1、第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器l1、差分放大器、差分放大器l2、集成运算放大器的基本单元电路、集成运算放大器的基本单元电路l3、集成运算放大器的典型电路和参数、集成运算放大器的典型电路和参数集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，
2、在毫瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。什么是集成运算放大器？什么是集成运算放大器？集成运放的外型封装结构集成运放的外型封装结构 集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，如上图所示，金属壳封装有
3、装，如上图所示，金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列管脚等种类，双列直插式有直插式有8、14、16管脚等种类。管脚等种类。双列直插式以缺口为辨认标记，由器件顶上向下看，标记双列直插式以缺口为辨认标记，由器件顶上向下看，标记朝向自己，标记右方第一根引线为引脚朝向自己，标记右方第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚数。件，依次数出其余引脚数。直接耦合放大电路的特殊问题直接耦合放大电路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：零点漂移的衡量方法：零点漂移的衡量方法：由温度变化引起的。由温度变化引起的。当温度变当温度变化使第一级
4、放大器的静态工作化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输入输入ui=0时，输出有缓慢变时，输出有缓慢变化的电压产生。化的电压产生。将输出漂移电压按电压增益折算到输入端将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。计算。uo0t+_-Re1b1Rc1RT1ouuiTV2CCRe2VEE+_例如例如100=v1A若输出有若输出有1V的漂移电的漂移电压压。则等效输入有则等效输入有100 uV的漂移电压的漂移电
5、压假设假设第一级是关键第一级是关键100=v2A3.减小零漂的措施减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差分采用差分(动动)放大电路放大电路等效等效 100 uV漂移漂移 1 V10000=vA+_-Re1b1Rc1RT1ouuiTV2CCRe2VEE+_ 3.1 3.1 差分差分(动动)放大器放大器3.1.1 基本差分基本差分(动动)放大器放大器VCCVEERC1RC2RS1RS2RET1T2+_vi+_vi1+_vi2+_vo1、结构、结构21CCRR21SSRR21beberr 该电路采用两个相同参数的该电路采用两个相同参数的BJT，其外围电路完全相同，即电路
6、两边完全对称，其外围电路完全相同，即电路两边完全对称2、抑制零点漂移的原理、抑制零点漂移的原理:Vo=VC1-VC2 =0当当vi1=vi2 =0 时，时，当温度变化时当温度变化时:VC1=VC2设设T Ic1 ,Ic2 Vc1 ,Vc2 Vo=Vc1-Vc2=0VCCVEERC1RC2RS1RS2RET1T2+_vi+_vi1+_vi2+_voVCCVEERC1RC2RS1RS2RET1T2+_vi+_vi1+_vi2+_vo3、静态工作点的计算：静态工作点的计算：021BBVVVVVVVBEBEBE7.01111VVVEE7.021)()(121EEEEEEVVRII1EI2EI1CI2C
7、IBEEEEEVVRI1221212CCEBEEEEEIIRVVII1121CBBIII1121CCCCCCRIVVVVCCVEERC1RC2RS1RS2RET1T2+_vo-直流通路直流通路1EV2EV1CV2CV4、电路特性的分析电路特性的分析两个基本概念两个基本概念:共模信号和差模信号共模信号和差模信号1、共模信号：大小相等、极性相同的按共同模式变化的信号。共模信号：大小相等、极性相同的按共同模式变化的信号。主要指不希望放大的漂移信号或干扰信号，主要指不希望放大的漂移信号或干扰信号，用用vic（输入共（输入共模信号），模信号），voc（输出共模信号）（输出共模信号）表示表示。2、差模信号
8、：大小相等、极性相反的信号。差模信号：大小相等、极性相反的信号。主要指希望放大的有用信号，主要指希望放大的有用信号，用用vid（输入差模信号），（输入差模信号），vod（输出差模信号）（输出差模信号）表示表示。实际上，对于任何实际上，对于任何输入信号和输出信号，都是差模信号和输入信号和输出信号，都是差模信号和共模信号的合成共模信号的合成。(1)差模放大倍数差模放大倍数RcRc+T1T2差模输入时的交流通路差模输入时的交流通路+1idV2idV1odV2odVodVSRSR+21ididvv+VCC-VEERC1RC2RSRSRET1T2+_vid1+_vid2+_vovid1tvid2tie1
9、ie20EV+RCRCRSRSidVodV2odV1odV2idV1idV+RCRCRSRSidVodV2odV1odV2idV1idV11212122idodididododidodVDVVVVVVVVA双端输入双端输入-双端输出双端输出RS+RCRCRSidVodV2odV1odV2idV1idVhiehiebfeIhbfeIh111VSCfeidodVDAhieRRhVVA单管共发射极基本放大器单管共发射极基本放大器11121)(2VSCfeidodVDAhieRRhVVA11212122idodididododidodVDVVVVVVVVA双端输入双端输入-双端输出双端输出112112
10、0idodididodidodVDVVVVVVVA双端输入双端输入-单端输出单端输出+VCC-VEERC1RC2RSRSRET1T2+_vid1+_vid2+_vo+VCC-VEERC1RC2RSRSRET1T2+_vid1+_vid2+_voRLRcRcT1T2差模输入时的交流通路差模输入时的交流通路+1idV2idVodVSRSR+2LR2LRRS+RCRCRSidVodV2odV1odV2idV1idVhiehiebfeIhbfeIh2LR2LR11212122idodididododidodVDVVVVVVVVA双端输入双端输入-双端输出双端输出hieRRRhVVASLCfeidodV
11、D)2/(11单管共发射极基本放大器单管共发射极基本放大器+RCRCRSidVodV2odV1odV2idV1idVhiehiebfeIhbfeIh2LR2LRRSRcRcT1T2差模输入时的交流通路差模输入时的交流通路+1idV2idV1odVSRSR+LR112112idodididodidodVDVVVVVVVA双端输入双端输入-单端输出单端输出)(2)/(11ieSLCfeidodVDhRRRhVVA(2)共模放大倍数共模放大倍数+VCC-VEERC1RC2RBRBRET1T2+_+_icVocV1EI2EIEVEEERIV12RCRCRBRB2RET1T2+_+_icV2REocV+
12、_1ocV2ocV共模输入时的交流通路共模输入时的交流通路RCRCRBRB2RET1T2+_+_icV2REocV+_1ocV2ocV共模输入时的交流通路共模输入时的交流通路021OCOCOCVVV021icococicocVCVVVVVA双端输入双端输入单端输出单端输出_RCRCRBRB2RET1T2+_icV2REocV+_1ocVicocicocVCVVVVA211RCRCRBRB2RET1T2+_icV2REocV+_1ocVicocicocVCVVVVA211RCRCRBRB2RET1T2+icV2RE+_1ocVEfeieBCfeicocVCRhhRRhVVA2)1(11RCRB2
13、RE+icV+_1ocV_iehbfeIhECVCRRA21(3)(3)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。其值是差分放大器的一个重要指标。其值越大越大,对共模信号抑制能力越强对共模信号抑制能力越强,放大器性能越好。放大器性能越好。ieEfeVCVDhRRhAAKB11CMR，或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：VCVDCMRAAKdBAAKVCVDCMRlg20(4)(4)输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻)(2)(21111ieBbieBbbididididhRIhRII
14、VIVRCodRR2RB+RCRCRBidVodV2odV1odV2idV1idVhiehiebfeIhbfeIhRidRod1bI差模输入电阻和输出电阻差模输入电阻和输出电阻双端输入双端输入双端输出双端输出共模输入电阻和输出电阻共模输入电阻和输出电阻双端输入双端输入单端输出单端输出RCRB2RE+icV+_1ocV_iehbfeIhRic1Ro1icIEfeEfeieBicicicRhRhhRIVR22)1(11EfeicicRhRR21CoRR 等效很大的交流电阻，直等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。流电阻并不大。恒流源使共模放大倍数减小，而恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数
15、，从而增加不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。共模抑制比。恒流源的作用恒流源的作用3.1.2 带恒流源的差分带恒流源的差分(动动)放大电路放大电路+_-RRT+RbTCC1REEvb2VRc_cV+i2v_ui1oRL3R2R1T3Ic3ABIC1IC2-VEEIC3加大加大RE，可以提高共模抑制比。，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源为此可用恒流源T3来代替来代替RE。ieEfeVCVDhRRhAAKB11CMR共模抑制比共模抑制比温温度度补补偿偿作作用用 静态工作点：静态工作点：212EEABRRRVV3ABC3V7.0RVI2C3C2C1III 动态：动态：恒流源等效电阻：恒流源等效
16、电阻：)/1(3213ceRRRhRhrRiefe等效带恒流源的差带恒流源的差(分分)动放大电路动放大电路+_-RRT+RbTCC1REEvb2VRc_cV+i2v_ui1oRL3R2R1T3Ic3ABIC1IC2-VEEIC3等效很大的交流电阻等效很大的交流电阻 3.2 3.2 集成运算放大器的基本单元电路集成运算放大器的基本单元电路 集成电路是集成电路是2020世纪世纪6060年代初发展起来的一种新型器年代初发展起来的一种新型器件件.它采用半导体集成工艺它采用半导体集成工艺,把众多晶体管、电阻、电把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块硅片上容及连线制作在一块硅片上,做成具有特定功能的独立
17、做成具有特定功能的独立电子线路电子线路.与分立元件电路相比与分立元件电路相比,集成电路具有性能好、集成电路具有性能好、可靠性高、体积小、耗电少、成本低可靠性高、体积小、耗电少、成本低等优点等优点,因此在很因此在很短时间内得到飞速发展并获得了广泛应用短时间内得到飞速发展并获得了广泛应用.集成运算放大器是一种模拟集成电路集成运算放大器是一种模拟集成电路.由于早期主由于早期主要用于模拟计算机要用于模拟计算机,实现各种数学运算实现各种数学运算,由此而得名由此而得名,并并沿用至今沿用至今.今天今天,集成运放的应用已远远超出模拟运算集成运放的应用已远远超出模拟运算一、集成电路的分类一、集成电路的分类按集成
18、度分类按集成度分类SSI:含有十几到几十个元、器件含有十几到几十个元、器件,硅片面积约十平方毫米硅片面积约十平方毫米.MSI:含有一百到几百个元、器件含有一百到几百个元、器件,硅片面积约几平方毫米硅片面积约几平方毫米.LSIVLSI集成度已突破集成度已突破1亿元、器件亿元、器件/片片按功能分类按功能分类模拟集成电路模拟集成电路:集成运放、集成功放集成运放、集成功放、集、集 成稳压器等成稳压器等数字集成电路数字集成电路 二二.集成运放的总体结构集成运放的总体结构uuu电压放大级电压放大级输出级输出级偏置电路偏置电路vo+差动输入级差动输入级vv-v-v+vo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号
19、：反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端VVVo+-A+-vvv输输入入级级中中间间级级输输出出级级 原理电路：原理电路：+T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-v-v+ov反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端通用型集成运放通用型集成运放uA741(F007)17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF
20、10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB偏置电路输入级中间级输出级 特点：特点：（1）输入阻抗）输入阻抗高。高。（2）T3、T4为为横向横向PNP管，可管，可承受几十伏的反承受几十伏的反向电压。向电压。3.2.1、差分输入级、差分输入级共集共集共基差分输入级共基差分输入级_+_TTT1432ToIIoVCC-VEERRCCovvi1i2vR2T3R1R3-VEE+VCCvi2voERCT1RCT2vi1T4IC=IC1+IC2=hfe1 IB+hfe
21、2(1+hfe1)IB=hfe1+hfe2(1+hfe1)IB为减小为减小IB，提高输入电阻，提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管采用复合三极管hfe=IC/IB =hfe1+hfe2(1+hfe1)hfe1 hfe2 ICIBIE 1 2 IC1IC2IB2-VEE+VCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器+集成运放内部结构（示例）集成运放内部结构（示例）极极性性判判断断3.2.2、中
22、间级、中间级T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路+u-u_ov+ic2c4ic3ic1iIEECCVVEEvi1i2vic22RLT12TT34Tic11.镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：BE1BE2=UUREFI E1E2=IIC1C2=II 无论无论T2的负载如何变化，的负载如何变化，IC2的电流值将保持的电流值将保持不变。不变。电流源电路电流源电路RUVIBECCR=RVCC因为：因为：所以：所以：+R
23、TIIC11VTR2CCIC2IB22.微电流源微电流源e2BE2BE1RUU E2C2II e2BERU （1）电流小（因为）电流小（因为UBE小）。小）。+RII2CCRC2TIV1TC1IRe2E2微电流源的特点微电流源的特点：（2）电流稳定）电流稳定（电流负反馈）（电流负反馈）3.多路电流源多路电流源+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC工作原理：工作原理：ui为正半周时，为正半周时，T1管工作，管工作，T2管截止，输出管截止，输出uo为正；为正；ui为负半周时，为负半周时，T2管工作，管工作，T1管截止；输出管截止；输出uo为负。为负
24、。两管交替工作，在负载两管交替工作，在负载电阻电阻RL上得到完整的正上得到完整的正弦波。弦波。1.互补对称射极输出电路互补对称射极输出电路uuVCCVCCoiLR3.2.3、中间级、中间级输入输出波形图输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR2.克服交越失真的互补对电路克服交越失真的互补对电路 静态时，静态时，T1、T2两管发射两管发射结电压分别为二极管结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。状态，以消除交越失真。电路中增加电路中增加 D1、D2工作原理工作原理
25、 ：uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC 3.3 3.3 集成运算放大器的典型电路和参数集成运算放大器的典型电路和参数17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT539kTAB17_1TREFp22T8TT2145R3TR9630pF10IT721TT9T6C19T87T1T13CCTRRT412T220RRRRR68T10111TR416EE+TT1592T34T23TR+V3187-V+V524OT53
26、9kTAB偏置电路输入级中间级输出级分析：分析：1.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：51BE112BEEECCREF)(RUUVVI 其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象电流源组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管构成多支路电流源。管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有
27、源路作为中间级的有源负载。负载。A路为输出级提供偏置。路为输出级提供偏置。2.输入级：输入级：T1、T2和和 T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到使输入差模信号达到30V以上。以上。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组成具有基极补偿作用组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。
28、高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。3.中间级：中间级：T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。T14和和T20管组成互补对称输出级，管组成互补对称输出级，T18、T19和和 R8为为其提供静态偏置以克服交越失真。其提供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保护保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不管在负向电流过大时不致烧坏。致烧坏。4.输出级：输出级：5.相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2号腿为反相端。号腿为反相端。
