1、电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术原理原理第八章集成运算放大器12:34:371第8章 集成运算放大器p8.1 从分立元件到集成电路p8.2 集成运算放大器的原理与组成p8.3 集成运放的特性参数p8.4 理想运放的线性和非线性特征p8.5 集成运放应用举例12:34:3828.1 从分立元件到集成电路p分立元件、手工连线p印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board）p真空管p晶体管、场效应管p集成电路12:34:3838.2 集成运算放大器的原理与组成p运算放大器：能够完成乘、除、微分、积分运算的放大器，并用来构成模拟计算机。p集成运算放大器就是用集成电路工艺制造的多级
2、放大电路。p集成电路中的电阻、电容、晶体管都是用相同的材料硅半导体制造，并通过照相制版技术印刷。这种工艺的特点是难以制造大电容和大电阻，却很容易制造晶体管。12:34:3848.2 集成运算放大器的原理与组成p8.2.1 直接耦合与零点漂移p8.2.2 差动放大电路p8.2.3 集成运放的组成12:34:3858.2.1 直接耦合与零点漂移p阻容耦合多级放大器（交流放大器）：n电容“隔直通交”，只能放大交流信号。n各级静态工作点独立。p直接耦合多级放大器（直流放大器）：n既能放大直流信号，也能放大交流信号。n各级静态工作点不独立。p当某一级的静态工作点发生变化时，其前后级的静态工作点也将受到影
3、响。p静态工作点的变化称为工作点漂移，前级的工作点漂移会在本级输出端形成微弱的缓慢变化的信号。12:34:386零点漂移p即使输入信号为零，输出信号依然会偏离零参考点，并在零点上下的缓慢波动，称为零点漂移。n零点漂移也常常被称为温度漂移，这是因为温度变化是引起零点漂移的主要原因。n元器件参数变值、电源电压波动、环境温度变化也会引起零点漂移。n集成电路工艺难以制造大电容，集成运算放大器内部各级之间就不能采用阻容耦合，只能采用直接耦合。直接耦合不能隔离零漂信号。12:34:387集成运放零点漂移的解决方案p一是在哪里解决 n集成运放的零点漂移应该从输入级着手p二是怎样解决n精选元件、元件老化处理、
4、高稳定度电源n射极偏置电路：利用射极直流负反馈来稳定静态工作点 n调制（结构复杂、成本高、频率特性差）n补偿：用另一个元件的温漂来抵消放大器件的温漂。差动放大电路12:34:3888.2.2 差动放大电路p1差动放大电路的原理p2基本差动放大电路（双端输入双端输出）p3恒流源差动放大电路（双端输入单端输出）p4有源镜像负载电路（双端变单端）p5完整的差动放大电路 12:34:3891差动放大电路的原理p差动放大也叫差分放大，其输出电压（uo）与两输入端的电压之差（ui1-ui2）成比例。n差模输入电压uidui1ui2 n共模输入电压221iiicuuu12:34:3810差动放大电路的参数p
5、差模电压放大倍数Auduo/uid p共模电压放大倍数Aucuo/uic p理想情况下，差动放大电路的共模输出电压uoc应该为零，共模放大倍数也应为零。12:34:3811共模抑制比p差模放大倍数与共模放大倍数之比，称为共模抑制比。KCMRAd/Acp放大电路的共模抑制比越大越好，理想情况下，该参数应为无穷大。)dB(lg20cdCMRAAK12:34:38128.2.2 差动放大电路p1差动放大电路的原理p2基本差动放大电路（双端输入双端输出）p3恒流源差动放大电路（双端输入单端输出）p4有源镜像负载电路（双端变单端）p5完整的差动放大电路 12:34:38132基本差动放大电路12:34:
6、3814基本差动放大电路（续）p该电路具有如下功能：n（1）抑制温漂n（2）放大差模输入信号p整个电路与单管电路的电压放大倍数相同。n（3）抑制共模输入信号12:34:3815基本差动放大电路（续）p该电路具有如下功能：12:34:3816基本差动放大电路（续）p零点漂移现象就相当于放大器输入端加入共模信号所产生的效果。p共模放大倍数表示了差动电路的对称程度，也就是表示了该电路抑制零漂的能力。p共模放大倍数越小，表明电路的对称性越好，抑制零漂的能力越强。12:34:3817基本差动放大电路（续）p基本差动放大电路没有降低每个管子的温漂，而是单纯利用电路结构的对称性来抑制共模放大倍数，p而“对称
7、电路”这样的要求是集成电路工艺很容易做到的。12:34:38188.2.2 差动放大电路p1差动放大电路的原理p2基本差动放大电路（双端输入双端输出）p3恒流源差动放大电路（双端输入单端输出）p4有源镜像负载电路（双端变单端）p5完整的差动放大电路 12:34:38193恒流源差动放大电路p基本差动放大电路的缺点：n输入和输出端的有效信号都是差模信号n必须使用双端输入双端输出方式n集成运放中，除了输入级使用差动放大电路之外，中间级多用共射放大电路。n共射放大电路只能接受单端输入信号。p差动放大电路必须既能把双端输入转化为单端输出，又能制零点漂移。12:34:3820（1）增加发射极电阻p长尾式
8、差动放大电路n发射极电阻RE对差模信号的放大没有任何影响，却显著削弱了共模信号的放大。nRE越大，零点漂移越小。nRE为无穷大更好！12:34:3821（2）用恒流源替代发射极电阻p恒流源差动放大电路12:34:38228.2.2 差动放大电路p1差动放大电路的原理p2基本差动放大电路（双端输入双端输出）p3恒流源差动放大电路（双端输入单端输出）p4有源镜像负载电路（双端变单端）p5完整的差动放大电路 12:34:38234有源镜像负载电路（双端变单端）p恒流源差放电路有效地抑制了零点漂移，但在差模放大上面不足：n由于单端输出，输出信号只取自一个管子的集电极电流，导致差模放大倍数仅为双端输出电
9、路的一半。n在单端输出的条件下，Rc2用来实现把T2集电极电流ic2转换为输出电压uo，12:34:3824改进思路p在单端输出的条件下，Rc1和Rc2的重要性是不同的，Rc2用来实现把T2集电极电流ic2转换为输出电压uo，而Rc1就只有分压以减小T1管压降的作用了。pRc2越大，输出电压uo越大，相当于更多的ic2被送往输出端。p那么，如果把Rc2增加到无穷大 12:34:3925改进思路（续）p如果把Rc2用等于T2集电极静态电流IC2的恒流源替代，就可以把所有的ic2都送往输出端了。p此时T2集电极的负载电阻用电流源代替，这种替代负载的电流源也称为有源负载。p“无穷大”不是直流信号的无
10、穷大，p只要不允许差模信号ic2通过，或者说对于差模信号ic2来讲是无穷大就够了。12:34:3926带恒流源负载的差动放大电路12:34:3927继续改进 pT2集电极的恒流源仅仅是截断了Rc2对ic2的分流，或者说不削弱、干扰ic2的输出。p如果更进一步，对ic2的输出“推波助澜”，让T2集电极的有源负载能够时刻提供与ic2大小相等、极性相反的电流，不就在输出端得到了双倍ic2的电流吗？p而电路中与差模电流ic2大小相等、极性相反的电流是现成的，那就是ic1。12:34:3928有源镜像负载差动放大电路12:34:3929有源镜像负载差动放大电路（续）p利用镜像电流源作为差动放大电路的负载
11、，就可以在单端输出端口上得到双倍ic2的电流，从而得到得到与双端输出同样的放大倍数。p差放电路在使用镜像电流源负载时，即使在单端输入的情况下，也可以得到与双端输入同样的放大能力。12:34:39304完整的差动放大电路p电路的改进实际上就是一些简单思想的应用，p反复使用了负反馈、差动、电流源来增强电路的性能。p电路不是从天上掉下来的，理解电路的本质，学会设计电路！12:34:39318.2.3 集成运放的组成12:34:3932集成运放的组成（续）p输入级通常由差动放大电路组成，既减小了零点漂移，又增大了输入电阻；p中间级通常由共射放大电路组成，以便获得较高的电压放大倍数；p输出级通常由互补对称功放电路组成，以便降低输出电阻，提高带负载能力；p偏置电路由各种恒流源电路组成，以便为上述各级电路提供合适的偏置电流，保持各级电路静态工作点的稳定。12:34:3933集成运放的电路符号p从外部来看，集成运放可以用图8-9(b)的国标符号表示。p一个输入端的输入信号与输出信号的相位相同，称为同相输入端，用“”号表示；p另一个输入端的输入信号与输出信号的相位相反，称为反相输入端，用“”号表示。p框内三角形代表信号传输的方向，“”表示集成运放的理想放大倍数。12:34:3934集成运放的电路符号（续）p其他常用符号12:34:3935
