模电第6章集成运算放大器

1、第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器集成电路是集成电路是2020世纪世纪6060年代年代初期发展起来的一种半导体初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，把器件，它是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的各整个电路的各个元件以及相互之间的连接线同时制造在一块半导体芯片个元件以及相互之间的连接线同时制造在一块半导体芯片上上，实现了材料、元件和电路的统一。因此它的，实现了材料、元件和电路的统一。因此它的密度高、密度高、引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性性

2、和灵活性。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器可简称为集成运算放大器可简称为集成运放集成运放，是一种，是一种具有具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因为最初被用，因为最初被用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用已十分普遍，远远超出了原来已十分普遍，远远超出了原来“运算放大运算放大”的应用范的应用范围。围。 当前，我国产量最大的是当前，我国产量最大的是通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器，其次是其次是专用型运算放大器专用型运算放大器，专用型运算放大器有，专用型运算放大器有高速高

3、速型、高输入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型型、高输入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型等。等。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的的精度不是很高，受温度的影响也比较大精度不是很高，受温度的影响也比较大，但由于各，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此因此对称性较好，特别适合制作对称结构的电路对称性较好，特别适合制作对称结构的电路。 由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限

4、性，一般在一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧几十欧到几十千欧之间。之间。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，电容器，至于制造电感器就更困难至于制造电感器就更困难。所以集成电路应尽量避免。所以集成电路应尽量避免使用电容器。使用电容器。 大量使用晶体管作大量使用晶体管作有源器件有源器件。 集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下毫瓦以下。 第第6 6章章 集成运算

5、放大器集成运算放大器向各放大级提供向各放大级提供合适的偏置电流合适的偏置电流克服零点克服零点漂移漂移提供负载所需提供负载所需功率及效率功率及效率提供电压提供电压放大倍数放大倍数集成运放的基本组成第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。为了为了抑制零点漂移抑制零点漂移，可以采用差动放大电路。，可以采用差动放大电路。 1.1.差分放大电路的基本形式：差分放大电路的基本形式：信号由两个管子的基极输入，输出电压信号由两个管子的基极输入，输出电压由两个管子

6、的集电极输出。管子特性一致，电路为对称结构。由两个管子的集电极输出。管子特性一致，电路为对称结构。 图6.2.1 差分放大电路原理电路第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 当温度变化时，两管参数发生变化，引起两管当温度变化时，两管参数发生变化，引起两管的各级电流电位均发生变化，但由于电路的对称性的各级电流电位均发生变化，但由于电路的对称性其变化量一定相等，即其变化量一定相等，即ICQ1=ICQ2 UCQ1=U CQ2 虽然每个管都产生了零点漂移，但是，由于两虽然每个管都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依集电极电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依然

7、为零，然为零，此时此时uo=（UCQ1+UCQ1）（UCQ2+UCQ2）=0 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（2 2）信号输入方式）信号输入方式 1 1）共模输入）共模输入 如图如图6.2.16.2.1所示电路中的两个输入信号所示电路中的两个输入信号u ui1i1和和u ui2i2，如，如果果等大同相等大同相（大小相等，方向相同），即（大小相等，方向相同），即u ui1i1= =u ui2i2，就称，就称为为共模输入共模输入。 2 2）差模输入）差模输入 若输入信号若输入信号等大反相等大反相（大小相等，方向相反），即（大小相等，方向相反），即u ui1i1=-=-u ui2i2，

8、则称为，则称为差模输入差模输入。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器3）比较输入）比较输入 比较输入也叫非差非共输入。比较输入也叫非差非共输入。ui1和和ui2的大小不相等，的大小不相等，极性也是任意的。极性也是任意的。对于任意一对比较信号，均可看成是对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对差模信号的叠加一对共模信号和一对差模信号的叠加，如对于，如对于ui1=3mV=5mV2mVui2=7mV=5mV+2mV 可以看成是一对可以看成是一对5mV的共模信号和一对的共模信号和一对2mV的差模的差模信号。信号。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器2.2.长尾式差动放大电

9、路长尾式差动放大电路 长尾式差动放大电路也是一种典型差分放大电路，如长尾式差动放大电路也是一种典型差分放大电路，如图图6.2.2所示。与图所示。与图6.2.1所示电路比较，多了电位器所示电路比较，多了电位器RP、发、发射极电阻射极电阻Re和负电源和负电源EE 。因增加了负电源。因增加了负电源EE ，管子的偏，管子的偏流流IB可由它提供，故去掉了可由它提供，故去掉了Rb2。 Re称为共模抑制电阻，称为共模抑制电阻，Re数值愈大，对共模信号（即数值愈大，对共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈强。零点漂移）的抑制能力就愈强。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.2 长尾式差动放大电

10、路 因为电路完全对称是理想状况，实际上，当输入的两因为电路完全对称是理想状况，实际上，当输入的两端接端接“地地”时，输出电压不一定等于零，这就需要调零。时，输出电压不一定等于零，这就需要调零。R RP P就是用来调零的，故称为调零电位器。就是用来调零的，故称为调零电位器。如图如图6.2.26.2.2所示电所示电路中，路中，R RP P接到三极管的发射极，故称为发射极调零接到三极管的发射极，故称为发射极调零。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（1 1）静态分析）静态分析 图6.2.3 单管直流通路IBQRb + UBEQ + 2IEQRe = VEEebBEQEEBQ)1(2RRUV

11、I ICQ IBQcCQCCCQRIVU ( (对地对地) )第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（2 2）动态分析）动态分析 图6.2.4 双端输入双端输出的差动放大电路 由于输入电路的对称性，由于输入电路的对称性，每只管子的输入端分得的电压每只管子的输入端分得的电压各为各为ui的一半，但极性相反，的一半，但极性相反，即即ui1=1/2(u i)ui2= 1/2(ui) 显然，是一对差模信号。显然，是一对差模信号。1)1)双端输入双端输入双端输出双端输出第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.5 单管差模信号交流通路:Re对差模信号不起作用，忽略小电阻Rp单管差模电压放

12、大倍数：单管差模电压放大倍数： bbeCo1d1i1uuRAuRr 双端输入双端输入双端输出差动电路的差模电压放大倍数为双端输出差动电路的差模电压放大倍数为 oo1o2dd1ii12uuuuuAAuucudbbeRARr 差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为)(2beidrRR Lcdbe(/ /)2uRRARr co2RR 接上接上RL第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器2) 差分输入、单端输出差分输入、单端输出 uO 约为双端输出的一半，即约为双端输出的一半，即beLCd)/(21rRRRA )(2beidrRR coRR 图图 6.2.66.2.6差分输入、单

13、端输出差分输入、单端输出VT2VT1RCRCRbRb+RL uId1212 uIduOReEERp第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.6 单端输入单端输出的差分放大电路 既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？每只管子取得多大的信号呢？吗？每只管子取得多大的信号呢？ 3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.7 Re断路时单端输入的等效输入电路 可见对称条件下，可见对称条件下，ui的一半加在的一半加在VT1的输入端，另一半的输入端，另一半加在加在VT2的输入端，两者极性相反，

14、即的输入端，两者极性相反，即ui11/2uiui2-1/2ui 由此可见，在单端输入的差动放大电路中，只要共模反由此可见，在单端输入的差动放大电路中，只要共模反馈电阻馈电阻Re足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差模信号，也就是说，模信号，也就是说，单端输入和双端输入的效果一样单端输入和双端输入的效果一样。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（3）共模抑制比）共模抑制比KCMR 对于差动放大电路来说，对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，对差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数

15、差模信号应有较大的放大倍数，而，而对共模信号则放大倍对共模信号则放大倍数愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。数愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。实际上对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输实际上对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输出情况，设输入的共模信号为出情况，设输入的共模信号为u uiCiC时，输出电压为时，输出电压为u uOCOC ，则，则共模放大倍数为共模放大倍数为 ocucicuAu第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud与与共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc之比，之比，称为差动放大电路的称为差动放大电路

16、的共模抑制比共模抑制比，用，用KCMR表示，即表示，即 udCMRucAKA 对数形式表示：对数形式表示： udCMRuc20lgAKA 共模抑制比可以视为共模抑制比可以视为有用的信号和干扰信号的对比有用的信号和干扰信号的对比。共模抑制比越大共模抑制比越大，差动放大电路分辨所需要的差模信号，差动放大电路分辨所需要的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。的能力越强，而受共模信号的影响越小。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（4）带恒流源的长尾式差分放大电路）带恒流源的长尾式差分放大电路 长尾电阻长尾电阻Re越大，抑制零漂的效果越好，但越大，抑制零漂的效果越好，但Re过大会过大会

17、使其上的直流压降过大而影响动态特性，故要用负电源补使其上的直流压降过大而影响动态特性，故要用负电源补偿偿Re上的直流压降，但上的直流压降，但Re越大需要的负电源就越大。越大需要的负电源就越大。 解决方法是用一种直流电阻不大而交流电阻很大的解决方法是用一种直流电阻不大而交流电阻很大的电路来取代长尾电阻电路来取代长尾电阻Re 。 用三极管取代用三极管取代Re ，既能抑，既能抑制零漂，又便于集成，也不再制零漂，又便于集成，也不再需要过大的负电源。需要过大的负电源。iCuCEiCuCE0CCEceiur 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 用三极管代替用三极管代替“长尾式长尾式”电路的长尾电

18、阻，即构成电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路图 6.2.8恒流源式差分放大电路第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器动态分析与长尾式电路相同动态分析与长尾式电路相同第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器+VCCRCRCRbRb+ uO ui1 ui2ReVEERp例题例题RC= Re=10K，VCC =VEE =12V，1= 2= 50，Rb= Rp=100， 设设Rp滑动端处在中点位置，滑动端处在中点位置，负载电阻负载电阻RL=20 K。UBE = 0.7V，rbb=300 （1）求）求 Aud 和和 KCMR 。（2）当）当 Ui1 =Ui2 =0.02V时，求双端输出电压时，求双端输出电压Uo 。（3）当双端输出端接入负载）当双端输出端接入负载RL=20K时，时，求流过负求流过负载的电流当载的电流当 IL 。（4）求）求Rid和