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1、第五章 集成运算放大器,5.1 差动放大电路,5.2 集成运算放大器中的单元电路,5.3 集成运放简介,5.4 集成运算放大器中的主要参数,5.5 特殊集成运算放大器,5.6 集成运算放大器的模型,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点：（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，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，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,
2、什么是集成运算放大器？,直接耦合放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,第一级是关键,例如,若输出有1V的漂移电压。,则等效输入有100 uV的漂移电压,假设,等效 100 uV,漂移 1 V,减小零漂的措施(稳定Q的措施),用非线性元件进行 温度补偿,采用负反馈,采用差动式放大电路,射偏电路,用热敏元件进行 温度
3、补偿,5.1 差动放大电路,即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb,差动放大电路一般有两个输入端：,ui1，ui2,有两个输出端:,uo1，uo2,2023/11/15,2.差动放大电路可以有两个输出端。双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对地输出。,二.几个基本概念,1.差动放大电路一般有两个输入端：双端输入从两输入端同时加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号。,3.差模信号与共模信号,差模输入信号：,共模输入信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4.共模抑制比,2023/11/15,差模
4、信号：,共模信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,4.共模抑制比,3.差模信号与共模信号,三.差动放大电路的基本工作原理,忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V,1.静态工作点的计算：,2.抑制零漂的原理:,Uo=UC1-UC2=0,当ui1=ui2=0 时，,当温度变化时：,UC1=UC2,设T ic1,ic2 uc1,uc2 uo=uc1-uc2=0,(1)加入差模信号,ui1=-ui2=uid/2，,3.电路的动态分析,所以，Re对差模信号相当于短路。,若ui1,ui2 ib1,ib2 ie1,ie2 IRe不变 UE不变,uic=0。,求差模电压放大倍数：,因为ui1=-u
5、i2,设ui1,ui2 uo1,uo2。电路对称uo1=uo2 uo=uo1 uo2=2 uo1,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,(2)加入共模信号,ui1=ui2=uic，uid=0。,设ui1，ui2 uo1，uo2。因ui1=ui2，uo1=uo2 uo=0(理想化)。,共模电压放大倍数,共模抑制比,(3)一般输入信号情况,差模输入信号：,共模输入信号：,差模电压增益：,共模电压增益：,总输出电压：,四.差动放大器的输入输出方式,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
6、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 共模抑制比,1.双端输入双端输出,(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,(5)共模抑制比,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,（4）共模电压放大倍数,ui1=ui2=uic，,设ui1，ui2 ie1，ie1。iRe（=2 ie1）,画出共模等效电路,求共模电压放大倍数：,3.单端输入双端输出,ui1=ui2=ui/2,计算同双端输入双端输出：,单端输入等效双端
7、输入:因为Re从T2发射极看进去的等效电阻，故 Re 可视为开路，于是有,4.单端输入单端输出,计算同双入单出：,注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从uo2 输出为正号。,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：,(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：,(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,(5)共模抑制比,共模抑制比K
8、CMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：,五.带恒流源的差动放大电路,等效很大的交流电阻 R等效,恒流源的作用,直流电阻较小不影响直流工作点。,R等效,R等效对差模信号短路 不影响差模指标,BJT电流源电路,射极偏置电路具有稳定的直流IC,符号,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态指标：,恒流源等效电阻：,套用前述基本差放的各项公式（用R等效代替Re）,镜像电流源微电流源多支路比例电流源电流源作有源负载,5.2 集成运算放大器中的单元电路,一.电流源电路,二.差动输入级,三.输出级,有源负载差动放大 电路共集共基差动输入
9、级,互补对称射极输出电路克服交越失真的互补对称电路,1.镜像电流源,基准电流：,一.电流源电路,(当BJT的 b 足够大时),T1、T2的参数完全相同,无论T2的负载如何变化，IC2的电流值将保持不变。,优点：结构简单,缺点：不足够大时存在误差；热稳定性差；适用于较大工作电流场合。,2.微电流源,试探法：已知：IR=0.72mA，Re2=3k，UT=26mV求得：IC228uA,Re2引入负反馈，使IC2更加稳定。,Re2使电流IC2减小,（1）电流小（因为UBE小）。,（2）电流稳定（Re2的负反馈作用）,特点：,3.多支路比例电流源,IE0IC0IR IC1 IE1 则，可得：IRR0 I
10、C1R1,在图中，T0、T1管，电阻R、R0和R1构成了比例电流源。有：,IE0R0UBE0IE1R1UBE1,因为：UBE0UBE1 所以：IE0R0 IE1R1,同样，IC2 和IC3也与IR成比例,4.电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,而电流源的直流电阻较小，不会影响直流工作点。,放大管,IC2,二.差动输入级,1.有源负载差动放大电路,T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。,T1和T2和电流源IEE构成差动放大电路，,使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,静态时:,IC1=IC2=IC3=IC4=IEE/2流过负载电阻的电流为零。,加入差模信号时:,流过负载电
11、阻的电流是单端差动输出电流的2倍,ic1=ic3=ic4=-ic2,2.共集共基差动输入级,特点：（1）输入阻抗高。（2）T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。,三.输出级,工作原理：,ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。,1.互补对称射极输出电路,输入输出波形图,死区电压,2.克服交越失真的互补对电路,静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。,电路中增加 D1、D2,工作原理：,5.3 集
12、成运放简介,一.集成运放的总体结构,集成运算放大器是一个高增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,二.简单的集成运放,原理电路：,三.通用型集成运放F007（5G24，mA741),1.信号传输过程,T1T4：共集-共基差放；,T16、T17：复合管组成共射放大电路；,T14、T20工作在甲乙类放大状态。,T5T7：镜像电流源，作有源负载；,T8、T9组成镜像电流源，为差动输入级的T1、T2提供集电极偏置电流；,T10、T11组成微电流源，T10集电极为T3、T4提供基极偏置电流；,
13、T12、T13构成双输出的镜像电流源，T13B为复合管T16、T17提供集电极电流，并作为中间级有源负载；T13A为输出级提供偏置电流，使输出级T14、T20工作在甲乙类放大状态。,2.偏置电路：,T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,3.输入级：,T1T4：共集-共基差放；,T1、T2和 T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。,T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T5、T6、T7 和R1、R2、R3组成镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。同时，还可在单端
14、输出状态下获得双端输出的增益。,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13管作这一级的集电极有源负载。,4.中间级：,T24是缓冲级，同时可给输出级提供足够大的电流。,A,B,T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。,T15、T21、T22、T23：组成过流保护电路.T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T22、T23、R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,5.输出级：,6.相位分析：,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,3号（同相端）；2号（反相端）；6 号（输出端）；7号（+V
15、CC）；4号（-VEE）；1号、5 号（调零端）；8 号、9号（补偿端）。,7.管脚分析：,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,1.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，折算到输入端的电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,四、集成运算放大器的主要参数,uo0,210mV,它反映了运放输入级差动对管UBE的对称程度。,2.输入失调电压温漂 dUIO dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压的变化量与温度变化量之比。,1020uV/oC,4.输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于
16、表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流IIB：输出电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,10nA1uA,1nA0.1uA,5.输入失调电流温漂dIIO/dT:在规定工作温度范围内，输入失调电流的变化量与温度变化量之比。,1nA/oC,6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,几伏几十伏,接近电源电压,8.开环差模电压放
17、大倍数 Aod：无反馈时的差模电压增益。,9.差模输入电阻rid：双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,11.共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Aud/Auc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,10.输出电阻ro:几几十,12.开环带宽BW(f H)：运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽。,13.转换速率S R(压摆率)：指在额定负载及输入阶跃信号时，输出电压变化的最大速率。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,5.5
18、特殊集成运算放大器,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。其典型产品
19、有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV,IIO/T 200PA,KCMR110dB。大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。,3.高速型,高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微
20、秒，单位增益带宽BW 10MHZ。主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5.大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,5.6 集成运算放大器的模型,一.运放的电压
21、传输特性：,设：电源电压VCC=10V。运放的Aod=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,Aod越大，线性区越小，当Aod 时，线性区0,2.理想运算放大器：,（1）开环电压放大倍数 Aod=,（2）差摸输入电阻 Rid=,（4）输出电阻 Ro=0,（3）共模抑制比KCMR=,（5）输入失调电压，输入失调电流及其温漂为零,（6）开环带宽BW=,理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！,运放工作在线性区时，利用运放的理想模型可以得到：(1)虚短（u+=u-）(2)虚断（ii+=ii-=0）,3.线性区,4.非线性区（正、负饱和状态）,运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！,
22、运放工作在非线性状态时：(1)若U+U-则UO=+UOM；若U+U-则UO=-UOM。(2)虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！,本章小结,1直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有BJT集成运放、FET集成运放、BiMOS集成运放等。本章重点介绍了BJT集成运放F007。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。,
