集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)課件

第二章集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)2.1

概述2.2

基本組成單元

2.2.1

偏置電路

2.2.2

差動(dòng)放大電路

2.2.3

中間級(jí)

2.2.4

輸出級(jí)2.3

主要技術(shù)指標(biāo)2.4

典型電路第二章集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)2.1概述1第二章集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)2.1概述集成電路（IntegratedCircuit，IC）是采用半導(dǎo)體制造工藝將一個(gè)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(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)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(diǎn)。第二章集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)2.1概述22.1概述集成電路分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路主要有：集成運(yùn)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(yùn)算放大電路（簡稱：集成運(yùn)放）應(yīng)用最廣泛。－＋U-U+Uo2.1概述集成電路分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集32.2集成運(yùn)放的基本組成單元集成運(yùn)放的內(nèi)部電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高放大倍數(shù)多級(jí)直接耦合放大電路。輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)2.2集成運(yùn)放的基本組成單元集成運(yùn)放的內(nèi)部電路實(shí)質(zhì)上是一4１、輸入級(jí)（前置級(jí)）輸入電阻高（M

級(jí)），抑制溫漂能力強(qiáng)，有一定的電壓放大能力（幾百倍）。多采用差動(dòng)放大電路。輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)２、中間級(jí)有較高的電壓放大倍數(shù)，采用共射放大電路并用恒流源代替RC。Au達(dá)幾千倍。３、輸出級(jí)輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，非線性失真小。采用甲乙類共集互補(bǔ)輸出電路４、偏置電路采用電流源電路為各級(jí)提供合適的集電極靜態(tài)電流。１、輸入級(jí)（前置級(jí)）輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)5２.２.１偏置電路

集成運(yùn)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(shù)一致。+VCCRT1T2IR2IBIC2

IC1IR=(VCC-UBE1)/RUBE1=UBE2，IB1=IB2，IC1=IC2IC2=IC1=IR-2IB=IR-2IC1/

得：IC2=IR/(1+2/)當(dāng)>>1時(shí)，IC2

IR

兩者為“鏡像”關(guān)系２.２.１偏置電路

62.2.2差動(dòng)放大輸入級(jí)一、差動(dòng)放大電路的基本形式二、差動(dòng)放大電路的分析三、差動(dòng)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(dòng)態(tài)分析（三）差動(dòng)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(dòng)放大輸入級(jí)一、差動(dòng)放大電路的基本形式（一）7（一）簡單形式電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，元件參數(shù)匹配則有：UBEQ1=UBEQ2=UBEQ

1=2=Rb1=Rb2=RbRc1=Rc2=RcRb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2當(dāng)Uid=0時(shí)：UCEQ1=UCEQ2

則：Uo=UCEQ1-UCEQ2=0差動(dòng)電路的差動(dòng)輸出具有抑制零漂的能力。+UCEQ1-+UCEQ2-R1R2+VCC+Uid-（一）簡單形式電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，元件參數(shù)匹配則有：Rb1Rb8（一）簡單形式當(dāng)輸入端加電壓Uid時(shí)，基極回路對(duì)稱有：Ui1=0.5Uid,Ui2=-0.5UidUid為差模輸入電壓。設(shè)單管電壓放大倍數(shù)

Au1

則：UC1=0.5UidAu1UC2=-0.5UidAu1Uo=UC1-UC2=UidAu1Rb1Rb2Rc1Rc2+Uo-T1T2+VCCR1R2+Uid-差動(dòng)放大倍數(shù)：Ad=Uo/Uid=Au1~~+0.5Uid-+0.5Uid-（一）簡單形式當(dāng)輸入端加電壓Uid時(shí)，基極回路對(duì)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(hào)的能力。共模信號(hào)：在輸入回路中，大小相同，方向極性也相同的信號(hào)。溫度漂移所成生的信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是共模信號(hào)。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(duì)共模信號(hào)，或溫度變化時(shí)：-VEERCRC+Uo-RReT1T1+Ui-ETIE1=IE2UE

(UBQ=0)IEIBUBE

對(duì)差模信號(hào):

IE1=-IE2,IRE不變，E點(diǎn)交流接地，所以對(duì)差模信號(hào)無負(fù)反饋。IRe問題：大RE的實(shí)現(xiàn)。(二)長尾式對(duì)共模信號(hào)，或溫度變化時(shí)：-VEERCRC+11二、差動(dòng)放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)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(duì)地)UBQ=-IBQR(對(duì)地)二、差動(dòng)放大電路的分析（長尾式）（一）靜態(tài)分析-VEE+VC12(二)動(dòng)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(dòng)態(tài)分析長尾式、恒流源式差放的交流通路相同RCRRC13(二)動(dòng)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(dòng)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(dāng)兩個(gè)輸入端分別加上輸入電壓Ui1和Ui2可將信號(hào)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(shù)和共模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)：Ad=UO/Uid共模電壓放大倍數(shù)：Ac=UO/Uic理想狀態(tài)：Ac=0實(shí)際電路和參數(shù)不可能完全對(duì)稱：Ac≠0總的輸出電壓：

Uo=AdUid+AcUicRCRC+Uo-T1T2~2Re2ReRbRb2、差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)：Ad163、共模抑制比差動(dòng)放大電路的共模抑制比，是其差模大電壓放倍數(shù)與共模電壓放倍數(shù)之比，一般用對(duì)數(shù)表示，單位為分貝。理想情況下Ac=0，KCMR

3、共模抑制比差動(dòng)放大電路的共模抑制比，是其差模大電17表2-1差動(dòng)放大電路四種接法之比較表2-1差動(dòng)放大電路四種接法之比較182.2.3中間級(jí)為了得到比較大的電壓放大倍數(shù)，集成運(yùn)放的中間級(jí)常采用有源負(fù)載以及復(fù)合管等電路結(jié)構(gòu)。一、有源負(fù)載+vccT3T2T1R+Ui-+Uo-IIc2Ic1T1為放大管，T2為有源負(fù)載代替Rc。I=(Vcc-UBE3)/R靜態(tài)時(shí)：Ic1=Ic2IRL動(dòng)態(tài)：2.2.3中間級(jí)為了得到比較大的電壓放大倍數(shù)，19有源負(fù)載差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)：ICQ1=ICQ2=I/2加上差模輸入電壓時(shí)：

ic1，

ic2=-

ic1

ic3

ic1，

ic4=

ic3

ic1

io=ic4-

ic22ic1可見有源負(fù)載差模放大電路的輸出電流的變化量是一般單端輸出時(shí)的兩倍。+VccT3T4T1+Ui-ic3ic1T2ic4ic2io-VEEI有源負(fù)載差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)：ICQ1=ICQ2=I/2+Vc20二、復(fù)合管復(fù)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+

1

2)iB1

1

2iB1則：

=iC/iB

=(

1+2+

1

2)

1

2

uBE=iB1rbe1+iE1rbe2

=iB1[rbe1+(1+

1)rbe2]

rbe=uBE/iB=rbe1+(1+

1)rbe2NPN型二、復(fù)合管復(fù)合管，可以得到比原來高的多的和輸入電阻rbeb21

(b)圖為兩個(gè)同類型PNP管組成的PNP型復(fù)合管，與(a)比較所有電流方向相反，電流間的關(guān)系完全一致，所以有：

=（1+2+

1

2)

1

2

rbe=rbe1+(1+

1)rbe2bceIB1IC1IC2IE2IE1=IB2IB1IC1IC2IE2IE1=IB2bce(a)NPN型（b）PNP型復(fù)合管的各種接法(b)圖為兩個(gè)同類型PNP管組成的PNP型復(fù)合管，22復(fù)合管的各種接法(c)圖為一個(gè)NPN管和一個(gè)PNP管組成的復(fù)合管，由電流方向可看出該管是NPN型復(fù)合管。(d)圖為一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管組成的復(fù)合管，由電流方向可看出該管是PNP型復(fù)合管。(c)，(d)兩圖的各電流方向相反，電流間的關(guān)系完全一致，有：

=

1(1+2)1

2rbe=rbe1IB1IE1IE2IC2IC1=IB2IB1IE1IE2IC2IC1=IB2（c）NPN型（d）PNP型becbce復(fù)合管的各種接法(c)圖為一個(gè)NPN管和一個(gè)PNP管組成的復(fù)23復(fù)合管的各種接法綜上所述，可得到以下結(jié)論：1.兩個(gè)相同類型的三極管組成復(fù)合管時(shí)，復(fù)合管的類型與原來相同

1

2

；rbe=rbe1+(1+

1)rbe22.兩個(gè)不相同類型的三極管組成復(fù)合管時(shí)，復(fù)合管的類型決定于前面一個(gè)三極管

1

2

；rbe=rbe1復(fù)合管的各種接法綜上所述，可得到以下結(jié)論：242.2.4輸出級(jí)集成運(yùn)放輸出級(jí)的任務(wù)是向負(fù)載提供足夠的輸出功率。電路的要求：Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。不要求很高的Au。有過載保護(hù)電路。在比較大電壓輸出范圍內(nèi)，非線性失真小。一般普通的共集電極放大電路的問題：負(fù)向輸出電壓比較低。靜態(tài)功耗大。輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱電路。2.2.4輸出級(jí)集成運(yùn)放輸出級(jí)的任務(wù)是向負(fù)載提供25一、乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)負(fù)載電流：iL=iC1-iC2uIT1T2NPNPNP+VCC-VCCRLiLiC1iC2ttttuIiC1iC2iL交越失真一、乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)負(fù)載電流：iL=iC1-iC2uIT26一、乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩個(gè)三極管輪流導(dǎo)電，互相補(bǔ)充，故稱互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)。每管導(dǎo)電180o，稱為“乙類”放大電路。優(yōu)點(diǎn)：效率高，靜態(tài)電流為零。缺點(diǎn)：當(dāng)uI小于輸入特性死區(qū)電壓時(shí)，兩個(gè)三極管均不導(dǎo)電，因此輸出電壓有比較嚴(yán)重的交越失真。tiL交越失真一、乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)由于電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩個(gè)三極管輪流導(dǎo)電，27二、甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)靜態(tài)時(shí)，有一個(gè)電流從+VCC-Rb1-R-D1-D2至