第五章集成运算放大器.

1、 集成电路就是采用一定的制造工艺，将二极管集成电路就是采用一定的制造工艺，将二极管、三极管、场效应管、电阻、电容等元件组成的具、三极管、场效应管、电阻、电容等元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于其集成度高后加以封装所构成的半导体器件。由于其集成度高、体积小、功能强、功耗低、外部连线少，从而大、体积小、功能强、功耗低、外部连线少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。集成电路最初多用于各、电路与系统的紧密结合。集成电路最

2、初多用于各种模拟信号的种模拟信号的算术运算算术运算，故被称为集成运算放大电，故被称为集成运算放大电路。路。 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述经历了四代产品经历了四代产品 第一代：沿用分立元件设计思想，但性能远远高于分立元第一代：沿用分立元件设计思想，但性能远远高于分立元件电路。典型产品件电路。典型产品uA709；国产的；国产的F003, 5G23等。等。 第二代：采用有源负载，简化电路设计思想，开环增益明第二代：采用有源负载，简化电路设计思想，开环增益明显提高。典型产品显提高。典型产品uA741； 国产的国产的F007, 5G24等。等。 第三代：采用了超第三代：采用了超管，管， 值高

3、达值高达10005000，考虑了元件，考虑了元件的热效应，减小了失调电压、电流、温漂。典型产品的热效应，减小了失调电压、电流、温漂。典型产品AD508, MC1556；国产的；国产的F1556, F030等。等。 第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各项性能更第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各项性能更加理想。一般情况下不需要调零就能正常工作。典型产品加理想。一般情况下不需要调零就能正常工作。典型产品HA2900, SN62088； 国产的国产的5G7650等。等。2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，

4、电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器偏置电路偏置电路 由各种恒流源等电路组成由各种恒流源等电路组成u+u-uo多级放大器的耦合方式多级放大器的耦合方式1.组容

5、耦合（不适用于集成）组容耦合（不适用于集成）5.1.1 差分式放大电路差分式放大电路2.变压器耦合（不适用于集成）变压器耦合（不适用于集成）3.光电耦合（集成困难）光电耦合（集成困难）RRB1C1uiuoTT12UCE1+UCCE2RRC2+ 前、后级静态工作点的相互影响4.直接耦合：频率特性好、便于集成直接耦合：频率特性好、便于集成直接耦合存在问题直接耦合存在问题tuo0mAuoui=0直接藕合直接藕合放大电路放大电路1、零点漂移现象、零点漂移现象 ui=0时，理论上时，理论上uo应为常数，但实际上应为常数，但实际上uo不为常数，而不为常数，而是缓慢无规则地变化着，这种现象称是缓慢无规则地变

6、化着，这种现象称零点漂移零点漂移。2、零点漂移的危害、零点漂移的危害轻微时，难以区分轻微时，难以区分信号信号和和燥声燥声，使执行机构使执行机构误动作误动作严重时，阻塞信号通道严重时，阻塞信号通道使自控系统使自控系统完全瘫痪完全瘫痪3、产生零点漂移的原因、产生零点漂移的原因 起零点漂移的原因很多，如电源电压的波动、元起零点漂移的原因很多，如电源电压的波动、元器件的老化、半导体元件参数器件的老化、半导体元件参数随温度的变化随温度的变化，都将产，都将产生生uo的漂移。的漂移。 采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元器件可以大大减小由此而产生的漂移。所以由

7、器件可以大大减小由此而产生的漂移。所以由温度变温度变化化引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主主要原因要原因，因而零点漂移也称，因而零点漂移也称温度漂移温度漂移，简称，简称温漂温漂。抑制放大电路第一级的漂移是至关重要的问题抑制放大电路第一级的漂移是至关重要的问题4、抑制零点漂移的方法、抑制零点漂移的方法采用差分式放大电路采用差分式放大电路 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿在电路中引入直流负反馈在电路中引入直流负反馈1、电路结构、电路结构特点：特点： 结构对称结构对称 双入双出双入双出T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRB

8、RPRE VEEuiui1ui2ab2. 差模信号与共模信号与输入信号差模信号与共模信号与输入信号差模信号：差模信号：共模信号：共模信号：idodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA共模电压增益共模电压增益总输出电压总输出电压icVCidVDocodo=vAvAvvv+ += =+ +VCVDCMR=AAK4. 共模抑制比共模抑制比i2i1id=vvv i2i1vv =i2i1vv = =)(21=i2i1icvvv+ +3、输入输出方式、输入输出方式1.双端输入双端输入双端输出双端输出（ui输入、输入、uo输出）输出）2.双端输入双端输入单端输出（单端输出（ui输入、输入

9、、uo1或或uo2输出）输出）3.单端输入单端输入双端输出（双端输出（b点接地点接地ui输入输入、uo输出）输出）4.单端输入单端输入单端输出（单端输出（b点点接地接地ui输入、输入、uo1或或uo2输出）输出）T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRPRE VEEuiui1ui2ab反相输出端反相输出端同相输出端同相输出端4、抑制零点漂移、抑制零点漂移uo=uo1 uo2= 0uo=(uo1 + uo1 ) (uo2 + uo2 ) = 0ui1 = ui2 = 0当温度变化时当温度变化时:uo1 = uo2 uo1 = uo2注意注意上述抑制零漂的根本原理是利用了电路结构上述抑制

10、零漂的根本原理是利用了电路结构的对称性，若输出方式为单端输出，则只有的对称性，若输出方式为单端输出，则只有利用利用RE来抑制零点漂移。来抑制零点漂移。T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRPRE VEEuiui1ui2ab静态静态时时: :5.1.2 静态分析和动态分析静态分析和动态分析ui1=ui2=0IBRB+UBE+2IERE=VEEIB=VEE UBERB+2(1+ )REIC= IBUCE=VCC+VEE ICRC 2IEREuo=uo1 uo2=01.静态工作的计算静态工作的计算（忽略（忽略RP）T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRPRE VEEuiui1

11、ui2IB2IEIC2、动态分析、动态分析单管微变等效电路单管微变等效电路rbe RCRS+RBui1uo1usibibRET1T2+VCCRCRCuouo2RBRBRW VEEuiui1ui2uo1因电路对称只须因电路对称只须分析一半分析一半1. 输入差模信号输入差模信号 （ui1= ui2）要点：要点： Ad, ri, ro（1）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数uiAd=uo= =uo1 uo2ui= =Ad1ui1 Ad2ui2uia.双端输出：双端输出：若输出端带负载，则若输出端带负载，则Ad= Ad1= RC/12RLRB+rbe双端输出时，差模放大倍数就等于单管的放大倍数双端输出

12、时，差模放大倍数就等于单管的放大倍数rbe RCRS+ RBui1uo1us12RLibib RCRB+rbe Ad=Ad1= =uo1ui1因电路对称，因电路对称，Ad1=Ad2，b.单端输出：单端输出：反相端输出反相端输出uiAd=uo1= =uo12ui1= Ad112= RC/RLRB+rbe12同相端输出同相端输出uiAd=uo2= =uo2 2ui2= Ad112= RC/RLRB+rbe12单端输出时，差模放大倍数等于单管放大倍数的一半单端输出时，差模放大倍数等于单管放大倍数的一半（2）差模输入电阻）差模输入电阻ri=uiii12ui1ii1=2(RB+rbe)与输出方式无关与输

13、出方式无关差模输入电阻是单管放差模输入电阻是单管放大电路输入电阻的两倍大电路输入电阻的两倍rbe RCRS+ RBui1uo1usii1ibib（3）输出电阻）输出电阻ro=uoio2uo1io=2RCa.双端输出：双端输出：b.单端输出：单端输出：ro=uo1io=RC输出电阻输出电阻ro=rbe RCRS+ RBui1uo1usioibib2RC（双端输出）（双端输出）RC （单端输出）（单端输出）2.输入共模信号输入共模信号共模电压放大倍数共模电压放大倍数a.双端输出：双端输出：（ui1=ui2）b.单端输出：单端输出：双端输出时，共模电压放大倍数等于零，即差双端输出时，共模电压放大倍数

14、等于零，即差分放大电路对共模信号有很强的分放大电路对共模信号有很强的抑制作用抑制作用。rbe RCRS+ RBui1uo1usibib2REuo1 uo2ui1=0= =Ad1ui1 Ad2ui2ui1ui1Ac=uo= =ui2uo= = RCRB+rbe+(1+ )2REuo1uo2ui1Ac= =ui2 RC2RE单端输出时，只能靠单端输出时，只能靠RE来抑制共模信号。来抑制共模信号。3.共模抑制比共模抑制比KCRM 由上分析可知，如果温度变化，两个差放管的电流将按相同由上分析可知，如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路加上一个共模输入信的方向一起增

15、大或减小，相当于给放大电路加上一个共模输入信号。所以差模输入信号反映了有效信号，而共模输入信号可以反号。所以差模输入信号反映了有效信号，而共模输入信号可以反映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数分放大电路的差模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。愈小愈好。共模抑制比共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。漂和共模信号的能力。KCRM= AdAc或或KCRM=20lg AdAc(dB)KC

16、RM愈大，电路的性能就愈好。在理想情况下，愈大，电路的性能就愈好。在理想情况下，若为双端输出，则由于若为双端输出，则由于Ac=0，KCRM= ；若为单端；若为单端输出，则输出，则RE愈大，愈大，KCRM愈大。愈大。4 . 输入比较信号输入比较信号ui1=ui1 ui22ui1+ui22+uc2ud2=+ui2=ui1 ui22ui1+ui22=uc2ud2 ui1，ui2任意任意由叠加原理，由叠加原理，uo=A(uc/2uc/2) = 0当差模信号单独作用时当差模信号单独作用时，当共模信号单独作用时当共模信号单独作用时，uo=Aud/2( ud/2)=Auduo =Aud =A(ui1 ui2

17、)放大的是两者之差！放大的是两者之差！二、改进型差分放大电路二、改进型差分放大电路1.问题的提出问题的提出对于共模信号对于共模信号 IC1=IC2=IS/2，并且不变并且不变T1T2+VCCRCRCuouo2RBRBRPuiui1ui2uo1 VEERE2.改进电路改进电路RE越大越大,抑制零漂越好抑制零漂越好,但但RE越大越大要求负电源要求负电源VEE越高越高不实际。不实际。 VEEIS对于差模信号对于差模信号 IC1 = IC2 IE = 0, E点动态接地点动态接地KCRM= AdAc则则 uo1 = uo2 = 0,不论双出不论双出/单出，单出，AC= 0仍有仍有 Ad = RC/(R

18、B+rbe), AC =03.实例分析实例分析静态分析静态分析忽略忽略IB3 ，则，则UB3 0 = 4.42V(0VEE UBE4 ) R1(R1+R2)IC3IE3=(UB3UBE3VEE )/RE3=0.37mA动态分析动态分析rBE1=rBE2 =300+(1+ )26/IE1=7.46kT1T2+VCC 6V RC20kuouo2ui1ui2uo1IB3T3IC3= ISI4 VEE 6V T4R2480R12.4kIC2IC1RC20kRB50RB50RE32.4kIE3 =50IC1IC2=IC3/2=0.185mAUC1=UC2=VCC RCIC1 =2.3VUB1 = UB2

19、0, UE1 = UE2 0.7VUCE1 = UCE2 =3V双端输出时双端输出时Ad= RC/(RB+ rBE1) = 133单端输出时单端输出时Ad= Ad /2 = 66.6 (2)乙类工作状态乙类工作状态(3)甲乙类工作状态甲乙类工作状态(1)甲类工作状态甲类工作状态tuCEiCiCIB=0Q00UCESVcctuCEiCiCQ00IB=0UCESVcctuCEiCiCQ00IB=0UCESVcctiLtui00交越交越失真失真uiiL+VccVccRLic2ic1T1T2uoEBT1 、 T2轮流导通轮流导通出现交越失真出现交越失真D1D2R1R2uiiL+VccVccRLT1T2

20、uoEBOCL电路电路rD1R1R2uiiL+VccVccRLT1T2uoErD2rD1、rD2非常小，近似于短路非常小，近似于短路1、F007P183, A 105 , ri 2M2、F324P186, A 100dB, ri 5M典型集成运放典型集成运放5.2.1集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号uiuou+u输出端输出端同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端u+uouiu1.最大输出电压最大输出电压UOM；2.开环电压放大倍数开环电压放大倍数Ad;3.输入失调电压输入失调电压Uio;4.输入失调电流输入失调电流Iio;5.输入偏置电流输入偏置电流IiB;6.差模输入、输出电阻差模

21、输入、输出电阻rid及及rod；7.最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm;8.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm;9.共模抑制比共模抑制比KCRM；除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。除上述主要技术指标外，还有许多其他指标。集成运放电压传输特性集成运放电压传输特性uo0uiUOMUOMUiUi+线性区线性区uiUiUi+Ui+和uiUi-R4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uououo=R4R3R4+uo得得 uoif = RF2. 同相比例运算电路同相比例运算电路 u

22、o = 1+ u+RFR1 1 = 1+ ui RF R1 1虚断路虚断路 i+ 0虚短路虚短路uiu =+uou = fR1R1 RF+u+=u- =uf故有：故有：RF引入引入电压串联电压串联负反馈负反馈R2= R1/ RFRFR1uiuoufudR23. 同相电压跟随电路同相电压跟随电路uiuouo = uiRFR2若若RF = 0，运算关系不变，运算关系不变F1u o3Pui1 ui3ui2 i1i2i3if2RP= R1/R2/R3/ RF1 1、反相、反相 uo= ( ui1 RFR1+ ui2 RFR2+ ui3) RFR32 2、同相、同相由节点法，由节点法， u+=(ui1/

23、R1+ui2/R2+ui3/R3)/(1/R1+1/R2+1/R3)u= R4uO/(R4+RF) ， 由虚短路由虚短路， u+= u uO= (1+RF/R4) (ui1R/R1+ui2R/R2+ui3R/R3)其中其中: R= R1R2R3ui1 i11u o3ui3ui2 i2i3if2RFR4应用叠加定理应用叠加定理进行分析进行分析- - ui1 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3RFR1RFuoR1R2R3ui1ui21Fo(1u)RR(1u 1F)RRi2323uRRR+=+=i11FouRRu=R2/R3=R1/RF减法运算电路（续）减法运算电路（续） uo= ui

24、2 - - ui1 RFR- - ui1 = ui2 uoR1 +RFR1R2 + R3R3RFR1RFuoRRRFui1ui2当当R1= R2=R, R3=RF时，时，特别地特别地，当，当R = RF 时，时， uo= ui2 - - ui1应用举例：试求应用举例：试求uo与与ui的关系的关系1312o1F2i2F2ouRRuRRu = = uoui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2N2N1R12R13R22R21R11ui2uoui1uo1RF2RF1o1R11RF1u = = ui15.3.4 积分电路和微分运算电路积分电路和微分运算电路 1. 积分运算电路积分运算电路

25、uiCFuo2由虚断和虚地由虚断和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt即即 CF duo/dt = ui /R1若开始积分前，电容已储能，则若开始积分前，电容已储能，则)(11oitotFotudtuCRu+=)t(tCRU12F1i uiuott00t1t2Ui注意注意: uo Uom2. 微分运算电路微分运算电路 duidtuo= RF C1 uiuo由于微分和积分互为逆运算，由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。将电容与电阻位置对调即可。输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为若输入为方波若

26、输入为方波则输出波形为则输出波形为uuOiC1F应用举例：试应用举例：试求求uo与与ui的关系的关系A1A3A210k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 Fuo3uiuo1uo2uoiuoudtoduuuuudtuuuuuoooooooio1055015050100)51101(322131= = = =+ += = = =+ + = = UOM-UOMuiuo0UTR1R2uoui1、 反相输入过零比较器反相输入过零比较器u+ = 0, = 0, u = = ui当当 ui 0 0时，时，u 0 0时，时，u u+ ，uO = = uOm uO翻转时所对应的翻转时所对应的ui称门限电压，记为称门限电压，记为UT2、 同相输入过零比较器同相输入过零比较器R1R2uoui-UOMUOMuiuo0UTu+ = =ui , , u = = 0当当 ui 0 0时，时， u+ 0 0时，时， u+ u ，uO = + = + uOm UT = = 0ttUOM-UOM00UOM-UOM0uiuouiuoR1R2uOuit1t2t3过零限幅比较器过零限幅比较器1）反相输入过零限幅比较器）反相输入过零限幅比较器Dz1 Dz2UZ-UZR1R2uOui0uOui-UO