集成運算放大電路基礎課件

第二章集成運算放大電路基礎2.1

概述2.2

基本組成單元

2.2.1

偏置電路

2.2.2

差動放大電路

2.2.3

中間級

2.2.4

輸出級2.3

主要技術指標2.4

典型電路第二章集成運算放大電路基礎2.1概述1第二章集成運算放大電路基礎2.1概述集成電路（IntegratedCircuit，IC）是采用半導體制造工藝將一個含有二極管、三極管、電阻和電容等元件以及它們之間的連線集成在一塊半導體芯片上，構成一個具有特定功能的完整電路。與分立元件組成的電路比較，他具有元件集成度高，體積小，重量輕，耗電省，成本低，可靠性高等優(yōu)點。第二章集成運算放大電路基礎2.1概述22.1概述集成電路分為數字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路主要有：集成運算放大電路，集成乘法電路，集成功率放大電路，集成A/D，集成D/A以及集成穩(wěn)壓電路等。其中集成運算放大電路（簡稱：集成運放）應用最廣泛。－＋U-U+Uo2.1概述集成電路分為數字集成電路和模擬集成電路。模擬集32.2集成運放的基本組成單元集成運放的內部電路實質上是一個高放大倍數多級直接耦合放大電路。輸入級偏置電路中間級輸出級2.2集成運放的基本組成單元集成運放的內部電路實質上是一4１、輸入級（前置級）輸入電阻高（M級），抑制溫漂能力強，有一定的電壓放大能力（幾百倍）。多采用差動放大電路。輸入級偏置電路中間級輸出級２、中間級有較高的電壓放大倍數，采用共射放大電路并用恒流源代替RC。Au達幾千倍。３、輸出級輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，有較強的帶負載能力，非線性失真小。采用甲乙類共集互補輸出電路４、偏置電路采用電流源電路為各級提供合適的集電極靜態(tài)電流。１、輸入級（前置級）輸入級偏置電路中間級輸出級5２.２.１偏置電路

集成運放常用的偏置電路有：鏡像電流源，比例電流源和微電流源。一、鏡像電流源T1，T2具有相同的輸出輸入特性，參數一致。+VCCRT1T2IR2IBIC2

IC1IR=(VCC-UBE1)/RUBE1=UBE2，IB1=IB2，IC1=IC2IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC1/得：IC2=IR/(1+2/)當>>1時，IC2IR

兩者為“鏡像”關系２.２.１偏置電路

62.2.2差動放大輸入級一、差動放大電路的基本形式二、差動放大電路的分析三、差動放大電路的輸出接法（一）簡單形式（二）長尾形式（三）恒流形式（一）靜態(tài)分析（二）動態(tài)分析（三）差動放大電路的共模抑制比KCMR（一）雙端輸入、雙端輸出（二）雙端輸入、單端輸出（三）單端輸入、雙端輸出（四）單端輸入、單端輸出2.2.2差動放大輸入級一、差動放大電路的基本形式（一）7（一）簡單形式電路結構對稱，元件參數匹配則有：UBEQ1=UBEQ2=UBEQ1=2=Rb1=Rb2=RbRc1=Rc2=RcRb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2當Uid=0時：UCEQ1=UCEQ2

則：Uo=UCEQ1-UCEQ2=0差動電路的差動輸出具有抑制零漂的能力。+UCEQ1-+UCEQ2-R1R2+VCC+Uid-（一）簡單形式電路結構對稱，元件參數匹配則有：Rb1Rb8（一）簡單形式當輸入端加電壓Uid時，基極回路對稱有：Ui1=0.5Uid,Ui2=-0.5UidUid為差模輸入電壓。設單管電壓放大倍數

Au1

則：UC1=0.5UidAu1UC2=-0.5UidAu1Uo=UC1-UC2=UidAu1Rb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2+VCCR1R2+Uid-差動放大倍數：Ad=Uo/Uid=Au1~~+0.5Uid-+0.5Uid-（一）簡單形式當輸入端加電壓Uid時，基極回路對稱有：R9(二)長尾式長尾元件Re、VEE的作用：1、提供靜態(tài)電流，可省去Rb。2、具有抑制共模信號的能力。共模信號：在輸入回路中，大小相同，方向極性也相同的信號。溫度漂移所成生的信號實質上就是共模信號。R-VEERCRC+Uo-RReT1T2+Ui-(二)長尾式長尾元件Re、VEE的作用：1、提供靜態(tài)電流，10(二)長尾式對共模信號，或溫度變化時：-VEERCRC+Uo-RReT1T1+Ui-ETIE1=IE2UE(UBQ=0)IEIBUBE對差模信號:IE1=-IE2,IRE不變，E點交流接地，所以對差模信號無負反饋。IRe問題：大RE的實現(xiàn)。(二)長尾式對共模信號，或溫度變化時：-VEERCRC+11二、差動放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析當輸入信號為零，輸入端至-VEE形成直流輸入回路，如圖所示。IBQR+UBEQ+2(1+)IBQRe

=VEE-VEE+VCCRRCRC+Uo-T1T2ReIBQ=(VEE-UBEQ)／[R+2(1+)Re]ICQIBQUCQ=VCC-ICQRC

(對地)UBQ=-IBQR(對地)二、差動放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析-VEE+VC12(二)動態(tài)分析長尾式、恒流源式差放的交流通路相同RCRRC+Uo-T1T2RUi2Ui1Ib1=Ui1/(R+rbe)Ic1=Ib1Uc1=-Ic1(Rc//0.5RL)Uc2=Ic2(Rc//0.5RL)(二)動態(tài)分析長尾式、恒流源式差放的交流通路相同RCRRC13(二)動態(tài)分析差模輸入電阻Rid=2(R+rbe)差模輸出電阻Ro=2RcRCRRC+Uo-T1T2RUi2Ui1(二)動態(tài)分析差模輸入電阻RCRRC+Uo-T1T2R14(三)差模放大電路的共模抑制比KCMR1、差模輸入電壓和共模輸入電壓-VEERRCRC+Uo-T1T1+VCCＵi1Ｕi2~~+Uid-當兩個輸入端分別加上輸入電壓Ui1和Ui2可將信號分解成差模輸入電壓和共模輸入電壓：Uid=Ui1-Ui2Uic=(Ui1+Ui2)/2~+UiC-(三)差模放大電路的共模抑制比KCMR1、差模輸入電壓和共152、差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數差模電壓放大倍數：Ad=UO/Uid共模電壓放大倍數：Ac=UO/Uic理想狀態(tài)：Ac=0實際電路和參數不可能完全對稱：Ac≠0總的輸出電壓：

Uo=AdUid+AcUicRCRC+Uo-T1T2~2Re2ReRbRb2、差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數差模電壓放大倍數：Ad163、共模抑制比差動放大電路的共模抑制比，是其差模大電壓放倍數與共模電壓放倍數之比，一般用對數表示，單位為分貝。理想情況下Ac=0，KCMR3、共模抑制比差動放大電路的共模抑制比，是其差模大電17表2-1差動放大電路四種接法之比較表2-1差動放大電路四種接法之比較182.2.3中間級為了得到比較大的電壓放大倍數，集成運放的中間級常采用有源負載以及復合管等電路結構。一、有源負載+vccT3T2T1R+Ui-+Uo-IIc2Ic1T1為放大管，T2為有源負載代替Rc。I=(Vcc-UBE3)/R靜態(tài)時：Ic1=Ic2IRL動態(tài)：2.2.3中間級為了得到比較大的電壓放大倍數，19有源負載差動放大電路靜態(tài)時：ICQ1=ICQ2=I/2加上差模輸入電壓時：ic1，ic2=-ic1ic3ic1，ic4=ic3ic1io=ic4-ic22ic1可見有源負載差模放大電路的輸出電流的變化量是一般單端輸出時的兩倍。+VccT3T4T1+Ui-ic3ic1T2ic4ic2io-VEEI有源負載差動放大電路靜態(tài)時：ICQ1=ICQ2=I/2+Vc20二、復合管復合管，可以得到比原來高的多的和輸入電阻rbebceT1T2+-uBEiE1=iB2iBiC1iCiC2iEiB1bce+uBE-=iC/iB

iB=iB1

iC=iC1+iC2=1iB1+2(1+1)iB1

=(1+2+12)iB1

12iB1則：=iC/iB

=(1+2+12)

12

uBE=iB1rbe1+iE1rbe2

=iB1[rbe1+(1+1)rbe2]

rbe=uBE/iB=rbe1+(1+1)rbe2NPN型二、復合管復合管，可以得到比原來高的多的和輸入電阻rbeb21

(b)圖為兩個同類型PNP管組成的PNP型復合管，與(a)比較所有電流方向相反，電流間的關系完全一致，所以有：=（1+2+12)

12

rbe=rbe1+(1+1)rbe2bceIB1IC1IC2IE2IE1=IB2IB1IC1IC2IE2IE1=IB2bce(a)NPN型（b）PNP型復合管的各種接法(b)圖為兩個同類型PNP管組成的PNP型復合管，22復合管的各種接法(c)圖為一個NPN管和一個PNP管組成的復合管，由電流方向可看出該管是NPN型復合管。(d)圖為一個PNP管和一個NPN管組成的復合管，由電流方向可看出該管是PNP型復合管。(c)，(d)兩圖的各電流方向相反，電流間的關系完全一致，有：=1(1+2)12rbe=rbe1IB1IE1IE2IC2IC1=IB2IB1IE1IE2IC2IC1=IB2（c）NPN型（d）PNP型becbce復合管的各種接法(c)圖為一個NPN管和一個PNP管組成的復23復合管的各種接法綜上所述，可得到以下結論：1.兩個相同類型的三極管組成復合管時，復合管的類型與原來相同

12

；rbe=rbe1+(1+1)rbe22.兩個不相同類型的三極管組成復合管時，復合管的類型決定于前面一個三極管

12

；rbe=rbe1復合管的各種接法綜上所述，可得到以下結論：242.2.4輸出級集成運放輸出級的任務是向負載提供足夠的輸出功率。電路的要求：Ro小，帶負載能力強。不要求很高的Au。有過載保護電路。在比較大電壓輸出范圍內，非線性失真小。一般普通的共集電極放大電路的問題：負向輸出電壓比較低。靜態(tài)功耗大。輸出級采用互補對稱電路。2.2.4輸出級集成運放輸出級的任務是向負載提供25一、乙類互補對稱輸出級負載電流：iL=iC1-iC2uIT1T2NPNPNP+VCC-VCCRLiLiC1iC2ttttuIiC1iC2iL交越失真一、乙類互補對稱輸出級負載電流：iL=iC1-iC2uIT26一、乙類互補對稱輸出級由于電路結構對稱，兩個三極管輪流導電，互相補充，故稱互補對稱輸出級。每管導電180o，稱為“乙類”放大電路。優(yōu)點：效率高，靜態(tài)電流為零。缺點：當uI小于輸入特性死區(qū)電壓時，兩個三極管均不導電，因此輸出電壓有比較嚴重的交越失真。tiL交越失真一、乙類互補對稱輸出級由于電路結構對稱，兩個三極管輪流導電，27二、甲乙類互補對稱輸出級靜態(tài)時，有一個電流從+VCC-Rb1-R-D1-D2至-VCC使UB1-UB2>2UBEQT1，T2中有一個較小的靜態(tài)基流，兩管在微導通狀態(tài)。故波形失真較小。每個管子導電大于180o，有“甲乙類”之稱。二、甲乙類互補對稱輸出級靜態(tài)時，有一個電流從+VCC-28三、復合管組成的功率輸出級要輸出同樣功率的信號，所需的推動電流較小。三、復合管組成的功率輸出級要輸出同樣功率的信號，所需的推動電29四、輸出級的過載保護電路四、輸出級的過載保護電路302.3集成運放的主要技術指標1.開環(huán)差模電壓增益Aod2.差模輸入電阻Rid3.共模抑制比KCMR4.輸入失調電壓UIO及失調電壓溫漂UIO2.3集成運放的主要技術指標1.開環(huán)差模電壓增益Aod312.3集成運放的主要技術指標5.輸入偏置電流IIB6.輸入失調電流IIO及失調電流溫漂IIO7.最大共模輸入電壓Uicm8.最大差模輸入電壓Uidm9.-3dB帶寬fH與單位增益帶寬fC10.轉換速率SR2.3集成運放的主要技術指標5.輸入偏置電流IIB322.4集成運放的典型電路2.4集成運放的典型電路33作業(yè)一、自學自我檢測題(第176頁)二、習題與思考題(第180頁起):題2-2，2.3，*2.5，2-12，2-13，*2-14作業(yè)一、自學自我檢測題(第176頁)34第二章集成運算放大電路基礎2.1

概述2.2

基本組成單元

2.2.1

偏置電路

2.2.2

差動放大電路

2.2.3

中間級

2.2.4

輸出級2.3

主要技術指標2.4

典型電路第二章集成運算放大電路基礎2.1概述35第二章集成運算放大電路基礎2.1概述集成電路（IntegratedCircuit，IC）是采用半導體制造工藝將一個含有二極管、三極管、電阻和電容等元件以及它們之間的連線集成在一塊半導體芯片上，構成一個具有特定功能的完整電路。與分立元件組成的電路比較，他具有元件集成度高，體積小，重量輕，耗電省，成本低，可靠性高等優(yōu)點。第二章集成運算放大電路基礎2.1概述362.1概述集成電路分為數字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路主要有：集成運算放大電路，集成乘法電路，集成功率放大電路，集成A/D，集成D/A以及集成穩(wěn)壓電路等。其中集成運算放大電路（簡稱：集成運放）應用最廣泛。－＋U-U+Uo2.1概述集成電路分為數字集成電路和模擬集成電路。模擬集372.2集成運放的基本組成單元集成運放的內部電路實質上是一個高放大倍數多級直接耦合放大電路。輸入級偏置電路中間級輸出級2.2集成運放的基本組成單元集成運放的內部電路實質上是一38１、輸入級（前置級）輸入電阻高（M級），抑制溫漂能力強，有一定的電壓放大能力（幾百倍）。多采用差動放大電路。輸入級偏置電路中間級輸出級２、中間級有較高的電壓放大倍數，采用共射放大電路并用恒流源代替RC。Au達幾千倍。３、輸出級輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，有較強的帶負載能力，非線性失真小。采用甲乙類共集互補輸出電路４、偏置電路采用電流源電路為各級提供合適的集電極靜態(tài)電流。１、輸入級（前置級）輸入級偏置電路中間級輸出級39２.２.１偏置電路

集成運放常用的偏置電路有：鏡像電流源，比例電流源和微電流源。一、鏡像電流源T1，T2具有相同的輸出輸入特性，參數一致。+VCCRT1T2IR2IBIC2

IC1IR=(VCC-UBE1)/RUBE1=UBE2，IB1=IB2，IC1=IC2IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC1/得：IC2=IR/(1+2/)當>>1時，IC2IR

兩者為“鏡像”關系２.２.１偏置電路

402.2.2差動放大輸入級一、差動放大電路的基本形式二、差動放大電路的分析三、差動放大電路的輸出接法（一）簡單形式（二）長尾形式（三）恒流形式（一）靜態(tài)分析（二）動態(tài)分析（三）差動放大電路的共模抑制比KCMR（一）雙端輸入、雙端輸出（二）雙端輸入、單端輸出（三）單端輸入、雙端輸出（四）單端輸入、單端輸出2.2.2差動放大輸入級一、差動放大電路的基本形式（一）41（一）簡單形式電路結構對稱，元件參數匹配則有：UBEQ1=UBEQ2=UBEQ1=2=Rb1=Rb2=RbRc1=Rc2=RcRb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2當Uid=0時：UCEQ1=UCEQ2

則：Uo=UCEQ1-UCEQ2=0差動電路的差動輸出具有抑制零漂的能力。+UCEQ1-+UCEQ2-R1R2+VCC+Uid-（一）簡單形式電路結構對稱，元件參數匹配則有：Rb1Rb42（一）簡單形式當輸入端加電壓Uid時，基極回路對稱有：Ui1=0.5Uid,Ui2=-0.5UidUid為差模輸入電壓。設單管電壓放大倍數

Au1

則：UC1=0.5UidAu1UC2=-0.5UidAu1Uo=UC1-UC2=UidAu1Rb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2+VCCR1R2+Uid-差動放大倍數：Ad=Uo/Uid=Au1~~+0.5Uid-+0.5Uid-（一）簡單形式當輸入端加電壓Uid時，基極回路對稱有：R43(二)長尾式長尾元件Re、VEE的作用：1、提供靜態(tài)電流，可省去Rb。2、具有抑制共模信號的能力。共模信號：在輸入回路中，大小相同，方向極性也相同的信號。溫度漂移所成生的信號實質上就是共模信號。R-VEERCRC+Uo-RReT1T2+Ui-(二)長尾式長尾元件Re、VEE的作用：1、提供靜態(tài)電流，44(二)長尾式對共模信號，或溫度變化時：-VEERCRC+Uo-RReT1T1+Ui-ETIE1=IE2UE(UBQ=0)IEIBUBE對差模信號:IE1=-IE2,IRE不變，E點交流接地，所以對差模信號無負反饋。IRe問題：大RE的實現(xiàn)。(二)長尾式對共模信號，或溫度變化時：-VEERCRC+45二、差動放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析當輸入信號為零，輸入端至-VEE形成直流輸入回路，如圖所示。IBQR+UBEQ+2(1+)IBQRe

=VEE-VEE+VCCRRCRC+Uo-T1T2ReIBQ=(VEE-UBEQ)／[R+2(1+)Re]ICQIBQUCQ=VCC-ICQRC

(對地)UBQ=-IBQR(對地)二、差動放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析-VEE+VC46(二)動態(tài)分析長尾式、恒流源式差放的交流通路相同RCRRC+Uo-T1T2RUi2Ui1Ib1=Ui1/(R+rbe)Ic1=Ib1Uc1=-Ic1(Rc//0.5RL)Uc2=Ic2(Rc//0.5RL)(二)動態(tài)分析長尾式、恒流源式差放的交流通路相同RCRRC47(二)動態(tài)分析差模輸入電阻Rid=2(R+rbe)差模輸出電阻Ro=2RcRCRRC+Uo-T1T2RUi2Ui1(二)動態(tài)分析差模輸入電阻RCRRC+Uo-T1T2R48(三)差模放大電路的共模抑制比KCMR1、差模輸入電壓和共模輸入電壓-VEERRCRC+Uo-T1T1+VCCＵi1Ｕi2~~+Uid-當兩個輸入端分別加上輸入電壓Ui1和Ui2可將信號分解成差模輸入電壓和共模輸入電壓：Uid=Ui1-Ui2Uic=(Ui1+Ui2)/2~+UiC-(三)差模放大電路的共模抑制比KCMR1、差模輸入電壓和共492、差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數差模電壓放大倍數：Ad=UO/Uid共模電壓放大倍數：Ac=UO/Uic理想狀態(tài)：Ac=0實際電路和參數不可能完全對稱：Ac≠0總的輸出電壓：

Uo=AdUid+AcUicRCRC+Uo-T1T2~2Re2ReRbRb2、差模電壓放大倍數和共模電壓放大倍數差模電壓放大倍數：Ad503、共模抑制比差動放大電路的共模抑制比，是其差模大電壓放倍數與共模電壓放倍數之比，一般用對數表示，單位為分貝。理想情況下Ac=0，KCMR3、共模抑制比差動放大電路的共模抑制比，是其差模大電51表2-1差動放大電路四種接法之比較表2-1差動放大電路四種接法之比較522.2.3中間級為了得到比較大的電壓放大倍數，集成運放的中間級常采用有源負載以及復合管等電路結構。一、有源負載+vccT3T2T1R+Ui-+Uo-IIc2Ic1T1為放大管，T2為有源負載代替Rc。I=(Vcc-UBE3)/R靜態(tài)時：Ic1=Ic2IRL動態(tài)：2.2.3中間級為了得到比較大的電壓放大倍數，53有源負載差動放大電路靜態(tài)時：ICQ1=ICQ2=I/2加上差模輸入電壓時：ic1，ic2=-ic1ic3ic1，ic4=ic3ic1io=ic4-ic22ic1可見有源負載差模放大電路的輸出電流的變化量是一般單端輸出時的兩倍。+VccT3T4T1+Ui-ic3ic1T2ic4ic2io-VEEI有源負載差動放大電路靜態(tài)時：ICQ1=ICQ2=I/2+Vc54二、復合管復合管，可以得到比原來高的多的和輸入電阻rbebceT1T2+-uBEiE1=iB2iBiC1iCiC2iEiB1bce+uBE-=iC/iB

iB=iB1

iC=iC1+iC2=1iB1+2(1+1)iB1

=(1+2+12)iB1

12iB1則：=iC/iB

=(1+2+12)

12

uBE=iB1rbe1+iE1rbe2

=iB1[rbe1+(1+1)rbe2]

rbe=uBE/iB=rbe1+(1+1)rbe2NPN型二、復合管復合管，可以得到比原來高的多的和輸入電阻rbeb55

(b)圖為兩個同類型PNP管組成的PNP型復合管，與(a)比較所有電流方向相反，電流間的關系完全一致，所以有：=（1+2+12)

12

rbe=rbe1+(1+1)rbe2bceIB1IC1IC2IE2IE1=IB2IB1IC1IC2IE2IE1=IB2bce(a)NPN型（b）PNP型復合管的各種接法(b)圖為兩個同類型PNP管組成的PNP型復合管，56復合管的各種接法(c)圖為一個NPN管和一個PNP管組成的復合管，由電流方向可看出該管是NPN型復合管。(d)圖為一個PNP管和一個NPN管組成的復合管，由電流方向可看出該管是PNP型復合管。(c)，(d)兩圖的各電流方向相反，電流間的關系完全一致，有：=1(1+2)12rbe=rbe1IB1IE1IE2IC2IC1=IB2IB1IE1IE2IC2IC1=IB2（c）NPN型（d）PNP型becbce復合管的各種接法(c)圖為一個NPN管和一個PNP管組成的復57復合管的各種接法綜上所述，可得到以下結論：1.兩個相同類型的三極管組成復合管時，復合管的類型與原來相同

12