电子技术基础第五章集成运算放大器

1、第五章 集成运算放大器,第一节 概述,引言,集成电路,采用硅平面制造工艺，将二极管、三极管、电阻、电容等元器件以及它们之间的连线同时制造在一小块半导体基片上，并封装在一个外壳内，构成具有特定功能的电路和系统。,高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合的集成的具有很高电压放大倍数的多级放大电路。,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只能外接。 （5）

2、不能制造电感，如需电感，也只能外接。 （6）一般无二极管，用三极管代替(B、C 极接在一起)。,集成运算放大器,集成电路的工艺特点,集成运放的组成：输入级,输入级通常要求有尽可能低的零点漂移，较高的共模抑制能力，输入阻抗高及偏置电流小，因此一般采用差分放大电路。,中间级主要承担电压放大的任务，多采用共射或共源放大电路。 为了提高电压放大倍数， 经常采用复合管做放大管， 用恒流源做有源负载。,集成运放的组成：中间级,输出级要求具有一定的带负载能力（即输出电阻小）和一定的输出电压及电流动态范围。因此输出级多采用射极输出器、 互补对称电路。,集成运放的组成 ：输出级,偏置电路用于设置集成运放各级放大

3、电路的静态工作点。 一般采用镜像电流源，以及由其演变而成的微电流源、多路输出电流源等。,集成运放的组成：偏置电路,输入级,中间级,输出级,输入级,T1、T3 和 T2、T4,简化电路,偏置电路,T5、T6,有源负载,中间级,T7、T8,输出级,T11 T13,甲乙类互补对称功率放大电路 (OCL),采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为 0.5VCC。,复合管，共发射极,具有高增益,1. 直接耦合放大电路,可以放大直流信号,# 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,2.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。 主要原因：温度变化引起，也称温漂。

4、Q点位置随着温度的上升和下降而移动，从另一个角度来看：可以认为Q点没有动，而产生了一个缓慢变化的交流 信号。这种信号又因为是直接耦合方式而被逐级放大。电源电压波动也是原因之一 温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,例,若第一级漂移100 uV（已折合到输入端），,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂移100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用恒温环境。,采用差分式放大电路,漂移 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV

5、,第二节 差分式放大电路,一、长尾差分式放大电路,由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极公共电阻Ree耦合构成。,1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。,uid1= - uid2,uid = uid1-uid2,差模信号和共模信号,差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。 共模信号：人为引入的一个信号，不是要放大的，而是用来描述零漂的大小。直接描述、测量零漂很麻烦，要先后测量两种不同的环境温度下的静态工作点，求取它们

6、的差值。从另外一个角度：在同样的环境温度下，在输入端施加共模信号，测量输出端的信号，求取共模放大倍数。,静态分析,直流通路,由于电路结构对称，管子特性一致。,IB1=IB2 = IB IC1=IC2=IC VC1=VC2 =VC,2.差模交流信号分析 :,2.差模交流信号分析 :,画出对差模交流信号的交流通路,理想的直流电压源短路,2.1差模输入双端输出,关键是此处对Ree的处理。 在以前画交流通路时，线性电阻在交流通路中保留，阻值为线性电阻的交流电阻，因为是线性的，所以交流电阻与直流电阻相等。,某瞬间的真实方向,uid1= -uid2,Ree上交流压降为0。,因此，画差模交流信号交流通路时，

7、Ree可视为短路， 即两管的发射极直接接地。,由uc1= -uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2.,uid = uid1-uid2,参考方向,2.1.1求差模电压放大倍数,画差模交流信号的小信号等效电路,2.1.2 求差模输入电阻,Rid=2(Rb+rbe),画求输入电阻的电路,2.1.3 求差模输出电阻,Rod 2 Rc,画求输出电阻的电路,2.2 差模输入单端输出,(a)差模输入单端输出(注意从哪边输出，左边),2.2.1求差模电压放大倍数,交流通路,差模输入单端输出小信号等效电路,如果从T2的集电极输出交流信号的话，输出电压信号与

8、输入电压信号同相。,2.2.2 求差模输入电阻,Rid=2(Rb+rbe),画求输入电阻的电路,2.2.3 求差模输入电阻,画求输出电阻的电路,Rod Rc,3.共模交流信号分析 :,(a)双端输出,因为电路完全对称，所以双端输出时共模放大倍数为0。,3.共模交流信号分析 :,（1）单端输出电压增益：,从左边输出和从右边输出完全相同,(b)单端输出,画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。,输入电阻,共模抑制比CMRR衡量差放的一个重要指标。,或,双端输出,单端输出,Ree的共模负反馈作用,Ree值越大，共模负反馈作用越强 Ree对差模信号短路，没有任何作用 Ree值太大，要求直流电压源越大，

9、不现实 因此采用恒流源电路,4 对任意信号的分析方法,ui1=uic+uid/2 ui2=uic-uid/2 uic = (ui1+ui2)/2 uid=ui1-ui2 uid1= -uid2= uid /2,差模电压放大倍数,共模电压放大倍数,总输出电压,ui1=uic+uid/2 ui2=uic- uid/2,例：ui1=10mV ui2=8mV,uic=(ui1+ui2)/2=9mV uid=(ui1-ui2) =2mV,ui1 =uic1+uid1 =9+1 ui2 =uic2+uid2 =9-1,输出信号与输入信号相位关系的分析,单端输入单端输出 单端输入双端输出 双端输入双端输出

10、双端输入单端输出,二、恒流源差分放大电路,（一）静态分析,（二）对差模交流信号的分析,（三）对共模交流信号的分析,共模放大倍数为0。,通用型集成电路运算放大器,集成电路运算放大器的主要参数,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流IIB,3. 输入失调电流IIO,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂IIO / T,5. 最大差模输入电压Vidmax,6. 最大共模输入电压Vicmax,7. 最大输出电流Iomax,集成电路运算放大器的主要参数,8. 开环差模电压增益AVO,9. 开环带宽BW (fH),10. 单位增益带宽 BWG (fT),11.

11、转换速率SR,通用型 高输入阻抗型 高精度(低漂移型) 高速型和宽带型 低功耗型 高压型 功率型,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高输入阻抗、高精度、高速、低功耗和高压型等几种。,专用型集成电路运算放大器,通 用 型,通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压12mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开

12、环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。,高输入阻抗型,广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器、模数和数模转换器。 例如：LF356、LF355、LF347 全MOSFET的CA3130 更小偏置电流的有AD515、LF0052,高精度(低漂移型）,一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。 例如： AD508、OP-27 ICL7650,高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大