模拟电子技术基础课件 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电气与电子工程学院集成运算放大器的工作特性集成运算放大器的工作特性 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.1.2 6.1.2 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成第第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器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，把件，它是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的各个元整个电路的各个元件以及连接线同时制造在一块半导体芯片上件以及连接线同时制造在一块半导体芯片上，实现了材料、，实现了材料、元件和电路的统一。因此它

2、的元件和电路的统一。因此它的密度高、引线短，外部接线大密度高、引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性。 集成电路简称集成电路简称 IC ( (Integrated Circuit) ) 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，是一种具有高放具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路大倍数的多级直接耦合放大电路，因最初被用于模拟运算，因最初被用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用远远超出了原来中，故名运算放大电路。目前，它的应用远远超出了原来“运算放大运算放大”的应用范围。的应用范围。 第第6 6章

3、章 集成运算放大器集成运算放大器集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。 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速型、高输入电阻型、低漂移

4、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集成电路的外形集成电路的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器1. 对称性好对称性好，适用于构成，适用于构成差分差分放大电路。放大电路。2. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十几十欧到几十千欧之间，千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用在芯片上制作三极

5、管比较方便，常常用三极管代三极管代替替电阻电阻( (特别是大电阻特别是大电阻) )。4. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用路通常采用直接耦合直接耦合电路方式。电路方式。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 6.6.大量使用晶体管作大量使用晶体管作有源器件有源器件。 7.7.集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件件工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下在毫瓦以下。 5. 集成电路中的集成电路中的 NPN 、 PNP管的管的

6、值差别较大，值差别较大，通常通常 PNP 的的 10 。第第6 6章章 集成运算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电气与电子工程学院 输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，通常输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，通常采用采用差动放大器差动放大器，以减小，以减小零点漂移零点漂移； 中间放大级主要完成中间放大级主要完成电压放大任务电压放大任务，要求有，要求有高的电压高的

7、电压增益增益，一般采用带有源负载的，一般采用带有源负载的共射极电压放大器；共射极电压放大器； 输出级的任务是进行功率放大，以驱动负载工作，输出级的任务是进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用一般采用互补对称的功率放大器互补对称的功率放大器； 偏置电路主要为各级放大器提供合适的偏置电路主要为各级放大器提供合适的静态工作电流静态工作电流，它与分立元件的偏置电路有较大区别。它与分立元件的偏置电路有较大区别。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.2 6.2 集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路 6.2.16.2.1 差动放大电路差动放大电路6.2.2 6.2.2 电流源电路电流

8、源电路6.2.3 6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级采用复合管和有源负载的中间放大级6.2.4 6.2.4 输出级中的过载保护电路输出级中的过载保护电路第第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.差动放大电路的基本形式差动放大电路的基本形式 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器uo=（UCQ1+UCQ1）-（UCQ2+UCQ2）=0 （1 1）零点漂移的抑制）零点漂移的抑制 当温度变化时

9、，两管参数发生变化，引起两管的各级当温度变化时，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其变化量一定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，由于两集电极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，所以输出电压依然为零，电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依然为零，此时此时第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器i1i2uu= -差模输入：差模输入：ici1i2=uuu=共模输入：共模输入：比较比较输入输入：i2i1id=uuu )

10、(21=i2i1icuuu +VCCRc+VT1VT2Rb2RcRb2+uIdId21uId21u+uoRb1Rb1（2 2）信号输入方式）信号输入方式 对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对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差模信号的叠加，如对于，如对于ui1=3mV=5mV-2mVui2=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的差模信号。的差模信号。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器电气与电子工程学院存在问题存在问题 1.电路完全对称仅是一个理想情况，实际上理想对称是电路完全对称仅

11、是一个理想情况，实际上理想对称是不存在的。不存在的。 2.若负载需一端接地，只能由一个集电极输出，这时，若负载需一端接地，只能由一个集电极输出，这时，零点漂移就无法抑制了零点漂移就无法抑制了。 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 长尾式差动放大电路也是一种长尾式差动放大电路也是一种典型典型差动放大电路。与基本形差动放大电路。与基本形式电路比较，多了式电路比较，多了电位器电位器R RP P、发射极电阻发射极电阻R Re e和和负电源负电源E EE E 。负电源。负电源E EE E提供管子的偏流提供管子的偏流I IB B，故去掉了，故去掉了R Rb2b2。 Re称为称为共模抑制电阻共模抑

12、制电阻，Re数值愈大，对共模信号（即零点漂移）数值愈大，对共模信号（即零点漂移） 的抑制能力就愈强。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长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 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。如图所示电路中，如图所示电路中，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

13、6章章 集成运算放大器集成运算放大器静态分析静态分析 单管直流通路单管直流通路 由基极回路不难列出由基极回路不难列出I IBQR Rb b+ +U UBEQ+2+2I IEQR Re e= =E EE E 上式中前两项一般远小于第上式中前两项一般远小于第三项，故可略去，则每管集电极三项，故可略去，则每管集电极电流电流 I ICQI IEQ IBQ=晶体管发射极电位晶体管发射极电位 U U EQ00E2 eERE2eERE2 eCCEQCCCCE RUUI RR第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器双端输入双端输入双端输出的差动放大电路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

14、路的对称性，每只管子的输入端分得每只管子的输入端分得的电压各为的电压各为ui的一半，的一半，但极性相反，即但极性相反，即（2 2）动态分析）动态分析 ui1=u i/2ui2=ui/2显然，是一对差模信号。显然，是一对差模信号。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器单管差模信号交流通路单管差模信号交流通路由图可得出单管差模电压放大倍数：由图可得出单管差模电压放大倍数： C11bbe1oudiuRAuRr 双端输入双端输入双端输出双端输出差动电路的差差动电路的差模电压放大倍数为模电压放大倍数为 C121bbe12oooudiiuuuRAuuRr 与单管的电压放大倍数相同。可见，差动电路是为

15、了抑制与单管的电压放大倍数相同。可见，差动电路是为了抑制零点漂移，利用一只管子补偿了另一只管子，放大倍数没有提零点漂移，利用一只管子补偿了另一只管子，放大倍数没有提高。高。 差模输入电阻为差模输入电阻为)(2beidrRR 差模输出电阻为差模输出电阻为co2RR 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器电气与电子工程学院带负载时，带负载时，RL的中点即为的中点即为“地地”，所以等效负载电阻，所以等效负载电阻 LCLLC12/ /22cLRRRRRRR电压放大倍数为电压放大倍数为 LBbeudRARr 双端输入双端输入单端输出单端输出差动电路的差模电压放大倍数为差动电路的差模电压放大倍数为

16、LBbe12udRARr CLC/ /LcLLRRRRRRR第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图图6.2.6 6.2.6 单端输入单端输入单端输出的差动放大电路单端输出的差动放大电路既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？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？每只管子取得多大的信号呢？ 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器R Re e断路时单端输入的等效输入电路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，即的输入端，两者

17、极性相反，即212iiuu 112iiuu 也就是说，只要共模反馈电阻也就是说，只要共模反馈电阻Re足够大时，两管所取得足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差模信号，即的信号就可以认为是一对差模信号，即单端输入和双端输入单端输入和双端输入的效果一样的效果一样。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 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，对差差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数模信号应有较大的放大倍数，而，而对共模信号则放大倍数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。愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。实实际上

18、对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输出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 ，则共，则共模放大倍数为模放大倍数为 ocucicuAu（3 3）共模抑制比）共模抑制比K KCMRRCMRR 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的共模抑制比共模抑制比，用，用KCMRR表示，即表示，即 udCMRucAKA对数形式表示：对数形式表示： 20lgu

19、dCMRucAKA 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 4）带恒流源的长尾式差动放大电路）带恒流源的长尾式差动放大电路 图中图中VTVT3 3管和电阻管和电阻组成组成了三极管电流源。这了三极管电流源。这种带恒流源的差动放种带恒流源的差动放大电路，比前面介绍大电路，比前面介绍的电路具有的电路具有更高的共更高的共模抑制比。模抑制

20、比。 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RcVT1VT2Rc+ uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31)电路组成电路组成VT3：恒流管：恒流管作用：作用： 能使能使 iC1、iC2基本上不随温度的基本上不随温度的变化而变化，从而变化而变化，从而抑制共模信号的变抑制共模信号的变化。化。图图 4.2.134.2.13恒流源式差分放大电路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结论结论( (1) ) 双端输出时，双端输出时

21、，Ad 与单管与单管 Au 基本相同；单端输出基本相同；单端输出时，时，Ad 约为双端输出时的一半。约为双端输出时的一半。双端输出时，双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时，；单端输出时， Ro = Rc 。( (2) ) 双端输出时，理想情况下，双端输出时，理想情况下，KCMR ；单端；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。输出时，共模抑制比不如双端输出高。( (3) ) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。而使输出电压与输入电压反相或同相。( (4) ) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两单端输出时，由于

22、引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。个管子仍基本工作在差分状态。( (5) ) 单端输出时，单端输出时， Rid 2(R + rbe)。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出AdbeLC)2/(rRRR beLcrRRR )2/( beLcrRRR )/(21 beLcrRRR )/(21 KCMR很高很高很高很高较高较高较高较高Rid)(2berR )(2berR )

23、(2berR )(2berR Roc2Rc2RcRcR第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出特特性性 1. Ad 与单与单管放大电路管放大电路基本相同。基本相同。 2.在理想情在理想情况下，况下，KCMR。 3.适用于差适用于差分输入、双分输入、双端输出，输端输出，输入信号及负入信号及负载的两端均载的两端均不接地的情不接地的情况。况。 1. Ad 约为约为双端输出时双端输出时的一半。的一半。 2. 由于引由于引入共模负反入共模负反馈，仍有较馈，仍有较高的高的KCMR。 3.适用于将适用于将双端输入转双端输入转换为单端输换为单端输出。出。 1. Ad 与单与单管放大电路管放大电路基本相同。基本相同。 2.在理想情在理想情况下，况下，KCMR。 3.适用于将适用于将单端输入转单端输入转换为双端输换为双端输出。出。 1. Ad 约为双端约为双端输出时的一半。输出时的一半。 2.比单管放大比单管放大电路具有较强的电路具有较强的抑制零漂的能力。抑制零漂的能力。 3.适用于输入、适用于输入、输出均要求接地输出均要求接地的情况。的情况