電子技術(shù)基礎(chǔ)-第五章-集成運(yùn)算放大器

電子技術(shù)基礎(chǔ)--第五章--集成運(yùn)算放大器第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)概述第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一引言集成電路采用硅平面制造工藝，將二極管、三極管、電阻、電容等元器件以及它們之間的連線同時(shí)制造在一小塊半導(dǎo)體基片上，并封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，構(gòu)成具有特定功能的電路和系統(tǒng)。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一高增益、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合的集成的具有很高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)放大電路。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只能外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。（6）一般無二極管，用三極管代替(B、C極接在一起)。集成運(yùn)算放大器集成電路的工藝特點(diǎn)第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一集成運(yùn)放的組成：輸入級(jí)

輸入級(jí)通常要求有盡可能低的零點(diǎn)漂移，較高的共模抑制能力，輸入阻抗高及偏置電流小，因此一般采用差分放大電路。

第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一中間級(jí)主要承擔(dān)電壓放大的任務(wù)，多采用共射或共源放大電路。為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復(fù)合管做放大管，用恒流源做有源負(fù)載。集成運(yùn)放的組成：中間級(jí)

第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一

輸出級(jí)要求具有一定的帶負(fù)載能力（即輸出電阻小）和一定的輸出電壓及電流動(dòng)態(tài)范圍。因此輸出級(jí)多采用射極輸出器、互補(bǔ)對(duì)稱電路。集成運(yùn)放的組成：輸出級(jí)第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。一般采用鏡像電流源，以及由其演變而成的微電流源、多路輸出電流源等。集成運(yùn)放的組成：偏置電路第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸入級(jí)T1、T3和T2、T4簡化電路偏置電路T5、T6有源負(fù)載中間級(jí)T7、T8輸出級(jí)T11T13甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路(OCL)采用單電源(OTL)時(shí)，輸入端靜態(tài)電位應(yīng)為0.5VCC。復(fù)合管，共發(fā)射極具有高增益第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一1.直接耦合放大電路可以放大直流信號(hào)#為什么一般的集成運(yùn)算放大器都要采用直接耦合方式？第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移零漂：輸入短路時(shí)，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。主要原因：溫度變化引起，也稱溫漂。Q點(diǎn)位置隨著溫度的上升和下降而移動(dòng)，從另一個(gè)角度來看：可以認(rèn)為Q點(diǎn)沒有動(dòng)，而產(chǎn)生了一個(gè)緩慢變化的交流信號(hào)。這種信號(hào)又因?yàn)槭侵苯玉詈戏绞蕉恢鸺?jí)放大。電源電壓波動(dòng)也是原因之一溫漂指標(biāo)：溫度每升高1度時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一例若第一級(jí)漂移100uV（已折合到輸入端），則輸出漂移1V。若第二級(jí)也漂移100uV，則輸出漂移10mV。假設(shè)第一級(jí)是關(guān)鍵3.減小零漂的措施用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用恒溫環(huán)境。采用差分式放大電路漂移100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)差分式放大電路一、長尾差分式放大電路第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一

由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的共射電路組成，通過射極公共電阻Ree耦合構(gòu)成。

?1=?

2=?

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一差模信號(hào)：有用的信號(hào)，包含著信息，要進(jìn)行放大的。第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一uid1=-uid2uid=uid1-uid2第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)：有用的信號(hào)，包含著信息，要進(jìn)行放大的。共模信號(hào)：人為引入的一個(gè)信號(hào)，不是要放大的，而是用來描述零漂的大小。直接描述、測量零漂很麻煩，要先后測量兩種不同的環(huán)境溫度下的靜態(tài)工作點(diǎn)，求取它們的差值。從另外一個(gè)角度：在同樣的環(huán)境溫度下，在輸入端施加共模信號(hào)，測量輸出端的信號(hào)，求取共模放大倍數(shù)。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一靜態(tài)分析

第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一直流通路由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，管子特性一致。IB1=IB2=

IBIC1=IC2=ICVC1=VC2=VC

第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.差模交流信號(hào)分析:

第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.差模交流信號(hào)分析:畫出對(duì)差模交流信號(hào)的交流通路理想的直流電壓源短路2.1差模輸入雙端輸出關(guān)鍵是此處對(duì)Ree的處理。在以前畫交流通路時(shí)，線性電阻在交流通路中保留，阻值為線性電阻的交流電阻，因?yàn)槭蔷€性的，所以交流電阻與直流電阻相等。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一某瞬間的真實(shí)方向第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一uid1=-uid2Ree上交流壓降為0。因此，畫差模交流信號(hào)交流通路時(shí)，Ree可視為短路，即兩管的發(fā)射極直接接地。由uc1=-uc2可知RL兩端電位一端為正，一端為負(fù)，RL的中點(diǎn)應(yīng)是地電位，即每管對(duì)地的負(fù)載電阻為RL/2.uid=uid1-uid2第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一參考方向第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.1.1求差模電壓放大倍數(shù)畫差模交流信號(hào)的小信號(hào)等效電路第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.1.2求差模輸入電阻Rid=2(Rb+rbe)畫求輸入電阻的電路第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.1.3求差模輸出電阻Rod≈2Rc畫求輸出電阻的電路第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.2差模輸入單端輸出(a)差模輸入—單端輸出(注意從哪邊輸出，左邊)2.2.1求差模電壓放大倍數(shù)交流通路第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一差模輸入單端輸出小信號(hào)等效電路第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一如果從T2的集電極輸出交流信號(hào)的話，輸出電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)同相。第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一2.2.2求差模輸入電阻Rid=2(Rb+rbe)畫求輸入電阻的電路2.2.3求差模輸入電阻畫求輸出電阻的電路Rod≈Rc第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一3.共模交流信號(hào)分析:(a)雙端輸出因?yàn)殡娐吠耆珜?duì)稱，所以雙端輸出時(shí)共模放大倍數(shù)為0。第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一3.共模交流信號(hào)分析:（1）單端輸出電壓增益：從左邊輸出和從右邊輸出完全相同(b)單端輸出第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一畫交流通路時(shí)，單管射極電阻應(yīng)為2Ree。輸入電阻第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一共模抑制比CMRR—衡量差放的一個(gè)重要指標(biāo)?；螂p端輸出單端輸出第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一Ree的共模負(fù)反饋?zhàn)饔肦ee值越大，共模負(fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)Ree對(duì)差模信號(hào)短路，沒有任何作用Ree值太大，要求直流電壓源越大，不現(xiàn)實(shí)因此采用恒流源電路第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一4對(duì)任意信號(hào)的分析方法第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2uic=(ui1+ui2)/2uid=ui1-ui2uid1=-uid2=uid/2差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)總輸出電壓

第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2例：ui1=10mVui2=8mVuic=(ui1+ui2)/2=9mVuid=(ui1-ui2)=2mVui1=uic1+uid1=9+1ui2=uic2+uid2=9-1第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位關(guān)系的分析單端輸入單端輸出單端輸入雙端輸出雙端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一二、恒流源差分放大電路第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一（一）靜態(tài)分析第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一（二）對(duì)差模交流信號(hào)的分析第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一（三）對(duì)共模交流信號(hào)的分析共模放大倍數(shù)為0。第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一通用型集成電路運(yùn)算放大器第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO2.輸入偏置電流IIB3.輸入失調(diào)電流IIO4.溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO/

T（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO/

T5.最大差模輸入電壓Vidmax6.最大共模輸入電壓Vicmax7.最大輸出電流Iomax第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)8.開環(huán)差模電壓增益AVO9.開環(huán)帶寬BW

(fH)10.單位增益帶寬

BWG(fT)11.轉(zhuǎn)換速率SR第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一通用型高輸入阻抗型高精度(低漂移型)高速型和寬帶型低功耗型高壓型功率型

為滿足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專用型集成運(yùn)放。它們在某些技術(shù)指標(biāo)上比較突出。根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類，主要有通用、高輸入阻抗、高精度、高速、低功耗和高壓型等幾種。專用型集成電路運(yùn)算放大器第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一通用型

通用型運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價(jià)格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運(yùn)放已很少使用了。以典型的通用型運(yùn)放CF741(A741)為例，輸入失調(diào)電壓1～2mV、輸入失調(diào)電流20nA、差模輸入電阻2M，開環(huán)增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75、共模輸入電壓范圍13V、轉(zhuǎn)換速率0.5V/s。第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一高輸入阻抗型

廣泛用于生物醫(yī)學(xué)電信號(hào)測量的精密放大電路、有源濾波器、取樣-保持放大器、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)放大器、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

例如：LF356、LF355、LF347

全MOSFET的CA3130

更小偏置電流的有AD515、LF0052

第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一高精度(低漂移型）

一般用于毫伏量級(jí)或更低的微弱信號(hào)的精密檢測、精密模擬計(jì)算、高精度穩(wěn)壓電源及自動(dòng)控制儀表中。例如：

AD508、OP-27

ICL7650

第五十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期一高速型和