第6章 集成运算放大电路

1、电子技术基础（模拟部分）电子技术基础（模拟部分）兰州大学信息科学与工程学院兰州大学信息科学与工程学院20132013集成电路运算放大器中的电流源1、镜像电流源、镜像电流源T0 和 T1 特性完全相同。，成镜象关系。，CC0C1B0B1BE0BE1IIIIIVVRRIIIIIIII22CCCB10B0CRVVII， BECCRC1 则时2 若多路输出镜像电流源多路输出镜像电流源 若考虑到若考虑到不够大或输出路数很多，该如何处理？不够大或输出路数很多，该如何处理？若若不够大或输出路数很多：不够大或输出路数很多：作用？作用？2、比例式电流源（多路输出）、比例式电流源（多路输出）RCIRRI212RC

2、IRRI313要求提供很小的静态要求提供很小的静态电流，又不能用大电电流，又不能用大电阻时，采用微电流源阻时，采用微电流源微电流源微电流源eeRVRVVIIBEBEBEEC10113、电流源用作有源负载、电流源用作有源负载F007型集成电路运算放大器型集成电路运算放大器6.1.1 6.1.1 前后级前后级Q Q点相互影响点相互影响设两个管子的特性参数相同，则Ub1=Ub2=0.7v Uc1=Uc2=EC-IcRc=Ec-RcIb= Ec-Rc(Ec-Ub)/Rb=6.3vuiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=501、 直接耦合后，由于Ub2不会有

3、很大的增加，迫使T1处于接近饱和的状态。2、 直接耦合后，Rc1作为T2的扁流电阻，且由于Rc1Rb2使IB2大大增加，使T2处于深度饱和状态。6.1 直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点6.1.1 6.1.1 前后级前后级Q Q点相互影响点相互影响6.1 直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点uiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=503、怎样解决直流电位相互牵制的问题？（1）利用Re2提高T2的Ue，使T1，T2退出饱和状态。 Re2优点：元件少，结构简单缺点：由于Re的作用使放大倍数降低。因为UcUb，当级数增多时，这一方面要求电源提供

4、更高的电压，另一方面输出端可能偏离所要求的直流电位。在接入信号源或负载时，由于信号源或负载电阻的分流作用也会影响放大电路的直流电位。 Re2的阻值应由T1的Uc1和T2的Ie2来决定，即Re2=（Uc1-Ube2）/Ie26.1.1 6.1.1 前后级前后级Q Q点相互影响点相互影响6.1 直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点uiRC13kRb1300kT1=50+EC=12vuoRC13kRb2300kT2=503、怎样解决直流电位相互牵制的问题？（1）利用Re2提高T2的Ue，使T1，T2退出饱和状态。 Re2（2）利用NPN型和PNP型管交替使用。 uiRb1Rb2Rc1Re1Rc2

5、uo-E+E（3）用硅稳压管耦合移动电位。 u0uiRb1Rc1Rb2+EC6.1.2 6.1.2 零点漂移零点漂移 6.1 直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点1、什么是零点漂移在直流放大电路中，我们把输入信号为零时，输出电压偏离其初始值的现象称为零点漂移。 （1）直流放大器级数越多，放大倍数越大。输出端漂移现象越严重。（2）第一级的零漂影响最大。 ui Au=20 U01=10mv Au=20 U02=210mv Au=20 U01=4.21v uot0有时会将信号淹没6.1.2 6.1.2 零点漂移零点漂移 6.1 直接耦合放大器的特点直接耦合放大器的特点3、产生零漂的原因（1） 温

6、度的变化最主要。（2） 电流电压的波动。（3） 电路元件参数的变化。4、减少零漂的措施（1） 选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。（2） 采用调制的方式。（3） 采用差分放大电路。2、怎样衡量零点漂移的大小：折算到输入端的等效漂移电压放大器的电压放大倍数输出电压的漂移值等效漂移电压 6.2.1 基本电路基本电路 特点：特点：结构对称。结构对称。6.2 差动放大器差动放大器ui26.2.2 工作原理工作原理 1、 工作原理当ui=0时，ui1=ui2=0，一方面uo1=uo2=0，另一方面UC1=UC2，可见，在电路完全对称的情况下，输入信号为零时，输出信号也为零。当uI0时，ui1uoRCR1

7、RsRCR1Rs+ECuiuo1uo2 ui1=-ui2， 则uo1=-uo2，同时UC1=UC2，则输出信号uo=uo1-uo2=2uo1，即输入信号不为零时，输出信号也不为零。ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo16.2.2 工作原理工作原理 2、 放大倍数： 6.2 差动放大器差动放大器即这种电路的电压放大倍数与单管放大器的电压放大倍数相同。 2/LCLRRR iegLiegbLb2o1o1uhRR)hR(IRIUUAiegLuhRRA22iegLuioioiiooiouhRRAUUUUUUUUUUA11111212122总的电压放大倍数：RL RL/26.2.2

8、 工作原理工作原理 3、 共模信号与差模信号共模( common mode)信号：uc 6.2 差动放大器差动放大器ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo1 由于电路完全对称，当温度变化时，两管的零漂总是一样的，这相当于在两管的输入端加了一个共模信号，uic1=uic2，则uoc=Auuic=Au(uic1-uic2)=0差分放大器可以完全抑制共模信号。差模(differential mode)信号：ud 两信号的幅值相等，位相相反，频率相同。4、 对零点漂移的抑制两信号的幅值相等，位相相同，频率相同。6.2.2 工作原理工作原理 5、 共模抑制比（Common - Mo

9、de Rejection Ratio) 6.2 差动放大器差动放大器ui2ui1uoRCR1RsRCR1Rs+ECuiuo1uo1 对理想的差动放大器：CMRR= 一般的差动放大器： CMRR=60dB（左右） 差分放大电路能有效地放大差模信号，而对共模信号有很强的抑制能力。这是它的主要优点。差模放大倍数越大，共模放大倍数越小，即对共模信号的抑制能力越强，说明放大器的性能越好。 )dB(AAlg20AACMRRucuducud1、结构、结构为了使左右平衡，可设为了使左右平衡，可设置调零电位器置调零电位器: uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE6.2.3 典型电路分析典型电

10、路分析长尾电路长尾电路 6.2 差动放大器差动放大器2、 RE的作用的作用 设ui1 = ui2 = 0 抑制温度漂移，稳定静态工作点。温度温度TICIE = 2ICUEUBEIBIC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1、结构、结构为了使左右平衡，可设为了使左右平衡，可设置调零电位器置调零电位器: uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE6.2.3 典型电路分析典型电路分析长尾电路长尾电路 6.2 差动放大器差动放大器2、 RE的作用的作用 两管的集电极电压的变化，也是大小相等，方向相反，当负载接在两管的集电极之间时，负载两端的输出电压是两管集电极的电位差

11、，而不是相互抵消。 RE对差模信号没有反馈作用。 ui1 ui2ib1 , ic1ib2 , ic2ic1 = - ic2iRE = ie1+ ie2 = 0uRE = 0RE对差模信号对差模信号不起不起作用作用3、Q点的计算点的计算IBIC1IC2IBIE6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEEuoWP/2+ECRCRsRCRs2REEe2REWP/2Q点： IC1IE1 IB1=IC1/1 UCE1=EC-IC1(RC1+2RE)-EeE1BEe1W21E1BEe1ER2UE1RsRR2UEIS11ER1IE

12、e-UBE1=IE1(WP/2+2RE)+IB1Rs = IE1(WP/2+2RE)+得：(1) 差模输入差模输入均压器均压器diiuuu211diiuuu212RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍数的计算放大倍数的计算 6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器RL/2WP/2RCRs)1 (WhR)2R/R(AP21iesLcud(1) 差模输入差模输入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍数的计算放大倍数的计算 6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器)1 (WhR)2R/R(AP21ie

13、sLcud110022iddiddudUUUUA双)1 ()2/(21PiesLcWhRRR双单udiddiddudAUUUUA2121100在双端输出时：在单端输出时：(1) 差模输入差模输入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC4、放大倍数的计算放大倍数的计算 6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器)1 (WhR)2R/R(AP21iesLcud说明：差分电路的差模电压放大倍数与对应的单管放大器相等。选择较大的负载电阻和较高的管子，可以获得较大的放大倍数。WP对差模信号有负反馈作用，故不能太大。单端输出的Aud是双端输出的Aud的一半。(2) 共模

14、输入共模输入4、放大倍数的计算放大倍数的计算 6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEERW/22RERC2Rs说明：Auc在单端输出的情况下与对应的单管放大器相等，但很小。在双端输出时，由于电路的对称性，使Auc=0。因为零漂信号就是共模信号，故电路对零漂有抑制作用。 1ic1c0ucUUAecP21eiescR2R)1)(WR2(hRRuc1ic1ocicocucA21U2UUUA单在单端输出时：(1) 差模输入差模输入RRuoui+UCCRCT1RsRCT2RsREUCC5、输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电

15、阻 6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器RL/2WP/2RCRs)1 ( 2)1 (222112111piesbpiesbbiiiidWhRiWhRiIUIURcoRR2两输入端之间的电阻 (2) 共模输入共模输入6.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEERW/22RERC2Rs5、输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 每个输入端对地的电阻 )2(12111PeiesiciCicWRhRIURcoRR26.2.3 典型电路分析典型电路分析6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRC

16、T1RsRCT2Rsui2REUEE6、四种接法、四种接法21212112BEBEBEBEeBETREBEUUUURUUEUUe即较大时，当的基极接地（1）双端输入，双端输出；（2）双端输入，单端输出；（3）单端输入，双端输出；虽是单端输入，但由于Re的负反馈作用，其实际效果等效于双端输入。（4）单端输入，单端输出；6.2.4 差动放大器的改进差动放大器的改进 6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE1、采用恒流源的差动放大器、采用恒流源的差动放大器 已知Re对共模信号有反馈，对差模信号无反馈，故Re越大越好，但Re太大，必须电源电压很高。 例如：

17、设IRe=1mA，当Re=10k时，Ee=10.7V； 当Re=100k时，Ee=100.7V。对晶体管的e极和c极之间，具有极高的等效阻抗而压降不大。 IC(mA)UCE(v)QIC UCE )10(IUr6CCECE左右很大)10(IUR2CQCEQCE左右很小6.2.4 差动放大器的改进差动放大器的改进 6.2 差动放大器差动放大器uoui1+UCCRCT1RsRCT2Rsui2REUEE1、采用恒流源的差动放大器、采用恒流源的差动放大器 电路结构电路结构:+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRs3e3212eC3e3B3e3E3E3CRER)RR(R)EE(REU

18、REUII由于T3的恒流作用，当为共模信号时，T1、T2的e极电位，将随输入信号变化而变化，但两管的电流IC1、IC2却几乎不变，故UC1、UC2几乎不变。R3是负反馈电阻，提高了恒流源IC3的稳定性和进一步提高恒流源的交流输出电阻。6.2.4 差动放大器的改进差动放大器的改进 6.2 差动放大器差动放大器2、采用共模负反馈的差动放大器、采用共模负反馈的差动放大器 电路结构电路结构:+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRsUA+EC R1T3uiR2-EeT2R3T1RCWPRCRsRsT IC1 IC2UAUBIE3IC3IC2IC16.3.1 集成电路及其分类集成电路

19、及其分类 1、小规模集成电路（0100个元件） 中规模集成电路（1001000个元件） 大规模集成电路（1000个元件以上） 超大规模集成电路（十万个元件以上） 6.3 集成运算放大器集成运算放大器 2、模拟集成电路 数字集成电路3、集成运算放大器 集成功放 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点： 工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类： 6.3.2 运算放大器及其特点运算放大器及其特点 1、运算放大器是一个高增益的直接耦合放大器；2、运算放大器第一级总是采用

20、差分放大器，末级采用射极输出器，因此，它至少有两个输入端、一个输出端。 6.3 集成运算放大器集成运算放大器同相输入端：uo与ui的位相相同。反相输入端：uo与ui的位相相反。Aod：开环差模电压放大倍数。ui反相输入端同相输入端Uo=AodUi u u+ uoAo国际符号国际符号国内符号国内符号Auduu+6.3.2 运算放大器及其特点运算放大器及其特点 3、运算放大器的等效电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器4、理想运算放大器的特性（1）差分输入阻抗 Ri=（2）输出阻抗 Ro=0（3）开环电压放大倍数 Aod=ui反相输入端同相输入端AudUo=AodUi U-U+Roui Ri

21、AodUi uo（4）通频带宽 BW=（5）共模抑制比 CMRR= （6）特性不随温度变化6.3.2 运算放大器及其特点运算放大器及其特点 5、集成运算放大器的特点（1）同一芯片上的元件是同一工艺制造出来的，故具有同相偏差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。（2）尽量采用三极管代替电阻、电容和二极管等元件。 尽量多用NPN型管，少用PNP管。6.3 集成运算放大器集成运算放大器6、集成运算放大器的方框图 输入级中间级输出级偏置电路u-u+6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 1、差动输入级（1）对输入级的要求零点漂移要尽量小，输入电阻要高，基极偏置电流要小，并

22、且有较高的增益。（2）采用普通差动放大器的输入级优点：结构简单，容易对称，有因而漂移较小。缺点：输入阻抗低（50300k），电压放大倍数不高（30100）。（3）采用共集共基差动放大器 6.3 集成运算放大器集成运算放大器6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 1、差动输入级（3）采用共集共基差动放大器 6.3 集成运算放大器集成运算放大器 这种电路由两级放大电路组成，第一级由较高的NPN型管T1、T2组成共集电极放大器，T3、T4为其负载，I0为本级集电极恒流源。IOu+u-T1T2T3T4IOuoRC1RC2-EC第二级由较低的横向PNP管T3、T4接成差动放

23、大器，其负载电阻为Rc1、Rc2，I0为本级基极恒流源。6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 1、差动输入级（3）采用共集共基差动放大器 6.3 集成运算放大器集成运算放大器特点：共集电极放大器的输入阻抗高，电流增益大，而共基极放大器的输出阻抗高，电压增益大，故该电路兼有两者的特点。IOu+u-T1T2T3T4IOuoRC1RC2-EC利用较高的NPN管补偿了较低的PNP管，因此，这种电路不仅输入阻抗高，电压增益也大。允许较高的差模输入电压（30V），因为横向的PNP管有很高的反向击穿电压。6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 1

24、、差动输入级（4）采用复合管形成的差动放大电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器优点：因=13=24，使IC在固定的情况下，IB可以大大减小，因而输入电阻可以提高到兆欧级。缺点：两组复合管很难做到对称，因而漂移较大。 IOu+u-T1T2T3T4uoRCRC-Ee+EC6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 1、差动输入级（5）采用超管构成的差动电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器超管的基区比一般管做的更薄，掺杂浓度更低，而e区的掺杂浓度更高，使这种管子在低电流的情况下的值高达10005000。超管T1、T2接成共射差动电路，输出端接到由T3、T4组成的

25、共基极电路，RC1、RC2为T3、T4组成的复合管的集电极负载。 IOu+u-T1T2T3T4uoRCRC-Ee+ECT5T6IO为保护超管，增加了T5、T6组成的电路，使UCE1=-UBE3+UBE5+UBE60.7v以保证超管安全工作，不致损坏。 6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 2、中间级 主要功能：提供足够大的电压增益；有较高的输入电阻；能够提高较大的输出电流；将输入级的双端输出变为单端输出；实现电位移动。（1）有源负载共射放大电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器用有源元件代替放大器中的RC，可使放大倍数大大提高，而不需增加电源电压。但应尽可能

26、地提高晶体管的输出电阻和下一级的输入电阻。 有源负载放大器允许电源电压变动的范围较宽。 uiuoRC+EC电阻负载IB2uoT1T2+ECui有源负载6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 2、中间级（2）双端变单端电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器T1、T2组成差动电路，T3、T4为T1、T2的有源负载，当差模信号输入时iC1（iC1）， iC2（-iC1），而IC1=IC3，又T3、T4的e结并联，所以：IC4=IC3=IC1，因而输出电流增量 i0=IC4-IC2= iC1 -(-iC1)=2IC1这就把差模电压引起的T1，T2两管集电极电流的增量全

27、部输出给负载，并实现了双端变单端。 u0I0uiT4T3T2T1+ECIC4IC2IC3IC1i0-Ee6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 2、中间级（3）电平移动电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器因为恒流源的交流电阻很大 rR，直流电阻较小，故：u2u1，U2=U1I0R +U2=U1I0RU1I0u1u2=u1R6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 2、中间级（3）电平移动电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器PNP管与NPN管搭配的移动电路 T2T1RC2RC1u0uiEe+ECRe2Re1T1：NPN管作放大

28、用。T2：横向PNP管既有一定放大又作电平移动。对T1：UCUB，对T2：UC1时 I0IR=特点：IR选定后，I0随之确定镜像恒流源；I0受电源EC变化的影响较大；要得到较小的电流，就需要较大的电阻R，故此电路适用于工作电流I0较大的场合（毫安级）；/31IIR3C6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 4、偏置电路（2）比例电流源电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器T3IC3T2T3IREFIo=IC2+ECR2IBIB2IB1IE1IE2R1R23 . 2IIln3 . 2oRER则2E1ET11ES2ETS1ET11E22EIIlnURIIIlnUI

29、IlnURIRImv26/USmv26/USEBEBEeI) 1e (II由SETBEIIlnUU得由图知：UBE1+IE1R1= UBE2+IE2R2 则：IE2R2= IE1R1+ UBE1UBE2即若两管的足够大，可认为：I0IE2，IE1IC1= IREFIB1IB2IREFoREFTREF212EoIIlnUIRRII得10II101oREF如果0REF2TIIlnRU可忽略REF21oIRRI 6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 4、偏置电路（3）微电流源电路 6.3 集成运算放大器集成运算放大器T3IC3T2T3IREFIo=IC2+ECR2IB

30、IB2IB1IERe)IIlnII(lnU2S2E1S1ETmv26/USmv26/USEBEBEeI) 1e (II由SETBEIIlnUU得由图：UBE1= UBE2+IERe 则：IERe= UBE1UBE2 IS1IS2，IE1IC1 IR，IE2IC2I0oRTeoe2EIIlnURIRI得（当IR、Re确定时，可求出I0）上试为超越方程，可用图解法或累式法求解。6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 4、偏置电路（4）多路输出恒流源因电流源输出的工作电流与基准电流IR的比值可通过改变Re来控制，这样可以设置一个公共的基准电流，使各级电流源有不同的数值输

31、出。6.3 集成运算放大器集成运算放大器+ECRIR=500A10A50A489.5AIC1 489.5A10.5AT1T25A0.1ARe1 10.2k0.5A1.2k4.9A6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 5、实际电路分析5G24(F007) 6.3 集成运算放大器集成运算放大器T1uiR11kD1D2u015v+15vT2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12T13T14T17T16T15T19T18RWR250kR539kR31kR43kR650R74.5kR87 . 5kR1050R925C+6.3.3 集成运算放大器的基本单元电路集成运

32、算放大器的基本单元电路 5、实际电路分析5G24(F007) 6.3 集成运算放大器集成运算放大器主要特点采用有源负载，使电压放大倍数很高（十万倍）；放大级数少（采用两级放大），使相位校正十分简便（用一只30PF的电容作校正元件，就能够保证在各种情况下稳定工作）；输入阻抗高，共模抑制比高，有过载保护，功耗低；集成运算放大器：集成运算放大器： 741型集成运算放大器型集成运算放大器差分输入级偏置电路差分输入级偏置电路 放大级输出级放大级输出级中间中间信号流经路径和各主要电路单元信号流经路径和各主要电路单元集成运算放大器：集成运算放大器： 741型集成运算放大器型集成运算放大器集成运算放大器：集成运算放大器： 741型集成运算放大器型集成运算放大器741型集成运算放大器基本电路型集成运算放大器基本电路输入差分放大器的输出端镜像恒流源偏置输入差分放大器的输出端镜像恒流源偏置单端输