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1、第三章 集成运算放大器基础,3.1 集成运算放大器的组成单元,一、差动放大电路,基本差放的工作原理,典型差放电路的结构与分析,二、恒流源电路,基本恒流源电路,镜像恒流源电路,有源负载,三、复合管电路,3.2 集成运算放大器简介,运放的组成结构,运放的主要参数与分类,理想运放的条件,差动放大电路的工作原理（1）,为有效地抑制直接耦合放大电路的零点漂移，在直接耦合放大电路的第一级广泛采用的电路结构是差动放大电路。,基本差动放大电路的结构,uo,特点：,左右结构、参数对称,具有两个输入端,输出电压uo=uo1-uo2,电路抑制零漂的原理,设电路处于静态工作状态，即: ui1=ui2=0,由于电路对称
2、，则Ic1=Ic2,Vc1=Vc2，即: Uo=Vc1-Vc2=0,集电极电流产生增量Ic1=Ic2,集电极电位产生负增量Vc1=Vc2,所以，UO=（Vc1-VC1)-(VC2-Vc2)=0,结论: 基本差动电路利用电路的对称性，在双端输出时将零漂完全抑制。,两管各自的零漂是否得到抑制？,差动放大电路的工作原理（2）,差动放大电路输入信号类型,差动放大电路输入信号类型,共模输入信号,差模输入信号,任意输入信号,1、共模输入信号,当两个输入信号满足ui1=ui2时，称为共模输入信号。,由于电路对称，所以双端输出时uo=0，即差放电路对共模信号无放大作用。,电路两管产生的漂移可认为是在输入加共模
3、信号的结果。,2、差模输入信号,当两个输入信号满足ui1=-ui2时，称为差模输入信号。,设ui10，ui20，则：,即：uo= （Vc1- Vc1)-(Vc2+ Vc2),因为：Vc1= Vc2 ，|Vc1|= |Vc2|= |Vc|所以：uo= -2 Vc,结论：差放电路对差模信号有放大作用。,注意：输入、输出极性！,差动放大电路的工作原理（3）,3、任意输入信号,当两个输入信号满足ui1ui2时，称为任意输入信号。,任意输入信号可分解为一对差模信号与一对共模信号的组合，即：,ui1=ud+uc ui2=-ud+uc,其中：uc为共模信号，ud与-ud为一对差模信号，有：,差动放大电路只对
4、其中的差模信号进行放大。,end,结论 （1）无论差动放大电路的输入信号为何种类型，电路只对其中的差模信号进行放大。 （2）与单管放大电路相比，差动放大电路的特点是有效的放大差模信号、有效的抑制共模信号，即有效的抑制零漂。,典型差动放大电路的结构与分析（1）,基本差动放大电路是借助电路的对称性抑制零漂的,实际电路中不存在绝对对称,每管的零漂并未能抑制，不能单端输出。,采用典型差动放大电路结构,长尾电路,调零电位器RP,RP作用：（1）调节两管的Q点，保证在输入为零时u0=0。（2）取值在几十到几百。,共模反馈电阻RE,RE作用：（1）对差模信号压降为零，可视为短路。（2）对共模信号压降为单管电
5、路的两倍。（3）取值越大越好。,负电源UEE,UEE作用：（1）补偿RE上的直流压降。（2）取值UEE=UCC。,典型差动放大电路的结构与分析（2）,静态工作点的计算,由图可得：,即：,则：,所以：,又：,典型差动放大电路的结构与分析（3）,差模输入时微变等效电路：,差模电压放大倍数Aud-电路对差模输入信号的电压放大倍数。,共模电压放大倍数Auc-电路对共模输入信号的电压放大倍数。,动态参数的计算,1、电压放大倍数,根据电路，有：,又因为，ui2=-ud, 所以：uo2=-uo1,故双端输出时，,单端输出时，,差模电压放大倍数Aud：,共模输入时微变等效电路：,典型差动放大电路的结构与分析（
6、4）,根据电路，有：,又因为，ui2=uc, 所以：uo2=uo1,故双端输出时，,单端输出时，,在实际电路中，因为RE往往取值较大，所以：,共模电压放大倍数大好还是小好？,共模电压放大倍数Auc：,典型差动放大电路的结构与分析（5）,2、共模抑制比KCMR,为全面衡量差动放大电路对差模信号和共模信号的作用，定义|Aud/Auc|为共模抑制比KCMR，常用分贝(dB)作为KCMR的单位，即：,理想时，KCMR应为多少？,在实际电路中，只要RE足够大，共模抑制比KCMR，即可达到较大的数值。一般情况下，KCRM可达60dB以上，高质量的差动放大电路KCMR可达120dB。,典型差动放大电路的结构
7、与分析（6）,3、差模输入电阻Rid,由差模输入时的微变等效电路，有：,而，,所以：,4、差模输出电阻Rod,双端输出时，,Rod=2RC,单端输出时，,Rod=RC,典型差动放大电路的结构与分析（7）,差动放大电路的输入输出方式,由于差动放大电路有两个输入端和两个输出端，则可能有4种输入输出方式,双端输入双端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,对于图示的单端输入情况，可视为电路输入任意信号：ui1=ui，ui2=0,单端输入单端输出,则：,ui1=ud+uc=ui/2+ui/2,ui2=-ud+uc=-ui/2+ui/2,因为：,ud=(ui1-ui2)/2=ui/2,uc=(ui1+
8、ui2)/2=ui/2,结论：单端输入的效果相当于双端输入,典型差动放大电路的结构与分析（8）,end,end,典型差动放大电路的结构与分析（9）,例:已知rbe=2.7K,UBE=0.7V,=50。试估算其静态工作点及有关动态参数。,静态工作点：,典型差动放大电路的结构与分析（10）,动态参数：,微变等效电路：,end,恒流源电路（1）,恒流源的特点：,动态等效电阻很大，理想时可达。,直流压降较低,基本恒流源电路,由于Re的负反馈作用，集电极电流IO可基本保持恒定。,利用恒流源电路的微变等效电路可计算其动态电阻Ro。,若：=50，rce=200k，rbe=1k ，Rb1=Rb2=Re=5k
9、，则： R0=6M ,若rce开路，则，Ro=?,在实际电路中，为进一步提高Ro，可用稳压管DW代替Rb1。,恒流源电路（2）-,镜像恒流源电路,在集成电路中，为了便于集成化与减少温度对晶体管参数的影响，常采用镜像恒流源电路。,特点：（1）T1管接成二极管形式，与电阻R一起为电路提供基准电流IR。,根据镜像恒流源的电路结构，有：,IR=IC1+2IB=IC1（1+2/）,所以：,又， IR=（UCC-UBE1）/R,所以当2，UCCUBE1时，有：,IOIRUCC/R,结论：输出电流不受温度影响，可作基准电流使用。,物电流,像电流,为什么称镜像电流源？,（2）T2的集电极产生恒定电流IO。,（
10、3）T1与T2参数对称。,恒流源电路（3）,微电流恒流源电路,为了尽可能降低放大电路的功耗、提高对电源电压及温度变化的稳定性，在集成电路中常采用微电流恒流源电路作为放大电路的直流偏置电路。,结构特点： （1）电阻Re引入电流负反馈，使输出电流进一步稳定。 （2）由于UBE2UBE1，所以IOIR。,恒流源电路（4）-,有源负载电路,为了提高放大电路的性能及便于集成化，在集成电路中常用恒流源代替放大电路的电阻，称其为有源负载。,代替电阻RC,代替电阻RE,代替电阻RC,代替电阻RE,end,复合管电路（1）,在集成电路中，为了获得高值，利用NPN型管与PNP型管的特点可将两个或两个以上的三极管组
11、合在一起形成一个三极管，称为复合管或达林顿管。,= 1 2,复合管电路（2）,复合管电路示例,复合管构成的射极输出器,复合管使动态性能提高,R起分流T1穿透电流的作用,作二极管用，有温度补偿作用,复合管构成的差动放大电路,end,集成运算放大器简介（1）,集成运算放大器,=,具有高电压增益的直接耦合多级放大电路,反相输入端,同相输入端,输出端,输入级：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。,中间级：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。,输出级：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。,偏置电路：多采用镜像恒流源电路。,+U,-U,注意：实际运放在使用时必须外加电源,为什么要加正负
12、电源？,F007集成运算放大器结构简介,集成运算放大器简介（3）,F007的简化电路结构,复合管构成高AU的中间级,输入级为改进型差动放大电路,互补对称功放输出级,保护管,集成运算放大器简介（4）,集成运算放大器的主要参数,开环差模电压增益Aod,-运放开环时输出电压与输入差模电压之比,常以dB表示。 Aod=u0/(ui2-ui1),一般运放可达60dB，高精度运放可达140dB。,共模抑制比KCMR,-差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,常以dB表示。 KCMR=|Aod/Aoc|，或KCMR=20log|Aod/Aoc| (dB),一般运放可达80dB，高精度运放可达160dB。,差
13、模输入电阻rid,-输入差模信号时的输入电阻，可达M数量级。,输出电阻ro,-可达几十几百。,输入失调电压UIO,-指当输入电压为零时，为使输出电压也为零所必须在输入端加的补偿电压。 一般为15mV，高精度运放可达0.5mV。,输入失调电流IIO,-输入为零时，IIO=|IB1-IB2|。一般为几十nA。,集成运算放大器简介（5）,集成运算放大器的分类,集成运放可分为,通用型,-电路结构简单、性能适中、价格便宜。,高精度型,-低漂移、低噪声、低失调。,低功耗型,-静态功耗低（小于毫瓦级），可在低电源下工作。,高速型,-转换速率高，可达一百几百V/us。,转换速率SR 指运放在闭环状态下，输入为大信号时，输出电压对时间的变化率，即， SR=|du/dt|,高输入阻抗型,-具有极高的输入电阻，可达1012。,宽带与高压型,-频带宽、电源电压可超过几十V的运放。,大功率型,-一般运放的功率大约在几十mW几W 之间，大功率运放可达十几W以上。,常用运放的主要参数,集成运算放大器简介（7）,集成运算放大器的简化等效电路,理想运算放大器的条件,Aod=,rid=,KCRM=,ro=0,失调=0、漂移=0,频带宽度=,end,
