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1、第六章 集成电路运算放大器,它体积小，性能好。,2、按功能分类：数字集成和模拟集成电路。,3、常用模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率 放大器、模拟乘法器、模拟琐相环、模数和数模转换器、及其他模拟电路等。,4、模拟集成电路的特点：,1）电路结构与元件参数具有对称性（温度均一、特性对称）,2）无源器件用有源器件代替（电阻、电容用PN结实现）,3）采用复合结构的电路（用复合管等组合电路）,4）级间采用直接耦合方式,5）用晶体管的发射结构成二极管，作为温度补偿元件等。,1、集成电路：,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,电流源电路的特点：输出电流恒定。具有很高的输出电阻。,电流源电路的用途
2、：,1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，使Q点稳定。,2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。,3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。,4、电流源还可单独制成稳流电源使用。,4、用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，温度影响小。,3、电流源电路一般都加有电流负反馈。,2、常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源等,1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性受 控电流源；由它们都可构成电流源电路。,镜像电流源,其中：基准电流 是稳定的，故输出电流 也是稳定的。,IC2和IR是镜像关系。,1、镜像电流源,精密镜像电
3、流源,精密镜像电流源和普通镜像电流源相比，其镜像精度提高了 倍。,精密电流源,电路中增加了T3 管，,IB3 比镜像电流源的2IB小3倍。因此IC2和IREF之间的镜像精度提高了 倍。,2、微电流源,微电流源电路,接入Re2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路和集成放大器的前置级中。,微电流源,IC2 远小于IREF,当R取 几k 时，IREF 为mA量级，而IC2可降至A量级的微电流源。且IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。,VBE很小,多路电流源,通过一个基准电流源IREF稳定多个三极管的工作点电流IC1、IC2，即可构成多路电流源。,例6.1.1 已知各B
4、JT的参数、VBE数值相同，求多路电流源电路中的各电流源IC1、IC2、IC3 与基准电流 IREF的关系式。,解：,当IREF确定后，改变各Re的阻值，就能获得不同比例的输出电流。,当较大时，,由于各管的、VBE相同，,3.电流源用作有源负载,IREF,利用电流源的静态电阻小，动态电阻很大的特点。,1）静态电阻小：易配置静态工作点。,2）动态电阻很大：可提高放大器的大倍数。,6.2 差分放大电路,零点漂移问题,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,2.直接耦合带来的两个问题：,前后级静态
5、工作点相互影响,需统一考虑,放大电路的直接耦合及零点漂移问题的解决,1.问题的提出：,直流信号、,直接耦合、,直流放大器,解决方法：,采用温度补偿,采用差分放大电路,6.2 差分放大电路,差模电压增益,差分放大电路应仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大.,差模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相反的信号。vid=vid1-vid2;vid1=vid2=vid,共模信号：是指在两个输入端加幅度相等，极性相同的信号。vic=vic1=vic2,放大两个输入信号之差,任意输入信号，幅度、极性都是任意的，它可以分解为一对差模信号和一对共模信号的组合。,共模电压增益,6.2.1基本差分放大电
6、路,差分放大器由两个特性基本相同的三极管组成，电路参数对称相等。,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。,静态分析,动态分析,当输入信号为零时，即,当在电路两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，,一管电流增加，另一管电流减小，所以,即在两个输出端有信号电压输出。,2.抑制零点漂移的原理,零点漂移 当放大电路的输入端短路时，输出端还有电压输出。,在差分电路中，温度的变化等会引起两管集电极电流、集电极电压的变化，其效果相当与在两个输入端加入了共模信号，由于电路对称，在理想的情况下，输出电压不变，从而抑制了零点漂移。,uo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0,当温度
7、升高时ICVC（两管变化量相等）,对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,在直接耦合多级放大电路中，前级Q点变化时，被后级逐级放大，造成输出电压漂移。,3、计算,双端输入、单端输出:,加负载电阻RL:,差分放大电路有两个输出端集电极C1和集电极C2。若信号从C1 和C2输出，则称为双端输出，反之，若信号仅从集电极 C1或C2 对地输出，则称为单端输出。,双端输入、双端输出:,（1）差模电压增益,单端输入时的差模电压增益：,单端输入：vi1 vid,vi2 0,因为恒流源交流电阻 r0 很大，可以看成开路。,作用于T1和T2上be结的信号基本上是一致的，相当于双端输入的情况。,电压
8、增益计算与双端输入时相同。,单端输入、单端输出:,单端输入、双端输出:,差模输入电阻输出电阻：,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。,输出电阻：,单端输出时，双端输出时，,输入电阻：,（1）双端输出时：,（2）单端输出时：,共模电压增益越小，放大电路的性能越好。,r0 越大，则Avc1越小，抑制共模信号的能力越强。,（2）共模电压增益 Avc,（3）共模抑制比 KCMR：,（2）单端输出时共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标，反映抑制共模信号的能力。,（1）双端输出时KCMR为无穷大,或：,由：,和,例2：,一、估算Q点：,二、动态分析：,等
9、效的发射极耦合电阻REE比例式电流源的输出电阻,例2：,1.双出（双入或单入）：差模特性：rbe=1.3k,画差模信号通路：,例2：,画共模信号通路：把直流电源、Vid 都短路；RL 两端共模信号电位相等，故其中无共模电流流过，故可视作开路；由于两臂的共模信号电流同时流过T4、R1，因此，把它等效到每管发射极时，需用2REE表示。RW的影响可略。,共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源的输出电阻（等效的REE）为4050k。,1.双出（双入或单入）：,共模信号通路,例2：,2.单出-（双入或单入）：（1）差模特性：,差模信号通路,例2：,2.单出-（双入或单入）：（2）共模特性,集成电路运算
10、放大器,集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,运算放大器方框图,1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。,例6.3.1和第6.3.2节的内容偏难，不作为基本要求,另举例说明集成运放内部结构,
11、集成运放内部结构（举例）,第1级：差动放大器,第2级：差动放大器,第3级：单管放大器,第4级：互补对称射极跟随器,极性判断,反相输入端 u,同相输入端 u+,输出端 uo,美国符号：,国内符号：,集成运算放大器符号,同相输入端:该端输入信号变化的极性与输出端相同,反相输入端:该端输入信号变化的极性与输出端相反,运算放大器外形图,本章结束,1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。,理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可。,3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模
12、抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。,理想运算放大器的特性,(1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。,“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电
13、位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。,(2)虚断,由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。,例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍数的表达式。,电压增益 Avf=Vo/Vi=Rf/R1,反相比例运算电路,根据虚断 I-=I+0,解：,根据虚短 V+V-0,Ii=(Vi V-)/R1 Vi/R1,If=(V-Vo)/Rf-Vo/Rf,Ii If,Vi/R1=-Vo/Rf,电压并联负反馈,例2：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍数的表达式。,电压增益,同相比例运算电路,根据虚断 I-=I+0,解：,根据虚短 V+V-Vi,电压串联负反馈,动画8-2,零点漂移动画6-1,零点漂移动画6-2,
