成差模和共模信号++12差分放大电路uI2_uI1_第42页,共127页，2024年2月25日，星期天差分放大电路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意输入的等效电路++12差分放大电路uI2_uI1_第43页,共127页，2024年2月25日，星期天例电路如图所示。设T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uId=50mV，uIc=1V，试求：

+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2（a）静态工作点IC、UC之值；（b）

uO及KCMR之值；（c）若将RL接在C1对地之间，求UC、

uO

及KCMR。（d）Rid和Ro之值。

第44页,共127页，2024年2月25日，星期天解: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等效电路+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2第45页,共127页，2024年2月25日，星期天直流等效电路(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2第46页,共127页，2024年2月25日，星期天直流等效电路由图可得由上两式得因(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB第47页,共127页，2024年2月25日，星期天则有(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB第48页,共127页，2024年2月25日，星期天（b）根据题意+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2第49页,共127页，2024年2月25日，星期天+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2第50页,共127页，2024年2月25日，星期天(c)当RL在C1对地之间时经整理可得(-12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL第51页,共127页，2024年2月25日，星期天+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2第52页,共127页，2024年2月25日，星期天+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)c1c2第53页,共127页，2024年2月25日，星期天(d)差模输入电阻+-+-+-+-+-(-12V)(+12V)ICUCc1c2输出电阻Ro1.单端输出时

2.双端输出时

第54页,共127页，2024年2月25日，星期天双端输出单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+-+-+-+--+第55页,共127页，2024年2月25日，星期天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。+-+-+-+--+第56页,共127页，2024年2月25日，星期天恒流源的主要特点：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+-+-+-+--+第57页,共127页，2024年2月25日，星期天当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构成原理：–++–RCE1rce1

uCE

iC=第58页,共127页，2024年2月25日，星期天带恒流源的差分放大电路恒流源+-+-+-De+++---第59页,共127页，2024年2月25日，星期天选择R1和R2使IBQ3恒定，则IC3恒定。+-+-+-De+++---IC3第60页,共127页，2024年2月25日，星期天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=UBE4.2.3 电流源电路–+–+第61页,共127页，2024年2月25日，星期天当β>>2时所以IB1=IB2=IB故–+–+第62页,共127页，2024年2月25日，星期天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–+–+第63页,共127页，2024年2月25日，星期天由于故有–+–+第64页,共127页，2024年2月25日，星期天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–+–+第65页,共127页，2024年2月25日，星期天由得故有–+–+第66页,共127页，2024年2月25日，星期天例1已知IR=0.73mA,IC2=20mA,求RE=?解由得–+–+第67页,共127页，2024年2月25日，星期天例2上例中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在VCC=15V时，欲获IC2=20mA,求R=?解已知IC2=20mA,则R

VCC/IR=750kWIR=20mA–+–+第68页,共127页，2024年2月25日，星期天+-+-4．电流源作有源负载的差动放大电路（1）电路组成第69页,共127页，2024年2月25日，星期天代替RE为T1、T2提供合适稳定的静态工作点代替RC称有源负载镜像电流源比例电流源+-+-第70页,共127页，2024年2月25日，星期天因为T5、T6组成镜象电流源，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

+-+-第71页,共127页，2024年2月25日，星期天

iO=

iC6

+

iC2=

iC5

–

iC1无共模信号输出输出电流

0+-+-第72页,共127页，2024年2月25日，星期天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+-+-第73页,共127页，2024年2月25日，星期天用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能。结论：+-+-第74页,共127页，2024年2月25日，星期天a.采用电流源作有源负载。b.利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数

值。集成运放获得高电压增益，通常采用的方法：4.2.4 复合管电路第75页,共127页，2024年2月25日，星期天常见的复合管结构a.NPN管+NPN管T1T2第76页,共127页，2024年2月25日，星期天等效管T两个NPN型管可以复合成一个NPN型管(a)等效管T1T2第77页,共127页，2024年2月25日，星期天由图可知(b)复合管的电流放大系数

等效管TT1T2第78页,共127页，2024年2月25日，星期天而由于等效管TT1T2第79页,共127页，2024年2月25日，星期天复合管的电流放大系数故第80页,共127页，2024年2月25日，星期天微变等效电路T1T2(c)复合管的输入电阻rbeT1T2第81页,共127页，2024年2月25日，星期天因为故复合管的输入电阻T1T2第82页,共127页，2024年2月25日，星期天b.PNP管+PNP管T1T2第83页,共127页，2024年2月25日，星期天等效管(a)等效管两个PNP型管可以复合成一个PNP型管T1T2T第84页,共127页，2024年2月25日，星期天(b)复合管的

及rbe等效管T1T2T第85页,共127页，2024年2月25日，星期天T1T2c.NPN管+PNP管第86页,共127页，2024年2月25日，星期天等效管T(a)等效管一个NPN和一个PNP型管可以复合成一个NPN型管T1T2第87页,共127页，2024年2月25日，星期天(b)复合管的

及rbe等效管TT1T2第88页,共127页，2024年2月25日，星期天d.PNP管+NPN管T1T2第89页,共127页，2024年2月25日，星期天等效管T(a)等效管一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管T1T2第90页,共127页，2024年2月25日，星期天(b)复合管的

及rbe等效管T1T2T第91页,共127页，2024年2月25日，星期天RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_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、T2参数相同第92页,共127页，2024年2月25日，星期天3.工作原理(1)uI=0时T1、T2截止uO=0(2)uI>0时T1导通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_第93页,共127页，2024年2月25日，星期天(3)uI<0时T1截止、T2导通uO

uI4.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。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_第94页,共127页，2024年2月25日，星期天D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交失真的方法：给T1、T2的发射结加一定的直流偏置，使其工在微导通状态。克服交失真的互补电路第95页,共127页，2024年2月25日，星期天思考题1.单端输出的差分放大器输出电路并不对称，为什么也能抑制零点漂移？2.在放大电路中采用复合管的优缺点都有那些？3.带恒流源的差分放大电路的主要特点是什么？第96页,共127页，2024年2月25日，星期天4.3.1 双极型通用运算放大器简化电路4.3 通用集成运算放大器反相输入端同相输入端输出端+-+-输入级+-中间级输出级+第97页,共127页，2024年2月25日，星期天输入级+-+-中间级输出级+第98页,共127页，2024年2月25日，星期天4.3.2 CMOS运算放大器第99页,共127页，2024年2月25日，星期天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）fH3．单位增益带宽fBWG4．单位增益上升速率SR

4.4 运算放大器的主要参数及简化低频等效电路第100页,共127页，2024年2月25日，星期天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第101页,共127页，2024年2月25日，星期天1．输入失调电压UIO2．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

UIO

T、

IIO

T

4.4.2

直流参数第102页,共127页，2024年2月25日，星期天+-+-(+)(-)4.4.3 简化低频等效电路第103页,共127页，2024年2月25日，星期天4.5.1几种特殊用途的运算放大器4.5 其它集成运算放大器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．高压运算放大器第104页,共127页，2024年2月25日，星期天跨导型运算放大器的简化电路4.5.2 跨导运放+-+-第105页,共127页，2024年2月25日，星期天跨导运算放大器电路符号gmuidiOu_u++–+第106页,共127页，2024年2月25日，星期天具有与闭环增益无关的近似恒定带宽1．电流模电路基础（1）电流模电路的一般概念电流模（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4.5.3电流模运算放大器第107页,共127页，2024年2月25日，星期天（2）跨导线性的基本概念TCTSBECTBEddUiUeIuimgUu===跨导

工作在放大区的双极型晶体管，当UBE>100mV时第108页,共127页，2024年2月25日，星期天（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。第109页,共127页，2024年2月25日，星期天任意偶数n个发射结ISj与发射区面积Aj成正比第110页,共127页，2024年2月25日，星期天（4）甲乙类推挽电流模电路T1+VCCT2_VEET3T4跨导线性回路如各晶体管发射区面积相等则有若iI=0，则B2C1CIii==第111页,共127页，2024年2月25日，星期天iC2=iC1+iI若iI

0，则由以上各式得电路工作在甲类状态。IIBi<<当时，(a)T1+VCCT2_VEET3T4第112页,共127页，2024年2月25日，星期天IIBi<<当时或电路工作在乙类状态。T1+VCCT2_VEET3T4第113页,共127页，2024年2月25日，星期天+YT1T2同相输入端T3T4–反相输入端XZT9T10T5T6T11T12uo+VCC_VEE2．电流模运算放大器（1） 电流模运算放大器工作原理第114页,共127页，2024年2月25日，星期天（2）电流模运算放大器的基本特性zzziOj1RCRIUArw+==&&&+1RiIi•RZCZ+1Ii•uo+–XYZ第115页,共127页，2024年2月25日，星期天思考题1.通用型集成运放一般由几部分电路组成？每部分常采用那种基本电路？通常对每一部分的性能的要求分别是什么？第116页,共127