第04章 集成电路运算放大器

1、2022-4-1913.3差分放大电路差分放大电路集成运放中的电流源集成运放中的电流源2022-4-192集成运算放大器简介集成运算放大器简介集成运算放大电路集成运算放大电路集成运放集成运放2022-4-193运算放大器外形图运算放大器外形图2022-4-194一一. 运放内部框图运放内部框图差分放大电路差分放大电路互补推挽电路互补推挽电路电流源电路电流源电路2022-4-1952022-4-1962022-4-1971、放大器、放大器采用直接耦合方式；采用直接耦合方式；2、采用差分放大电路（作输入级）和恒流源电路采用差分放大电路（作输入级）和恒流源电路 （作偏置电路或有源负载）；（作偏置电路

2、或有源负载）；3、允许采用复杂的电路形式，提高电路性能；允许采用复杂的电路形式，提高电路性能；4、用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻；用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻；5、晶体管、晶体管采用复合管形式。采用复合管形式。2022-4-198一、运放输入级采用差分放大电路原因一、运放输入级采用差分放大电路原因能能3.3 差分放大电路差分放大电路(differential amplifier)称为差模输入电压称为差模输入电压)称为差模输出电压称为差模输出电压)(i2i12oo1差差模模电电压压放放大大倍倍数数uuuuAud 差分放大电路又称为差动放大电路。典型电路为双端差分放大电路又称为差

3、动放大电路。典型电路为双端输入、双端输出电路输入、双端输出电路差放2022-4-1992.零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移：集成运放作为一种高增益的直接耦集成运放作为一种高增益的直接耦合放大器，输入级的性能对整个运合放大器，输入级的性能对整个运放的性能的影响放的性能的影响至关重要至关重要。因此，。因此，集成运放的输入级一般都采用高性集成运放的输入级一般都采用高性能的能的差分放大电路差分放大电路，以克服温度带，以克服温度带来的来的零点漂移问题零点漂移问题。 零点漂移往往是由于温度变化等原因引起的，因而也叫作温度零点漂移往往是由于温度变化等原因引起的，因而也叫作温度漂移。温度变化会使漂移。温度变化

4、会使BJT的的ICEO，和和UBE发生变化，从而引起放发生变化，从而引起放大器静态工作点的变化。当第一级放大器的静态工作点发生微小大器静态工作点的变化。当第一级放大器的静态工作点发生微小而又缓慢的变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终而又缓慢的变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。这种漂移电压大到一定程度时，在输出端产生较大的电压漂移。这种漂移电压大到一定程度时，就无法与正常放大的信号加以区别，使得放大器不能正常工作。就无法与正常放大的信号加以区别，使得放大器不能正常工作。2022-4-1910 基本差放电路又称为基本差放电路又称为长尾电路，长尾电路

5、，电路由电路由对称对称的两个的两个CE电路通过电路通过射极射极公共电阻公共电阻耦合而成。耦合而成。电路特点电路特点：T1、T2 所在的两边所在的两边电路电路参数完全对称参数完全对称。长尾电路长尾电路+UCCRCRCRB1RB2RET1T22022-4-1911 BCBEECCIIUUII T21+UCCRCRCRBRBRET1T22022-4-1912+UCCRCRCRBRBRET1T22022-4-1913 若若两个信号大小相等、极性两个信号大小相等、极性( (对地对地) )相反，则相反，则称这两个信号称这两个信号互为互为差模信号；差模信号；3. 差放电路的输入信号差放电路的输入信号+A).

6、 差模信号差模信号若若差模信号差模信号 理想差放电路只放大差模信号：理想差放电路只放大差模信号：uo= Auduid+2idu2idu2022-4-1914 若两个输入信号大小相等若两个输入信号大小相等, ,极性极性( (对地对地) )相同，则称这相同，则称这两个信号两个信号互为互为共模信号。共模信号。共模信号共模信号 差模信号差模信号 理想差放电路理想差放电路共模信号，共模信号，uo= Aucuic，Auc=0。B). 共模信号共模信号+2022-4-1915C). 任模信号任模信号：一般情况下两个信号既不互为差模，也不互：一般情况下两个信号既不互为差模，也不互 为共模，称两个信号互为为共模

7、，称两个信号互为任模信号任模信号。 两个互为任模的信号可以分解为共模信号与差模信号两个互为任模的信号可以分解为共模信号与差模信号分量组合的形式。分量组合的形式。差模信号分量差模信号分量 共模信号分量共模信号分量 两个任模信号分解为两个任模信号分解为:+2022-4-1916)(sin32mVtuid )(sin7221mVtuuuiiic +2022-4-191721iiodidoduduuuuuA +icocucuuA 2A)(A21uc21uducudiiiiicidouuuuAuuAuAuduid 输出电压的差模分量；输出电压的差模分量；Aucuic 输出电压的共模分量输出电压的共模分量

8、(误差分量误差分量)。 2022-4-1918C). 共模抑制比共模抑制比 KCMR (Common mode rejection ratio )： 综合考察放大电路对差模信号的放大能力和对共模综合考察放大电路对差模信号的放大能力和对共模 信号的抑制能力的参数。定义为：信号的抑制能力的参数。定义为：ucuAAKdCMR idCMRicidicidouAKuuAuAuAuududucud)( +2022-4-1919设差放电路对称设差放电路对称 Aud= 50, ui1=10mV, ui2=6mV, 求求 uo 。mVuuuiiiC8221mV421iiiduuuuo=Auduid + Aucu

9、ic 电路对称电路对称 Auc0,uo= Auduid = 504m = 200mV +UCCRCRCRBRBRET1T22022-4-1920三三.分析分析2 1.直流工作点估算直流工作点估算+UCCRCRCRBRBRET1T22022-4-1921+UCCRCRCRBRBRET1T2ERUUIR)1(2BBEEEB BCII CCCCC2C1RIUUU EUUIR2BEEEE UEEUEE2022-4-1922ERUUIR)1(2BBEEEB k)(.101001217015 k20KW W10KW W1KW W1KW W20KW W10KW W2022-4-19232. 差模交流输入分析

10、差模交流输入分析差模地差模地差模地差模地2022-4-19242LR2LR2LR2LR2LR2LRbi bi 2022-4-1925bi bi beBcicidcududrRRuuuuAAa 212)(11121单单端端输输出出时时：)(221beBbibididrRiuiuRbeBcudududidccidoudrRRAAAuuuuuAb 121212 )(双双端端输输出出时时：)(2beBbididrRiuRCodRR2biCodRR2022-4-1926两个输入端：两个输入端：差放2022-4-1927四种接法：四种接法：2022-4-1928+单端输入可以等效为如图所示输入方式：既有差

11、模输入单端输入可以等效为如图所示输入方式：既有差模输入信号信号uid，又有共模输入信号，又有共模输入信号uic；输出电压既包括差模信；输出电压既包括差模信号，又包括共模信号。单入单出、单入双出情况下的号，又包括共模信号。单入单出、单入双出情况下的静静态分析态分析和和差模信号差模信号的分析对应于双入单出、双入双出时的分析对应于双入单出、双入双出时的情况，没有差别。的情况，没有差别。2022-4-19293. 共模输入分析共模输入分析 共模输入：共模输入：两输入信号两输入信号大小相等，极性相同。大小相等，极性相同。0icc2c1icOcuuuuuAucdCMRuuAAKuc1uc2+UCCRCRC

12、RBRBRET1T22022-4-1930共模输入共模输入uc1uc2RLuoEbeBC1uc12)1 (RrRRuuAicc uc1uc2RLuoEbeB12)1 (212RrRiuiuRbicicicic bI半边微变半边微变等效电路等效电路2022-4-1931beBEbeBEECbeBC1d1CMR)1(21)2(2)1( 2)1()(2rRRrRRrRRrRRrRRAAKbeBbeBucu 以上分析表明：以上分析表明：（1）单端输出时单端输出时，差放电路对共模信号的抑制是通过，差放电路对共模信号的抑制是通过RE的强烈负反馈实现的；的强烈负反馈实现的；ECMR （2）双端输出时双端输出

13、时，差放电路对共模信号的抑制主要是通，差放电路对共模信号的抑制主要是通过电路参数的对称性实现的；在电路参数不完全对称时，过电路参数的对称性实现的；在电路参数不完全对称时，也通过也通过RE的强烈负反馈作用，进一步抑制共模信号。的强烈负反馈作用，进一步抑制共模信号。ECMR2022-4-1932W beBLidoudrRRuuA -125 11550 udAW WW W4K)(2beBidrRRW W+15V10KW W10KW W1KW W1KW W10KW W20KW WRL+RCRCRBRBRET1T22LR2LRbi bi 2022-4-1933+UCCRCRCRBRBRET1T2+UCC

14、RCRCRBRBT1T2四、改进型差分放大电路四、改进型差分放大电路差放电路依靠电路的对称性差放电路依靠电路的对称性抑制零漂，当电路对称性不好抑制零漂，当电路对称性不好时，将产生零漂，故在两管发时，将产生零漂，故在两管发射极之间增加一阻值很小的调射极之间增加一阻值很小的调零电位器零电位器Rw，以使当，以使当ui1= ui2 =0时时， uo=0。此外，增加此外，增加RE的阻值，可以的阻值，可以增加抑制零漂的效果，但同时需要提高电源电压，并且在集增加抑制零漂的效果，但同时需要提高电源电压，并且在集成电路中，大阻值电阻制作困难，所以改用恒流源代替成电路中，大阻值电阻制作困难，所以改用恒流源代替RE

15、 。2022-4-19341.带调零的差分放大电路带调零的差分放大电路Rw为UO = UC1UC2 0w2)1(wbeBCudRrRRA CodwbeBidRRRrRR22)1( 2 +UCCRCRCRBRBRET1T22022-4-19352C2C1IIIbeSobeSE)1(21 )1(21 rRrKrRRKCMRCMR 单单端端输输出出时时2022-4-1936obeBC2, 1c1,22)1 (rrRRuuAiccu 带恒流源的差分放大电路实例带恒流源的差分放大电路实例2C2C13III32E3C3R7 . 0RUII电流源内阻电流源内阻rorce3 )(2beBidC1,2d1,2r

16、RRuuACu 单端输出差模电压增益为：单端输出差模电压增益为：单端输出共模电压增益为：单端输出共模电压增益为：bes)1(21rRrKoCMR 2022-4-1937差模放大倍数差模放大倍数Aud , Rid和和RoEERURRRU2122 3233RUUIIBEREC 211321,21BCBCCCIIIIII CCCCCRIUU11 LCCCCLCLCRRIURRRU/22 2022-4-1938)2)1(2wbeBLudRrRRA CowbeBidRRRrRR ,212 WKRRRLCL5 / BEBBLCCCCLCLECCEBEBBCCCCECCEURIRRIURRRUUUURIRI

17、UUUU 2222211111 / 2022-4-1939 +Ucc + + R1 R3 OuR2 R6 T2 T1 iu-UEE R4 R7 R5 T3 T4 T5 例例2：如图所示电路，求：（：如图所示电路，求：（1）静态工作点；（静态工作点；（2）Au、 Ri、 Ro的表达式。的表达式。解解:(1):(1)求求Q点：点：1343413333/)(/ )(RUUURRRRUUIIBEEECCBEBEC 2/321CCCIII 111BECCECCCEUUUUU ) 1 ()(2242222BEBCCCECCEURIIUUUU ) 2()1 (454222BEBCCBECECURIUUUU

18、75645/ )(RURIIBECE 755RIUUUEEECCCE 一级一级二级二级三级三级2022-4-1940 +Ucc + + R1 R3 OuR2 R6 T2 T1 iu-UEE R4 R7 R5 T3 T4 T5 (2)动态分析动态分析 T2 T1 + + OuR6 iuR7 R5 T4 T5 R2 755755447556425442254244554455)1 ()1 ()1 ()1 (/(2)1 (/(21)2/(2RrRRrRrRrRrRAAAuuuuuuuuuuuuuuAbebebebebeuuuiiiiioiiiiioiou55671/beorRRR一级一级二级二级三级

19、三级 T2 + + OuR6 2/iuR7 R5 T4 T5 R2 4iu5iu2222berR56RR121bebeirrR2022-4-1941JFET：2) 例例.五、场效应管差分放大电路五、场效应管差分放大电路2022-4-194233. 0 )2(1)/(SmDSdmuCRgrRgA2 .2033. 067. 61ucudCMRAAK2022-4-1943恒流源恒流源实际电流源模型实际电流源模型iurruioo , I恒流特性恒流特性实际实际4.2 恒流源电路恒流源电路2022-4-19442022-4-1945恒恒流特性流特性实现实现稳流稳流。三三.实现恒流的基本思想实现恒流的基本

20、思想CCEIUrrceo 恒流特恒流特性性2022-4-1946CC212BURRRU EBEBERUUIIL LbBEUELLIIURIIB不变不变 2022-4-1947三三. 常用分立元件电流源电路常用分立元件电流源电路EBEERUUIIZL 恒流源恒流源2022-4-1948B).恒流场效应管恒流场效应管UGS(V)UPIDOIDSS2PGSDSS)1(UUII IRUS GS2022-4-1949四四. . 集成运算放大器中的电流源集成运算放大器中的电流源 镜像电流源镜像电流源 多路电流源多路电流源 电流源作有源负载电流源作有源负载 微电流源微电流源 比例电流源比例电流源2022-4

21、-1950集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路特点：特点：1、用晶体管或场效应管电路组成；用晶体管或场效应管电路组成； 2、直流电阻和交流电阻不同。直流电阻和交流电阻不同。优点：优点：既可以提供合适的静态电流，又可以有较大既可以提供合适的静态电流，又可以有较大 的交流电阻。的交流电阻。用途：用途：1、设置集成运放各级放大电路的静态工作点。设置集成运放各级放大电路的静态工作点。 2、作放大电路的有源负载。作放大电路的有源负载。2022-4-1951BE1BE2=UURCII22 21=:设设 122CRBRIIIIIIC1C2=RUUBECCR=I 输出电流输出电流IC2 与与IR成成镜

22、像关系镜像关系。IC2 = k IR , k越接近越接近1镜像镜像误差误差越小。越小。基本镜像电基本镜像电流源电路流源电路A)基本镜像电流源电路基本镜像电流源电路2022-4-1952n电路简单，应用广泛。电路简单，应用广泛。n输出电流小，输出电流小，R必然大；必然大； 输出电流大，输出电流大，R上功耗大。上功耗大。n具有一定的温度补偿作用：具有一定的温度补偿作用： BBRRCCIUUIIII11C2 当温度升高时当温度升高时RRRCIkIII 222022-4-1953B). 加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源)221()1(21)1(212122223312 RRCCRBRERBRC

23、CIIIIIIIIIIIIIRRCIkII 22022-4-1954 2. 微电流源微电流源e2BEe2BE2BE1E2C2RURUUII 由于由于UEB很小很小，所以所以IC2也很小也很小2022-4-1955)()1(TDTDUUSUUSDeIeII )(ln ,SETBEUUSEIIUUeIITBE )(ln )(ln)(ln212121EETSETSETBEBEIIUIIUIIUUU 2e221e2e2BE2BE1E2C2lnlnCRTEETIIRUIIRURUUII 2e2C2lnCRTIIRUI2022-4-19563.3.比例电流源比例电流源 TBETBEUUSUUSEeIeII

24、 1）（2e2E2BE2e1E1BE1RIU=RIU E2E1Te1E1e1E1E2E1Te1E1e2E2IIURIRIIIURIRIlnlnIC1与与IR成比例变化。成比例变化。 IR 比例电流源比例电流源 R +Ucc Re1 T1 T2 Re2 IC1 IE1 IC2 IE2 IB1 IB2 IB1+ IB2 SETBEIIUUlnE1e2e1E2IRRI )2( Re2e1C2IRRI）（ 1ln E2E1TBE2BE1IIUUU11111112EBECCRRBRCEEEBECCRRRUUIIIIIIRIUURI 2022-4-19574. 多路电流源多路电流源RUUIBECCR2=

25、2022-4-19585. 多路比例电流源多路比例电流源 BE0BE3BE2BE1UUUURe0Re3Re2Re1UUUURe1e0C0e1e0C1IRRIRRI IR 多路电流源多路电流源 R +Vcc T0 T1 Re1 IC0 IC1 Re0 T2 IC2 T3 IC3 Re2 Re3 Re2e0C0e2e0C2IRRIRRIRe3e0C0e3e0C3IRRIRRI 当当IR确定后，选择确定后，选择Rei 的的数值，就可以获得不同的数值，就可以获得不同的偏置电流偏置电流。2022-4-1959beLCiou)/(=rRRuuA 共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为： 图示电路中用图

26、示电路中用电流源代替电流源代替RC，使，使RLro /RC 。因此增益为：因此增益为：beLbeLu)/(=rRrRrAo 结论：用结论：用电流源代替电流源代替RC，使，使Au Au roRLro/RL RL RC/RL ; AuRB2022-4-1960有源负载放大电路有源负载放大电路采用采用PNP管管T2 、T3构成构成镜像电流源。镜像电流源。RB实际电路实际电路RUUIIEBCCRC= 2022-4-1961 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使：电路。为了获得大的输出功率，必须使： 输出信号电压大；输

27、出信号电压大； 输出信号电流大；输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。放大电路的输出电阻与负载匹配。思考：思考：功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？质上的区别吗？ 无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同；电压放大电路追求不失真的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。2022-4-19621. 功率放大电路主要研究的问题：功率放大电路主要研究的问题： 输出的功率输出的功率Po足够大，获得最大输出功率足够大，获得最大输出功率Pom。它是。它是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。流功率。 PoIoVo Vo和和Io是负载上获得的交流电压和交流电流的有效是负载上获得的交流电压和交流电流的有效值。值。 转换效率转换效率 最大输出功率最大输出功率Pom与电源提供的功率与电源提供的功率PV之比。之比。VomPPoRTVPPPP2022-4-1963 在功率放大电路中，三极管尽限应用。在功率放大电路中，三极管尽限应用。2022-4-19642. 功率放大电路的分类功率放大电路的分类 根据三极管静态工作点根据三极管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可在交流负载线上的位置不