模拟电子技术：第六章 集成电路运算放大器

1、重点难点重点难点重点重点：差分放大电路的构成及分析方法；差分放大电路的构成及分析方法；难点难点：理解差模信号和共模信号；：理解差模信号和共模信号； 差放电路抑制共模信号的原理；差放电路抑制共模信号的原理； 差放电路的分析；差放电路的分析； 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 差分式放大电路差分式放大电路6.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器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6.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器中的恒流源器中的恒流源 镜像电流源镜像电流源 电流源作有源负载电流源作有源负载 微电流源微电流源1. 镜像电流

2、源镜像电流源恒流特性恒流特性BE1BE2=VVREFI E1E2= IIC1C2= IIRVVBECC= RVCC 无论无论Rc的值如何，的值如何， IC2的电流值将保持不的电流值将保持不变。变。（三极管工作状态三极管工作状态）1. 镜像电流源镜像电流源交流电阻交流电阻TTo=IVR 由于由于T2的集电极电流的集电极电流基本不变。所以交流量基本不变。所以交流量0T I TTo=IVR 一般一般Ro在几百千欧以上在几百千欧以上2. 微电流源微电流源e2BE2BE1RVV E2C2II e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小也很小3. 电流源作有源负载电流源作有源负载 io

3、V=VVA共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：beLc)/(rRR 对于此电路对于此电路Rc就是镜就是镜像电流源的交流电阻，像电流源的交流电阻，因此增益为因此增益为beLV=rRA 比用电阻比用电阻Rc作负载时提高了。作负载时提高了。end放大管放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源6.2 差分式放大电路差分式放大电路 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 6.2.0 概述概述 6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一

4、般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较耦合方式：耦合方式：阻容耦合；直接耦合；变压器耦合；光电耦合。阻容耦合；直接耦合；变压器耦合；光电耦合。多级放大电路多级放大电路耦合：耦合：即信号的传送。即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合电路要求：1). 静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置2). 动态动态: 传送信号。传送信号。第一级第一级放大电路放大电路输输 入入 输输 出出第二级第二级放大电路放大电路第第 n 级级放大电路放大电路 第第 n-1 级级放大电路放大电路功放级功放级要求：要求：波形不波形不失真，减少压失真，减少压降损失。降损失。

5、 集成运算放大器主要采用集成运算放大器主要采用直接耦合直接耦合6.2.0 概述概述1. 直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号2.直接耦合放大电路直接耦合放大电路的零点漂移的零点漂移零漂零漂：主要原因主要原因：温漂指标温漂指标：温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。输入短路时，输输入短路时，输出仍有缓慢变化出仍有缓慢变化 的电压产生。的电压产生。温度每升高温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动电源电压波动也是原因之一也是原因之一例如例如 100,=V1

6、A若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。 若第二级也漂若第二级也漂了了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设 第一级是关键第一级是关键。 1= 100,=V3V2AA3. 减小零漂的措施减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿 主要采用差分式放大电路主要采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标4. 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根据根据1、2两式

7、又有两式又有差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+-voi2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号idoVD=vvA 差模电压增益差模电压增益icoVC=vvA 共模电压增益共模电压增益2=idici1vvv 2=idici2vvv 总输出电压总输出电压icVCidVDooo=vAvAvvv 差模等效输入方式差模等效输入方式差放差放+-vid差放差放+-vid(a)(b)共模等效输入方式共模等效输入方式差放差放+-vic差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出

8、VCVDCMR=AAKui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB差动放大电路的引入差动放大电路的引入抑制零点漂移抑制零点漂移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：6.2.1 长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路为了使左右平衡，可为了使左右平衡，可设置调零电位器设置调零电位器: uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE一、电路一、电路二、二、 静态分析静态分析 温度温度TICIE = 2ICUEUBEIBIC1. RE的作用的作用 设设ui1

9、 = 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uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE 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。uo+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE2. Q点的计算点的计算直流通路直流通路IC1= IC2= IC= IB UC1= UC2= UCCICRC UCE1= UCE2 = UC1UE1IBIC1IC2IB2IEEBBEEEBRRUUI)1(2210CECEUUU0( (一一) ) 共模输入信号共模输入信号RE对共模信号起作用，并且对共模信号起作用，并且iRE=2ie1。uC ic1 、

10、ic2 iRE 、 uRE +UCCuocRCT1RBRCT2RBREUCCuC uoc2 uoc1ic1 ic2iREuRE零点漂零点漂移是共移是共模信号模信号三、三、 动态分析动态分析(二二) 差模输入差模输入均压器均压器diiuuu211diiuuu212RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUCCRE 对差模信号作用对差模信号作用 ui1 ui2ib1 , ic1ib2 , ic2ic1 = - ic2iRE = ie1+ ie2 = 0uRE = 0RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUCCib2ib1ic2ic1iRERE对差模信号对差模信号不起不起作用作用（

11、三）、主要指标计算（三）、主要指标计算1、差动放大倍数、差动放大倍数2、输入电阻、输入电阻3、输出电阻、输出电阻4、共模放大倍数、共模放大倍数5、共模抑制比、共模抑制比例例1： 已知下图已知下图 所示差分放大电路的所示差分放大电路的 UCC = UEE = 12 V ，RC = 3 k，RE = 3 k，硅晶体管的，硅晶体管的 = 100 ，求：（，求：（1）静态工作）静态工作点；（点；（2）Ui = 10 mV，输出端不接负载时的，输出端不接负载时的UO ；（3） Ui = 10 mV ,输出端接输出端接 RL= 6 k 负载时的负载时的 UO 。 CECCEECCEE2121231.865

12、231.88 V7.12 VUUUR IR I beCCdObe2626200(200 100) k1.594 k1.86531001881.594rIRAr LCL16/(3/) k1.5 k22RRR （3）接负载时的差模放大倍数）接负载时的差模放大倍数3OdOi188 10 10V1.88VUAU 当当Ui = 10 mV 时，时， 【解】【解】 静态时静态时EEBEEE60.7mA2230.8833 mAUUIR 例例2 ：下图：下图 是利用差分放大电路组成的晶体管电压表的原理电是利用差分放大电路组成的晶体管电压表的原理电路。设电压表的满标偏转电流为路。设电压表的满标偏转电流为100

13、A ，电压表支路的总电阻，电压表支路的总电阻为为 2 k 。要使电表的指针满偏，需加多大的输入电压？设晶。要使电表的指针满偏，需加多大的输入电压？设晶体管为硅管。体管为硅管。beC2620026(20050) 0.88331700 1.7 krILCL16.61/k0.8684 k26.61RRR 总负载电阻总负载电阻54.257.18684.050beLd rRA 差模电压放大倍数差模电压放大倍数要使电压表满偏时的输出电压要使电压表满偏时的输出电压mV82.7V00782.0V24.252 .0V2 .010100102dOi63O AUUU则输入电压则输入电压EEBEEEEBCBCECCE

14、ECCEE100.7mA0.456 mA22 100.456mA0.0093 mA114949 0.0093 mA0.4557 mA2UUIRIIIIUUUR IR I 10 10 4 0.45572 10 0.465 V8.88 V 例例3： 求下图求下图 所示电路中所示电路中 的静态工作点和放大电路的的静态工作点和放大电路的差模电压放大倍数。设晶体管为硅管。差模电压放大倍数。设晶体管为硅管。 (3)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 Cbe26200Ir 26(20049) 0.45572 996 2.996 k 7 .32996. 24492121beCd rRA 恒流源差分放大电路恒流源

15、差分放大电路 为了提高共模抑制比应加大为了提高共模抑制比应加大Ree 。但。但Ree加大后加大后，为保证工作，为保证工作点不变，必须点不变，必须提高负电源提高负电源，这是，这是不经济的。同时不经济的。同时集成电路难以制集成电路难以制造大电阻造大电阻，为此可用恒流源，为此可用恒流源T3来来代替代替Re 。 恒流源动态电阻大恒流源动态电阻大，可提高，可提高共模抑制比。并可共模抑制比。并可提供一个稳定提供一个稳定的偏流的偏流。同时恒流源的管压降只。同时恒流源的管压降只有几伏，可有几伏，可不必提高负电源不必提高负电源之值之值。这种电路称为恒流源差动放大。这种电路称为恒流源差动放大电路电路恒流源差分放大

16、电路恒流源差分放大电路 恒定电流恒定电流Ube+I3R3=2UD+I2R2由于由于IB3很小很小I1I221De21RR2UEII如如R1=R2 Ube=UD3e3c3R2/EII 有源负载有源负载提供大动态电阻提供大动态电阻)RhRRh(1h1r3ie3b33fe3oe3o3Rb3=R1/R2用恒流源输出等效高阻用恒流源输出等效高阻代替实体电阻代替实体电阻，称该，称该电阻为有源负载。电阻为有源负载。6.2.1 恒流源差分式放大电路恒流源差分式放大电路1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态静态0CC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)7 . 0(CCCC RIV CCRI

17、EV CB1B1III 动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号， i2i1vv 和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 c2c1vv和和大小相等，大小相等， 0c2c1o vvv信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理2. 抑制零点漂移抑制零点漂移 温 度 变温 度 变化和电源电化和电源电压波动，都压波动，都将使集电极将使集电极电流产生变电流产生变化。且变化化。且变化趋势是相同趋势是相同的，的，差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号其效果相当于在两个输入端加入了共

18、模信号。2. 抑制零点漂移抑制零点漂移 温度温度 iC1 iE1 vE （vB1、vB2不变）不变） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB1 iC2 iE2 iC1 iC2 由此看出，温度升高时，引起两集电极电流增加，使得由此看出，温度升高时，引起两集电极电流增加，使得流过流过R Re e上的电流增加，发射极电位上升，从而限制了集电极电上的电流增加，发射极电位上升，从而限制了集电极电流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的

19、抑制零漂能力。漂能力。 另一方面另一方面3. 主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益）差模电压增益 idoVD=vvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时接入负载时（双入、双出交流通路双入、双出交流通路） 双入、单出双入、单出i1o122vv becrR beLcVD)21/(=rRRA 以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 双入、双出双入、双出 ido1VD1=vvAi1o12vvVD21A bec2rR 接入负载时接入负载时beLcVD2)/(=rRRA 3. 主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益）差模电压增益 单端输入单端输入eorr 等效于双端输入

20、等效于双端输入 指标计算指标计算与双端输入相与双端输入相同入同入（2）共模电压增益）共模电压增益 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。集电极电压有相同的变化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocVC vvA共模增益共模增益 单端输出单端输出icoc1VC1vvA 抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or VC1A（3）共模抑制比）共模抑制比VCVDCMRAAK dB lg20VCVDCMRAAK 双端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMRK 单端输出单端输出 CMRKVC1VD1AAbeor

21、r 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强VDA4. 几种方式指标比较几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出idRicRoR4. 几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR(4)当输出接一当输出接一12k 负载时负载时的电压增益的电压增益.解：解：求求:mA

22、1)V12(0c3C3 RIV9)V12(0e3E3E3C3CE3 RIVVV +12 + - vo -12 Rc1 Rc2 T2 T1 Re1 iC1 iC2 + - vid T3 Rb1 iE Re2 Rb2 Rc3 Re3 iE3 1k 1k 10k 10k 3k 12k 10k Ri2 例例。时，时，当当，均为硅管，均为硅管，、V008050TTTOi321321 vv ?mV5)3(;)2(;)1(OiV2VD2Ve2CE2CE3EC23C vvAAARVVIII时，时，当当的值的值及及、(1)静态静态 k3 . 2mV26)1(200E33be3Ir (2)电压增益电压增益 +12

23、 + - vo -12 Rc1 Rc2 T2 T1 Re1 iC1 iC2 + - vid T3 Rb1 iE Re2 Rb2 Rc3 Re3 iE3 1k 1k 10k 10k 3k 12k 10k Ri2 mA37. 0c2BE3e3E3C2 RVRIIV9)7 . 0(1037. 012V12E2c2C2CE2 VRIVmA74. 022C2E2E III k2 . 574. 0121074. 07 . 0)12(Ee1EEe2IRIVR k78. 3mV26)1(200E22be2Ir k3 .245)1(e33be3i2RrR (3) +12 + - vo -12 Rc1 Rc2 T

24、2 T1 Re1 iC1 iC2 + - vid T3 Rb1 iE Re2 Rb2 Rc3 Re3 iE3 1k 1k 10k 10k 3k 12k 10k Ri2 50)(2)/(b1bei2c22VD2 RrRRA 9 . 3)1()/(e33beL3c3V2 RrRRA 195V2VD2V AAAV98. 01051953iVO vAv(4)时时 k12LR95. 1)1()/(e33beL3c3V2 RrRRA 5 .97V2VD2V AAAA1vivo103A2vivo105答：答：两个放大电路是否都可以放大两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？的信号？end增加了增加了Re

25、电压增益电压增益输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.2 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.002 mVA1不可以，不可以， A2可以可以 1. 若在基本差分式放大电路中若在基本差分式放大电路中增加两个电阻增加两个电阻Re（如图所示）。（如图所示）。则动态指标将有何变化？则动态指标将有何变化？答：答： 双端输出差模增益双端输出差模增益差模输入电阻差模输入电阻 beLc)21/(rRR VDA idR 2beroLc2/rRR 单端输出共模增益单端输出共模增益VC1A icR)2)(1(21obe

26、rr 共模输入电阻共模输入电阻e)1(R e)1(R eR eR 增加了增加了Re增加了增加了Re 2. 差分式放大电路如图所示。差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：分析下列输入和输出的相位关系：反相反相vC1与与vi1end同相同相vC2与与vi1同相同相vC1与与vi2反相反相vC2与与vi2反相反相vO与与vi1同相同相vO与与vi23. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？小小 结结 差分放大电路是模拟集成电路中最基本的电路形式。它差分放大电路是模拟集成电路中最基本的电路形式。它的主要特点是对差模信号有很大的放大能力，对共模信号具的主要特点是对差模信号有很大的放大能力，对共模信号具有根强的抑制作用。有根强的抑制作用。 差放在双端输出时主要是依靠电路对称性抑制共模信号，差放在双端输出时主要是依靠电路对称性抑制共模信号，单端输出时主要是依靠共公发射极电阻的强负反馈作用抑制单端输出时主要是依靠共公发射极电阻的强负反馈作用抑制共模信号。共模信号。 典型差放电路主要计算公式典型差放电路主要计算公式双端输出差模电压增益双端输出差模电压增益iebLfeUdhRR-hA