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1、1,第六章 集成运算放大电路,主要内容：,6-1集成运算放大电路概述 6-2集成运放中的电流源电路 6-3差分放大电路 6-4集成电路运算放大器,2,6-1集成运算放大电路概述,集成电路： 采用专门的制造工艺，将元、器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。,集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路 问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算 故称： 集成运算放大电路，简称集成运放。,3,6-1集成运算放大电路概述,一、集成运放的电路结构特点,1.直接耦合 （硅片上不能做大电容）,2.差动放大作输入级 （克服温漂）,3.采用电流源 （偏置提供稳定的电流 ；有源负载代替
2、大电阻）,4.采用复合管 （不同类型管性能差异大）,4,6-1集成运算放大电路概述,二、集成运放电路的组成及其作用,组成：,5,6-1集成运算放大电路概述,三、集成运放的电压传输特性,符号：,电压传输特性：,6,6-1集成运算放大电路概述,三、集成运放的电压传输特性,非线性区：,7,6-2集成运放中的电流源电路,一、电流源电路的特点： 这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特 性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3、电流源电路一般都加
3、有电流负反馈。4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进 行温度补偿，以减小温度对电流的影响。,(一)电 流 源 概 述,8,6-2集成运放中的电流源电路,9,6-2集成运放中的电流源电路,一、基本电流源电路,T1、T0特性完全相同,由于：T1、T0基-射回路对称,所以： IB1=IB0=IB IC1=IC0=IC,温度特性好,(二)集成电路电流源,1.镜像电流源,10,6-2集成运放中的电流源电路,问题：若IC1R,温度补偿作用：,1.镜像电流源,11,6-2集成运放中的电流源电路,由电路：,又：,所以：,得：,得：,在一定条件下,2.比例电流源,12,6-2集成运放中的电流源
4、电路,由上电路,因为Re0=0,其中,3.微电流源,13,6-2集成运放中的电流源电路,二、改进型电流源电路,Re2的作用：增大IE2，提高。,1.加射级输出器的电流源,14,6-2集成运放中的电流源电路,工作点稳定，输出电阻大。,二、改进型电流源电路,2.威尔逊电流源,15,6-2集成运放中的电流源电路,三、多路电流源电路,16,6-3差分放大电路,6.3.1 差动放大电路的工作原理,6.3.2.差分放大电路的输入输出形式,6.3.3 具有恒流源差分放大电路,17,电路组成及抑制零漂的工作原理,1、电路组成,特点： a.两只完全相同的管子； b.两个输入端， 两个输出端； c.元件参数对称；
5、,6-3差分放大电路,18,2、抑制零漂的工作原理,原理：静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,6-3差分放大电路,19,
6、3、信号的输入方式和电路的响应,若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2 ,输出电压uO= uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=Uod/2Uid,6-3差分放大电路,20,结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。,6-3差分放大电路,21,Ui1=Ui2=Uic,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,ui1=ui2=0，uo=0,Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。,定义：Ac=Uoc/Uic,6-3差分放大电路,22,Ac叫做共模电压放大
7、倍数。理论上讲，Ac为0，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般Ac1。,既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用下，Uoc=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。,6-3差分放大电路,23,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。,任意输入方式,6-3差分放大电路,24,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,Ui1=Uic+Uid,Ui
8、2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2,例如：,Ui1=10mV,Ui2=6mV,则 Uid=2mV Uic=8mV,利用叠加原理得到：,Uo=Ad2Uid+AcUic,= Ad（ Ui1- Ui2 ）,结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号Ui1和Ui2的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。,6-3差分放大电路,25,（4）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的
9、。,稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。,6-3差分放大电路,26,6.3.2.差分放大电路的输入输出形式,差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,6-3差分放大电路,27,1.双
10、端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,6-3差分放大电路,28,2. 双端输入单端输出,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,6-3差分放大电路,29,（4）共模电压放大倍数,共模等效电路：,6-3差分放大电路,30,3. 单端输入双端输出,单端输入等效双端输入: 因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,计算同双端输入双端输出：,6-3差分放大电路,vi1 = vi2 = vi /2,3
11、1,4. 单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号： 设从T1的基极输入信号，如果从C1 输出，为负号；从C2 输出为正号。,计算同双入单出：,6-3差分放大电路,32,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,6-3差分放大电路,33,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时， 双端输出时，,(4)输出电阻,6-3差分放大电路,34,(5)共模抑制比,
12、共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,双端输出时KCMR可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：,6-3差分放大电路,35,6.3.3 具有恒流源差分放大电路,1、电路的组成和工作原理,KCMR= Ad/Ac,从以上两式看出要减小Ac，提高共模抑制比，应增大RE，但RE不能太大，因为RE上的压降由VEE提供。在保持VT1、VT2两管的工作电流为一定值时，要加大RE，必须提高VEE，这是有困难的。能不能找到这样一种元器件，它的直流电阻很小，而它的交流电阻却很大，这样静态时不需要很大的VEE，动态时的AC却很小，KCMR很大？,6-3差分放大电路,36,2、电流源电路,减少共模放大倍数
13、的思路：,增大 REE,用恒流源代替 REE,特点：,直流电阻为有限值,动态电阻很大,1. 三极管电流源,简化画法,电流源代替差分电路中的 REE,6-3差分放大电路,37,3.具有电流源的差分放大电路,简化画法,6-3差分放大电路,38,V3、V4 构成比例电流源电路,能调零的差分电路,6-3差分放大电路,39,例:,(1) = 100,求静态工作点；,(2)求电路的差模 Aud，Rid，Ro。,解,(1) 求“Q”,6-3差分放大电路,40,ICQ1 = ICQ2 = 0.5 I0,UCQ1 = UCQ2 = 6 0.42 7.5 = 2.85 (V),(2)求 Aud，Rid，Ro,Ro
14、 = 2RC = 15 (k),6-3差分放大电路,41,6-4集成电路运算放大器,6.4.1 集成运放基本知识,6.4.2 通用型集成运算放大器的组成及基本特性,42,6.4.1 集成运放基本知识,一、通用型集成运放(Operational Amplifier)的组成,1. 模拟集成电路的特点,1) 直接耦合：,采用差分电路形式，元件相对误差小；,2) 大电阻用恒流源代替，大电容外接；,3) 二极管用三极管代替(B、C 极接在一起)；,4) 高增益、高输入电阻、低输出电阻。,6-4集成电路运算放大器,43,2. 组成方框图,输入级：,差分电路，大大减少温漂。,中间级：,采用有源负载的共发射极
15、电路，增益大。,输出级：,OCL 电路，带负载能力强,偏置电路：,镜像电流源，微电流源。,6-4集成电路运算放大器,44,输入级,V1、V3 和 V2、V4,3. 通用型集成运算放大器 741 简化电路,6-4集成电路运算放大器,45,共集-共基组合差分电路,V5、V6,有源负载,构成双端变单端电路,中间级,V7、V8,复合管，共发射极,具有高增益,输出级,甲乙类互补对称功率放大电路 (OCL),V11 V13,采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为 0.5VCC。,6-4集成电路运算放大器,46,二、集成运算放大器电路符号及理想化条件,1. 运放的符号,6-4集成电路运算放大器,47,u
16、+ 同相端输入电压,u- 反相端输入电压,uid 差模输入电压,uid = u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo = Aud(u+ u),6-4集成电路运算放大器,48,1) Aud ,2. 运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想运放：,4) KCMR ,5)BW ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,理想,线性区,实际,3. 理想运放工作在线性区的两个特点,1) u+ u(虚短),证：,uo = Aud (u+ u) = Aud uid,u+ u = uo/Aud 0,2) i+ i 0 (虚断),证：,i+ = uid / Rid 0,同理 i 0,6-4集成电路运
17、算放大器,49,4. 理想运放工作在非线性区的两个特点,1)u+ u时， uo = Uomax,u+ u 时, uo= UOmax,2)i+ i 0 (虚断),6-4集成电路运算放大器,50,6.4.2 通用型集成运算放大器的组成及基本特性,一、集成电路器件命名及主要性能指标,1. 国标 GB-3430-82 对集成电路的规定,6-4集成电路运算放大器,51,6-4集成电路运算放大器,52,2. 主要参数,1) 输入失调电压 U IO,使 UO = 0，输入端施加的补偿电压,2) 输入偏置电流 I IB,几毫伏,UO = 0 时，,10 nA 1 A,3) 输入失调电流 IIO,UO = 0
18、时，,1 nA 0.1 A,6-4集成电路运算放大器,53,4) 开环电压增益 Aud,100 140 dB,5) 差模输入电阻 R id,输出电阻 Ro,几十千欧 几兆欧,几十欧 几百欧,6) 共模抑制比 KCMR, 80 dB,6-4集成电路运算放大器,54,7) 最大差模输入电压 UIdM,共模输入 U IC 过大，K CMR下降,当 UId 过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿。,NPN 管 UIdM = 5 V横向 PNP 管 UIdM = 30 V,CF741 为 30 V,8)最大共模输入电压 UICM,9) 最大输出电压幅度 UOPP,输出级为 OCL 电路,一般比电
19、源电压小一个 UCE(sat)如电源电压 15 V，U OPP 为 13 14 V,CF741 为 13 V,6-4集成电路运算放大器,55,二、集成运放使用注意事项,(一) 集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式(DIP)CF741,DIPDual In-Line Pakage,6-4集成电路运算放大器,56,(二) 集成运放使用注意事项,1. 查阅手册了解引脚的排列及功能；,2. 检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电 源短路；,3. 输入信号应远小于 UIdM 和 UICM，以防阻塞或损 坏器件；,4. 电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；,5. 输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。,6-4集成电路运算放大器,57,本章作业：P270 6.2.2 P270 6.2.3,第六章 集成运算放大电路,
