模擬與數(shù)字電子電路基礎(chǔ)：第6章 集成運算放大電路基礎(chǔ)

1模擬與數(shù)字電子電路基礎(chǔ)

26.1集成運放的基本組成6.2集成運放中的偏置電路6.3差動放大電路6.4功率放大電路6.5集成運算放大電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)36.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)

集成電路（IntegratedCircuit，IC）是采用半導(dǎo)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(dǎo)體芯片上，構(gòu)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。46.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)

集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路分類模擬集成電路數(shù)字集成電路集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/DD/A等。56.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)

集成運放的內(nèi)部電路實質(zhì)上是一個高放大倍數(shù)多級直接耦合放大電路。通常由差動放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點漂移、提高輸入阻抗。66.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。76.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)通常由互補(bǔ)對稱電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力。86.1集成運放的基本組成第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。96.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)

集成運放常用的恒流源有：鏡像電流源和微電流源。偏置電路：為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路構(gòu)成。106.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)實現(xiàn)恒流源的基本思想

IC恒定

IB恒定

VBE恒定116.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)實現(xiàn)恒流源的基本思想負(fù)載為RC，缺點：1.受電源波動影響大；

2.電阻過多126.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)VT1，VT2具有相同的輸出輸入特性，參數(shù)一致+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC1IREF2IBIB2IB16.2.1鏡像電流源由電路對稱當(dāng)滿足

2時，IC2作為提供給某個放大器的偏置電流。136.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC2IREF2IBIB2IB16.2.1鏡像電流源溫度補(bǔ)償特性：

VBE

T

IC

IB

IC

IREF

IB

146.2集成運放的偏置電路第6章集成運算放大電路基礎(chǔ)VT1，VT2具有相同的輸出輸入特性，參數(shù)一致6.2.2微電流源+UCCRVT1VT2IC2IC1IREFR2156.2集成運放的偏置電路6.2.3電流源作有源負(fù)載共射電路的電壓增益為：

對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益為比用電阻Rc作負(fù)載時提高了。放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源166.3差動（分）放大電路1.直接耦合放大電路的零點漂移問題

直接耦合放大電路

零點漂移問題可以放大直流信號零漂：輸入短路時，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。溫漂指標(biāo)：溫度每升高1度時，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。電源電壓波動也是原因之一沒有電容、變壓器176.3差動（分）放大電路A1vivo103A2vivo105答：兩個放大電路是否都可以放大0.1mV的信號？增加了Re電壓增益輸出漂移電壓均為200mV輸出漂移電壓均為200mV輸入端漂移電壓為0.2mV輸入端漂移電壓為0.002mVA1不可以，A2可以18例如若第一級漂了100uV，則輸出漂移1V。

若第二級也漂了100uV，則輸出漂移10mV。假設(shè)

第一級是關(guān)鍵！

減小零漂的措施

用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償

調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器”

采用差分式放大電路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV196.3差動（分）放大電路差分的基本概念+-vi1+-vi2-+

差分功能：實現(xiàn)2個信號相減同相輸入端反相輸入端+-vo兩個輸入端任何共有信號因為相減而抵消，不影響輸出電壓206.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路大小相等，方向也相同另外：Re相當(dāng)于2Re

iE

=2

iE1=2

iE2216.3差動（分）放大電路

差模與共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模信號共模信號差分的基本概念226.3差動（分）放大電路

差模與共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模信號共模信號差分的基本概念任何輸入信號都可以分解為共模輸入信號和差模輸入信號分量23

謝謝各位ThankYou246.3差動（分）放大電路

差模與共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)

分析：疊加定理差分的基本概念256.3差動（分）放大電路

差模與共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)共模抑制比反映抑制零漂能力差分的基本概念總輸出電壓266.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路276.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路注意：靜態(tài)分析電路對稱T放大的條件：Je正偏、Jc反偏vi1=vi2=0（靜態(tài)）

Je正偏

T放大

Jc反偏vo

=VC1-

VC2=0

實現(xiàn)：0輸入

0輸出286.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路動態(tài)分析——

輸入差模信號大小相等，方向相反另外：Re相當(dāng)于短路

iE

=0296.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路動態(tài)分析——

輸入共模信號大小相等，方向也相同另外：Re相當(dāng)于2Re

iE

=2

iE1=2

iE2306.3差動（分）放大電路6.3.1長尾式差動（分）放大電路動態(tài)分析思路（1）小信號等效電路法（2）運用疊加原理（3）利用對稱特點， 轉(zhuǎn)化為單邊電路求解。（4）四種接法a.雙端輸入、雙端輸出b.雙端輸入、單端輸出c.單端輸入、雙端輸出d.單端輸入、單端輸出電阻Re和RL316.4功率放大電路

功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負(fù)載工作。例如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動機(jī)旋轉(zhuǎn)等。例：

擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大電壓放大信號提取326.4功率放大電路6.4.1功率放大電路的特點最大輸出功率Pom1.主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換效率

功放提供給負(fù)載的交流信號功率稱為輸出功率。Po＝IoUoIo,Uo

----交流信號有效值PV----電源提供的直流功率不失真的前提下越大越好。336.4功率放大電路6.4.2甲類功率放大電路直流負(fù)載線交流負(fù)載線ICMUOMUCEQICQQ點置于負(fù)載線中部晶體管在信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通，稱為甲類放大。VCCQicUCES346.4功率放大電路(1)電路的結(jié)構(gòu)特點io雙電源供電。輸出端不加隔直電容。6.4.3乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路

（OCLOutputCapacitorLess電路）基極輸入射極輸出

負(fù)載

NPN型PNP型RLui-VCC+VCCT1T2uo35ic1ic2動態(tài)分析：ui

0VT1截止，T2導(dǎo)通ui>0VT1導(dǎo)通，T2截止iL=ic1

;ui-VCCT1T2uo+VCCRLioiL=ic2因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：ui=0V

T1、T2均不工作

uo=0V(2)工作原理（設(shè)ui為正弦波）6.4.3乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路

（OCLOutputCapacitorLess電路）36（1）效率較高（2）靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；（3）每管導(dǎo)通時間等于半個周期；（4）存在交越失真。

乙類放大的特點：6.4.3乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路

（OCLOutputCapacitorLess電路）37乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:死區(qū)電壓uiuou"ou′o

′tttt交越失真：輸入信號ui在過零前后，因三極管存在開啟電壓而形成輸出信號的非線性失真便為交越失真。交越失真+VCC-VCCuiiLRLT1T2AOCL電路386.4.4甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路在于晶體管特性存在非線性，ui

<uon時晶體管截止。iBiBuBEtuitUon交越失真產(chǎn)生的原因396.4.4甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路R1D1D2R2+VCC-VCCULuiiLRLT1T2UB1、B2=UD1+UD2

T1、T2處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)。雙電源互補(bǔ)對稱電路用二極管給三極管提供偏置消除交越失真①靜態(tài)時②動態(tài)時負(fù)半周:T1截止，T2

良好導(dǎo)通正半周:

T2截止，T1良好導(dǎo)通406.4.4甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路uB1tUontiBIBQ甲乙類放大的波形關(guān)系：ICQiCuBEiBib特點：存在較小的靜態(tài)電流ICQ、IBQ。每管導(dǎo)通時間大于半個周期，基本不失真。

iCQuceVCC/RLVCCIBQ兩管導(dǎo)通時間均大于半個周期小于一個周期，這種工作方式稱為“甲乙類放大”。416.4.5復(fù)合管增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。

1

2復(fù)合NPN型426.4.5復(fù)合管晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型436.5集成運算放大電路＋－u-－u+uo集成運算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端446.5集成運算放大電路6.5.1集成運算放大電路內(nèi)部的組成

１.原理電路：輸入級中間級輸出級45通用型集成運放F007AB輸入級中間級偏置輸出級46通用型集成運放F007AB輸入級T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達(dá)到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。47通用型集成運放F007AB偏置T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負(fù)載。A路為輸出級提供偏置。48通用型集成運放F007AB中間級T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負(fù)載。49通用型集成運放F007AB輸出級T14和T20管組成互補(bǔ)對稱輸出級，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過大時不致燒壞。506.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達(dá)140dB以上。

2.輸入失調(diào)電壓UIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。516.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

3.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。526.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

5.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

6.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。536.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

7.最大差模輸入電壓Uidmax

運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。8.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。546.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

9.差模輸入電阻rid

：雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。556.5集成運算放大電路6.5.2集成運算放大電路的主要參數(shù)

11.－3dB帶寬

fH

：

運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為

566.5集成運算放大電路6.5.3理想集成運算放大電路1理想運算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

所謂理想運算放大器就是指集成運算放大器的各項技術(shù)指標(biāo)理想化，這些指標(biāo)主要有：Aud=∞Rid=∞Ro=0KCMR=∞帶寬BW→∞

這些指標(biāo)實際運算放大器是不可能達(dá)到的，但在實際分析運算放大器電路時，根據(jù)實際情況，采用理想化指標(biāo)來分析，既可簡化分析的過程，得到的結(jié)果與實際測量的結(jié)果之間誤差不大，所以，在實際分析運算放大器電路，很多時候都把運算放大器當(dāng)成理想運算放大器來分析。576.5集成運算放大電路6.5.3理想集成運算放大電路2理想運算放大器在線性時的特性

理想運算放大器在線性時的特性是指理想運算放大器工作在線性區(qū)時顯現(xiàn)的一些特點，運算放大器工作在線性區(qū)是指其輸出電壓與兩個輸入端電壓之間存在線性放大關(guān)系即Uo=Aud(U+-U-)

式中：Uo表示輸出端電壓；

U+表示同相端輸入電壓，即從該端輸入信號，輸出信號與輸入信號相位相同；

U－反相輸入電壓，即從該端輸入信號，輸出信號與輸入信號相位相反。

＋－u-－u+uo586.5集成運算放大電路6.5.3理想集成運算放大電路2理想運算放大器在線性時的特性

根據(jù)理想運算放大器的Aud→∞，Uo/(U+

－U-)=Aud，相對一定值的Uo，U+

－U-≈0。

即：U+=U－。這表明理想運算放大器兩個輸入端之間的電壓近似為零，兩端電位近似相等，這與電路中短路的情形類似，但由于在電路結(jié)構(gòu)中，運算放大器兩輸入端并未真正短路，因此把這種情形稱為“虛短”。

根據(jù)理想運算放大器的差模輸入電阻rid→∞，因此，流入兩輸入端的電流I+=I－≈0。這如同電路被斷開的情形，但又不是實際被斷路，這種情形稱為“虛斷”?！疤摱獭焙汀疤摂唷笔抢硐脒\算放大器工作在線性區(qū)的兩個重要特點。596.5集成運算放大電路6.5.3理想集成運算放大電路3理想運算放大器在非線性時的特性

理想運算放大器在非線性時的特性是指理想運算放大器工作在非線性區(qū)時的特性

作為一個放大器，當(dāng)輸入信號足夠大時，運算放大器中的三極管將工作在飽和狀態(tài)，這時輸出電壓不隨輸入電壓變化圖中實線部分是運算放大器非線性的特性，虛線部分是理想運算放大器非線性的特性。

當(dāng)U+＞U－時，Uo=+Uom當(dāng)U－＞U+時，Uo=-Uom)

Uom為輸出電壓的最大值。

606.5集成運算放大電路6.5.3理想集成運算放大電路3理想運算放大器在非線性時的特性在非線性區(qū)，輸