集成运算放大器基础课件

第9章集成运算放大器基础9.1集成运放简介9.2差动放大电路9.3集成运放中的电流源9.4集成运放的种类和参数9.5使用集成运放应注意的几个问题9.6集成运放的简化模型第9章集成运算放大器基础9.1集成运放简介9.2了解集成运算放大器的一般概况；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数;熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析；掌握集成运放的简化模型。学习目的与要求了解集成运算放大器的一般概况；理解运放的基本结构、组成、9.1集成运放简介集成电路（英文简称IC）是60年代初发展起来的一种新型半导体器件。集成电路体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，从而大大提高了电子电路的可靠性与灵活性，减少组装和调整工作量，降低了成本。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了五十多年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的发展，对各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作用。9.1.1集成电路（IC）9.1集成运放简介集成电路（英文简称IC）是60年

早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。圆壳式双列直插式扁平式单列直插式直插式单列扁平式早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分圆壳集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：集成运放内部除了上述三个部分，其内部还接有偏置电路，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。差动输入级中间放大级输出级ui+_u0运放的输入级。利用差动放大电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路9.1.2集成运放的组成与特点集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，集成运算放大器的分类通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。1.通用型运算放大器μA741单运放LM386双运放LM324四运放集成运算放大器的分类通用型运算放大器就是以通用为目的集成运放芯片引脚功能及元器件特点图示为常用μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚集成运放芯片引脚功能及元器件特点图示为常用μA741集成运放反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：①单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；②集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆～几十千欧姆范围内，电容一般为几十微微法拉。电感目前不能集成；③元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；④纵向NPN管β值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的β值很小，但其PN结的耐压高。与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：②集成零点漂移现象直接耦合的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称为零点漂移，简称零漂或温漂。ui=0RC1R1VT1+UCCuO≠0RC2VT2R2RE2uOt0零漂有时会把有用信号淹没9.2差动放大电路零点漂移现象ui=0RC1R1VT1+UCCuO≠9.2.1差动放大电路的工作原理

为了抑制“零漂”，必须采用相应措施，其中最有效的措施就是采用差动放大电路。

1.差模信号和共模信号RC1RC2＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui2－＋ui1－＋u02－＋u01－VT1VT2

差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中VT1、VT2是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电压ui1、ui2大小相等、相位相反。9.2.1差动放大电路的工作原理为了抑制“零漂”①差模信号RC1RC2＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui2－＋ui1－＋u02－＋u01－VT1VT2

差动放大电路这种双端输入方式称为差模输入方式，所加信号称为差模信号，差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号，用uid表示，数值上等于两管输入信号的差值：uid=ui1－ui2两个输入端信号之间的差值实际上就是加在多级放大电路输入级的信号电压，信号电压的差值只要不为零时才能进行放大和传输。显然，差动放大电路放大的是两个输入端信号的差值，所以又称为差分放大电路。①差模信号RC1RC2＋VCC＋u0－Re－VEE＋＋＋②共模信号温度变化、电源电压波动等引起的零漂电压，折合到放大电路输入端，相当于在放大电路输入端加了“共模信号”，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了“共模信号”。可见，所谓的共模信号对放大电路是一种干扰信号。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。RCRC＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui1－VT1VT2RBRBRL＋ui1－②共模信号温度变化、电源电压波动等RCRC＋VC温度发生变化时，差动放大电路输入端相当于加了一个共模信号，此时两管对共模信号产生的电流，其变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠差动放大电路的完全对称性，使两管的零漂在输出端相抵消。因此，零点漂移被抑制。RCRC＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui1－VT1VT2RBRBRL＋ui1－温度发生变化时，差动放大电路输入端相当于加了一个共模9.2.2典型差动放大电路的分析RCRC＋VCCRE－VEE差动放大电路的直流通道VT1VT2RBRB由于差动电路中两晶体管的集电极电位和发射极电位分别相等，故此负载支路中无电流，RL支路可拿掉。RL差动电路由于两边对称，所以取一边计算即可。由输入回路可得：于是：输出回路响应为：①静态分析9.2.2典型差动放大电路的分析RCRC＋VCCRE－V差模输入下，电路对称点的信号大小相等，极性相反。由于交流下直流信号为零，所以其交流通道为：由半电路可得其电压放大倍数：输入电阻输出电阻：RLRCRC＋ui1－VT1VT2RB＋ui2－RB2.动态分析差模输入下，电路对称点的信号大小相等，极性相反。由于交差模放大倍数：差模输入电阻：差模输出电阻：由此看出，双端输入双端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数等于其半电路的放大倍数，相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。但电路的输入电阻和输出电阻是半电路的两倍。差模放大倍数：差模输入电阻：差模输出电阻：由此看出，双端输差动放大电路的类型单端输入差动放大电路的差模电压放大倍数仅决定于电路的输出形式，其输入电阻和双端输入时一样，但电路的抑制共模能力同样受输出形式的影响而降低。RCRC＋VCC＋u0－RE－VEE＋ui1－VT1VT2RBRBRL差动放大电路的类型单端输入差动放大电路的差模电压放大倍数仅双端输出情况下，差动放大电路两管的输出稳定在静态值，从而有效地抑制了零点漂移。Re数值越大，抑制零漂的作用越强。即使电路处于单端输出方式，电路仍有较强的抑制零漂能力。由于Re上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更好。此外，采用双电源供电，可以使UB1＝UB2≈0，从而使电路可适应正、负两种极性的输入信号，扩大了应用范围。差动放大电路的共模抑制能力很强，通常用共模抑制比KCMR衡量，定义为：RCRC＋VCC＋u0－Re－VEE＋ui1－VT1VT2RBRBRL＋ui1－双端输出情况下，差动放大电路差动放大电路的共模抑制已知图示电路中＋UCC=12V，－UEE=－12V，三个三极管的电流放大倍数β均为50，Re=33kΩ，RC=100kΩ，R=10kΩ，RW=200Ω，稳压管的UZ=6V，R1=3kΩ.试估算：①该放大电路的静态工作点Q；②差模电压放大倍数；③差模输入电阻和差模输出电阻。解例①已知图示电路中＋UCC=12V，－UEE=－12V，三个三解②由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以RW上的中点交流电位为零，其交流通路如下图所示：可得电路中电压增益为：

式中：解②由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极归纳：对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当提高Re的数值。但集成电路中不易制作大阻值的电阻，因为静态工作点不变时，加大Re的数值，势必增加其直流压降，提高电源－VEE的数值，采用过高数值的VEE显然是不可取的。采用恒流源代替电阻Re，不但可以大大提高电路的共模抑制比，还可减小其直流压降；而且作为有源负载，能够明显提高电路的电压增益。解③由单边电路的交流分析可得：

归纳：对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当（1）开环电压放大倍数Au0其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0与输入电压U＋和U－之间的关系。（2）差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。（3）闭环输出电阻r0由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。（4）最大共模输入电压Uicmax9.4.2集成运放的主要参数（1）开环电压放大倍数Au0其数值很高，一般约为9.6集成运放的简化模型为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：①开环电压放大倍数Au0=∞②差模输入电阻ri=∞③输出电阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞9.6集成运放的简化模型为简化分析过程集成运放的电压传输特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)线性区实际特性－U0M根