第6章运算放大器课件

6.1集成运算放大电路中的电流源6.2差分放大电路6.3模拟集成运算放大器第六章集成运算放大器200404018JG01020186.1集成运算放大电路中的电流源第六章集成运算放大器1集成电路:

将整个电路中的各个元、器件都做在同一个半导体基片上。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：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

6.1集成运算放大电路中的电流源200404018JG0102018集成电路:将整个电路中的各个元、器件都做在同一个半导体基2集成电路内部结构的特点：电路的元件都制作在同一芯片上，电路结构与元件参数对称，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。用有源器件代替无源元件，电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。采用复合结构的电路。在IC内多采用复合管，提高电路性能。4.级间采用直接耦合方式；利用二极管进行温度补偿和电位偏移。5.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。6.二极管一般用三极管的发射结构成。200404018JG0102018集成电路内部结构的特点：电路的元件都制作在同一芯片上，电路结3电流源镜像电流源镜像电流源电路如图6.1.1所示，选择的参数相同

200404018JG0102018电流源镜像电流源镜像电流源电路如图6.1.1所示，选择4可见，R确定后，电流就确定了。我们将视为的镜像电流，故称该电路为镜像电流源。图6.1.1所示电流源中，当值较大时和有一定的差别改用6.1.2所示电路，利用的电流当大放大作用，减小对的分流作用。200404018JG0102018可见，R确定后，电流就确定了。我们将52.微电流源为了减小镜像电流源电路中的电流，采用图6.1.3所示的微电流源。当基准电流源一定时，可确定如下：3.比例电流源

工作原理：和镜像电流源相同。200404018JG01020182.微电流源3.比例电流源工作原理：和镜像电流源相同。64.多路电流源

200404018JG01020184.多路电流源200404018JG010201873.电流源的作用

在模拟集成电路中电流源的作用主要有二：一是作直流偏置电路—为放大管提供合适的偏置电流；而是用作有源负载。图6.1.5中T1是放大管，T2、T3组成镜像电流源，用作为T1的负载。由于电流源的交流电阻很大。使T1的电压增益可达到103甚至更高。电流源负载也常用作发射极负载。200404018JG01020183.电流源的作用在模拟集成电路中电流源的作用主要有二：一是86.2差分放大电路

差分放大电路就其功能而言，是放大两个输入信号之差。它有两个输入端和信号输出端在理想情况下：差模输入信号：共模输入信号：在上述两种信号同时存在的情况下

200404018JG01020186.2差分放大电路差分放大电路就其功能而言，是9一、差分放大电路工作原理1）差分放大器图6.2.2a所示电路是两级RC耦合放大器，在许多情况下需要采用图6.2.2b所示的直接耦合放大器。但它存在工作点漂移，即“零点漂移”问题，为克服“零点漂移”，衡量零点漂移的指标为采用6.2.2c和6.2.2d所示差分放大电路。200404018JG0102018一、差分放大电路工作原理1）差分放大器图6.2.2a所示电102）抑制“零点漂移”的原理减小零点漂移的主要措施是采用差分放大器。在6.2.2d所示电路中，静态时，若环境温度变化，或其他原因引起BJT集电极电流变化，则抑制“零点漂移”的过程如下：200404018JG01020182）抑制“零点漂移”的原理减小零点漂移的主要措施是采用差分放11a.静态分析电路的工作原理越大反馈作用越明显，抑制零点漂移的作用越强。同时越小，放大器的动态范围减小。静态时，由于电路完全对称，，这时，，,输出电压200404018JG0102018a.静态分析电路的工作原理越大反馈作用越明显，抑12b.动态分析

差模输入：当两个输入分别加入等值反向的信号电压时，即输出电压共模输入：当两各输入分别加入等值同向的信号电压时，即，则：200404018JG0102018b.动态分析差模输入：当两个输入分别加入等值反向的信号电压13主要技术参数的计算1)静态工作点计算静态时，由图6.2.2d所示电路，考虑到，对两管各自的输入回路，由KVL列出方程：

200404018JG0102018主要技术参数的计算1)静态工作点计算静态时，142）差模电压放大系数

双端输入、双端双端输出时：令，由于电路的对称性，因某一BJT的电流增加，另一BJT的电流则减小。在电路完全对称情况下，即的增量与的增量等值反向，,说明在两端的交流电压降为零。因此认为对交流信号无反馈作用。200404018JG01020182）差模电压放大系数双端输入、双端双端输出15从两管集电极双端输出时，差模电压放大系数与单管共射电路相同：

可见，差分放大器是使用两倍的元件换取抑制“零点漂移”的效果。双端输入、单端输出时的差模电压放大系数

如果输出电压仅从一个管的集电极取出，称为单端输出，此时有：

双端输入时，差分放大器的输入电阻：单端输入时的差模电压放大系数见教材表6.2.1200404018JG0102018从两管集电极双端输出时，差模电压放大系数与单管共射电路相同：163)共模电压放大系数

a.双端输出时的电压放大系数

共模输入时，所以两管的电流或等量同时增大，或等量同时减小，流过电阻上的电流，例如：200404018JG01020183)共模电压放大系数a.双端输出时的电压放大系数17实际电路中，要做到电路完全对称不容易，因此要求共模电压放大系数越小越好。b.单端输出时的电压放大系数单端输出时的电压放大系数表示两个集电极的任意一端对地的共模电压放大系数。200404018JG0102018实际电路中，要做到电路完全对称不容易，因此18共模输入时放大器的输入电阻：对于图6.2.2i所示共模输入电路，不仅要考虑的反馈作用，而且输入电流，因此共模输入电阻为两路并联：a.两输入端相连

（见教材表6.2.1）200404018JG0102018共模输入时放大器的输入电阻：对于图6.2.2i所示共模输入19b.两输入端不相连

对于图6.2.2k所示共模输入电路，两个输入端不连在一起则：差分放大器输出电阻：200404018JG0102018b.两输入端不相连对于图6.2.2k所示共模输入电路，204）共模抑制比

差分放大电路对差模信号的电压放大系数与对共模信号的电压放大系数之比的绝对值。

理想情况下：双端输出时：

单端输出时：6.6.2FET

差分放大电路（见教材P237）

200404018JG01020184）共模抑制比差分216.2.3差分放大器的传输特性描述放大电路输出信号随输入信号变化规律的曲线称为传输特性。

差分放大器的传输特性可以用BJT的be结电压与集电极电流的基本关系：

求出，也可以通过实验测出。特性曲线如图6.2.8所示。200404018JG01020186.2.3差分放大器的传输特性描述放大电路输221)当时，电路处于平衡状态，此时输出电压；2）当时，电路处于差动放大状态，时，增大，减小，增大；时，减小，增大，也增大，但相位相反。由此得到图6.2.8.2所示差分放大器的电压传输特性曲线。200404018JG01020181)当时，电路处236.3集成运算放大器一、集成运放的结构输入级：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMR

,

输入级常采用复合三极管或场效应管，使输入电阻Ri

尽可能大。中间级：足够大的电压放大倍数。输出级：输出级采用互补对称式射极跟随器，主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗Ro小。200404018JG01020186.3集成运算放大器一、集成运放的结构输入级：尽量减小零24二、集成运放的主要性能指标1开环差模电压放大倍数Avd无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Avd为。2共模抑制比KCMR常用分贝作单位，一般100dB以上。3差模输入电阻RidRid>1M,有的可达100M以上。4输出电阻RoRo=几-几十。200404018JG0102018二、集成运放的主要性能指标1开环差模电压放大倍数Avd无255最大共模输入电压UIcmax6最大差模输入电压UId

max7-3dB带宽fH运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。关于集成运放的应用下面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。200404018JG01020185最大共模输入电压UIcmax6最大差模输入26

Ri大:几十k

几百k理想运放的特点：KCMR

很大Ro小：几十几百Av很大:104107理想运放：Ri

KCMR

Ro

0Avd

运放符号：国际符号国标符号200404018JG0102018Ri大:几十k几百k理想运放的特点：KCM27-VEE+VCC

v+vo

v–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2I0简化原理图：输入级中间级输出级与vo反相与vo同相200404018JG0102018-VEE+VCCv+vov–反相同相T3T4T5T128R2T3R1R3-VEE+VCCvi2voeRCT1RCT2vi1T4IC

=IC1+IC2

=1IB+2(1+1)IB

=[1+2(1+1)]IB为减小IB，提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管=IC/IB

=1+

2(1+1)

12ICIBIE12IC1IC2IB2200404018JG0102018R2T3R1R3-VEE+VCCvi2voeRCT1RCT229-VEE+VCCeRcT1RcT2T5T6Rc3Re2Rc4Re3T7T9T8Re4Re5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器–+集成运放内部结构（举例）极性判断200404018JG0102018-VEE+VCCeRcT1RcT2T5T6Rc3Re2Rc430第六章总结本章介绍的放大器的特点：直流、低频信号放大。运算放大器要求：掌握差分放大器的原理、分析方法；恒流源的作用以及理想运放的特点。理想运放：Ri

KCMR

Ro

0AV

200404018JG0102018第六章总结本章介绍的放大器的特点：直流、低频信号放大。运算放31

6.1集成运算放大电路中的电流源6.2差分放大电路6.3模拟集成运算放大器第六章集成运算放大器200404018JG01020186.1集成运算放大电路中的电流源第六章集成运算放大器32集成电路:

将整个电路中的各个元、器件都做在同一个半导体基片上。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：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

6.1集成运算放大电路中的电流源200404018JG0102018集成电路:将整个电路中的各个元、器件都做在同一个半导体基33集成电路内部结构的特点：电路的元件都制作在同一芯片上，电路结构与元件参数对称，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。用有源器件代替无源元件，电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。采用复合结构的电路。在IC内多采用复合管，提高电路性能。4.级间采用直接耦合方式；利用二极管进行温度补偿和电位偏移。5.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。6.二极管一般用三极管的发射结构成。200404018JG0102018集成电路内部结构的特点：电路的元件都制作在同一芯片上，电路结34电流源镜像电流源镜像电流源电路如图6.1.1所示，选择的参数相同

200404018JG0102018电流源镜像电流源镜像电流源电路如图6.1.1所示，选择35可见，R确定后，电流就确定了。我们将视为的镜像电流，故称该电路为镜像电流源。图6.1.1所示电流源中，当值较大时和有一定的差别改用6.1.2所示电路，利用的电流当大放大作用，减小对的分流作用。200404018JG0102018可见，R确定后，电流就确定了。我们将362.微电流源为了减小镜像电流源电路中的电流，采用图6.1.3所示的微电流源。当基准电流源一定时，可确定如下：3.比例电流源

工作原理：和镜像电流源相同。200404018JG01020182.微电流源3.比例电流源工作原理：和镜像电流源相同。374.多路电流源

200404018JG01020184.多路电流源200404018JG0102018383.电流源的作用

在模拟集成电路中电流源的作用主要有二：一是作直流偏置电路—为放大管提供合适的偏置电流；而是用作有源负载。图6.1.5中T1是放大管，T2、T3组成镜像电流源，用作为T1的负载。由于电流源的交流电阻很大。使T1的电压增益可达到103甚至更高。电流源负载也常用作发射极负载。200404018JG01020183.电流源的作用在模拟集成电路中电流源的作用主要有二：一是396.2差分放大电路

差分放大电路就其功能而言，是放大两个输入信号之差。它有两个输入端和信号输出端在理想情况下：差模输入信号：共模输入信号：在上述两种信号同时存在的情况下

200404018JG01020186.2差分放大电路差分放大电路就其功能而言，是40一、差分放大电路工作原理1）差分放大器图6.2.2a所示电路是两级RC耦合放大器，在许多情况下需要采用图6.2.2b所示的直接耦合放大器。但它存在工作点漂移，即“零点漂移”问题，为克服“零点漂移”，衡量零点漂移的指标为采用6.2.2c和6.2.2d所示差分放大电路。200404018JG0102018一、差分放大电路工作原理1）差分放大器图6.2.2a所示电412）抑制“零点漂移”的原理减小零点漂移的主要措施是采用差分放大器。在6.2.2d所示电路中，静态时，若环境温度变化，或其他原因引起BJT集电极电流变化，则抑制“零点漂移”的过程如下：200404018JG01020182）抑制“零点漂移”的原理减小零点漂移的主要措施是采用差分放42a.静态分析电路的工作原理越大反馈作用越明显，抑制零点漂移的作用越强。同时越小，放大器的动态范围减小。静态时，由于电路完全对称，，这时，，,输出电压200404018JG0102018a.静态分析电路的工作原理越大反馈作用越明显，抑43b.动态分析

差模输入：当两个输入分别加入等值反向的信号电压时，即输出电压共模输入：当两各输入分别加入等值同向的信号电压时，即，则：200404018JG0102018b.动态分析差模输入：当两个输入分别加入等值反向的信号电压44主要技术参数的计算1)静态工作点计算静态时，由图6.2.2d所示电路，考虑到，对两管各自的输入回路，由KVL列出方程：

200404018JG0102018主要技术参数的计算1)静态工作点计算静态时，452）差模电压放大系数

双端输入、双端双端输出时：令，由于电路的对称性，因某一BJT的电流增加，另一BJT的电流则减小。在电路完全对称情况下，即的增量与的增量等值反向，,说明在两端的交流电压降为零。因此认为对交流信号无反馈作用。200404018JG01020182）差模电压放大系数双端输入、双端双端输出46从两管集电极双端输出时，差模电压放大系数与单管共射电路相同：

可见，差分放大器是使用两倍的元件换取抑制“零点漂移”的效果。双端输入、单端输出时的差模电压放大系数

如果输出电压仅从一个管的集电极取出，称为单端输出，此时有：

双端输入时，差分放大器的输入电阻：单端输入时的差模电压放大系数见教材表6.2.1200404018JG0102018从两管集电极双端输出时，差模电压放大系数与单管共射电路相同：473)共模电压放大系数

a.双端输出时的电压放大系数

共模输入时，所以两管的电流或等量同时增大，或等量同时减小，流过电阻上的电流，例如：200404018JG01020183)共模电压放大系数a.双端输出时的电压放大系数48实际电路中，要做到电路完全对称不容易，因此要求共模电压放大系数越小越好。b.单端输出时的电压放大系数单端输出时的电压放大系数表示两个集电极的任意一端对地的共模电压放大系数。200404018JG0102018实际电路中，要做到电路完全对称不容易，因此49共模输入时放大器的输入电阻：对于图6.2.2i所示共模输入电路，不仅要考虑的反馈作用，而且输入电流，因此共模输入电阻为两路并联：a.两输入端相连

（见教材表6.2.1）200404018JG0102018共模输入时放大器的输入电阻：对于图6.2.2i所示共模输入50b.两输入端不相连

对于图6.2.2k所示共模输入电路，两个输入端不连在一起则：差分放大器输出电阻：200404018JG0102018b.两输入端不相连对于图6.2.2k所示共模输入电路，514）共模抑制比

差分放大电路对差模信号的电压放大系数与对共模信号的电压放大系数之比的绝对值。

理想情况下：双端输出时：

单端输出时：6.6.2FET

差分放大电路（见教材P237）

200404018JG01020184）共模抑制比差分526.2.3差分放大器的传输特性描述放大电路输出信号随输入信号变化规律的曲线称为传输特性。

差分放大器的传输特性可以用BJT的be结电压与集电极电流的基本关系：

求出，也可以通过实验测出。特性曲线如图6.2.8所示。200404018JG01020186.2.3差分放大器的传输特性描述放大电路输531)当时，电路处于平衡状态，此时输出电压；2）当时，电路处于差动放大状态，时，增大，减小，增大；时，减小，增大，也增大，但相位相反。由此得到图6.2.8.2所示差分放大器的电压传输特性曲线。200404018JG01020181)当时，电路处546.3集成运算放大器一、集成运放的结构输入级：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMR

,

输入级常采用复合三极管或场效应管，使输入电阻Ri

尽可能大。中间级：足够大的电压放大倍数。输出级：输出级采用互补对称式射极跟随器，主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗Ro小。200404018JG01020186.3集成运算放大器一、集成运放的结构输入级：尽量减小零55二、集成运放的主要性能指标1开环差模电压放大倍数Avd无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Avd为。2共模抑制比KCMR常用分贝作单位，一般100dB以上。3差模输入电阻RidRid>1M,有的可达100M以上。4输出电阻RoRo=几-几十。200404018JG0102018二、集成运放的主要性能指标1开环差模电压放大倍数Avd无565最大共模输入电压UIcmax6最大差模输入电压UId

max7-3dB带宽fH运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一