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1、电子技术基础,第六章 集成电路运算放大器,模拟电路部分,第六章 集成运算放大器,6.1 集成运算放大器中的电流源 6.2 差分式放大电路 6.3 集成运算放大器(operational amplifier ) 6.4 集成运放的主要参数,概述,运算放大电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，是一种高电压放大倍数的多级直接 耦合放大电路 ，最初多用于各种模拟信号运算，故称为运算放大器，简称运放。,集成运算放大电路的特点：,电路结构与原件参数具有对称性； 用有源器件代替无源器件； 采用复合结构的电路； 极间采用直接耦合方式；,首先讨论运放的基本电路：电流源和差分放大电路,6.1 集成运放中的电流
2、源,为了加强电路的集成度，电路中的电阻不宜太多，所以在集成电路中常用以下几种恒流源电路：,1. 镜像电流源,设,无论Rc2的值如何， IC2的电流值将保持不变。,电路优点,结构简单，并具有一定的温度补偿作用。,电路缺点,受VCC影响大，当VCC变化时，IC2几乎同样随之变，不适应电源电压在大幅度变动下运行。 要求小电流时，如微安级，要求R大； 当值不够大时，IC2与IR相差大。,2. 多路电流源,因为各个管子的和VBE相同，所以：,差分式放大电路中的一般概念,差模(difference-mode )信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,差模信号输出,共模信号输出,6.2 差分放大电路(d
3、efferential amplifier ),所谓差分，意思就是两个输入信号之差。差分式放大电路是集成运放的主要组成单元。,直接耦合电路的特殊问题,6.2.1 基本差分放大电路,问题 :零点漂移。,前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当 vi 等于零时， vo不等于零。,有时会将信号淹没,一、结构,特点：结构对称。,vi1,vi2,基本差分放大电路,二、 抑制零漂的原理,vo= VC1 - VC2 = 0,vo= (VC1 + vC1 ) - (VC2 + vC2 ) = 0,当 vi1 = vi2 =0 时：,当温度变化时：,+VCC,三、 共模电压放大倍数Ac,共模输入信号： vi1
4、 = vi2 （大小相等，极性相同）,理想情况：vi1 = vi2 vC1 = vC2 vo= 0,共模电压放大倍数：,用对共模信号的 抑制能力来反映 电路对零漂的抑 制能力。差动电 路对称性好时， 对共模信号的抑 制能力强。,温度或电源电压波动所产生的干扰信号可看成共模信号,四、差模电压放大倍数Ad,差模输入信号： vi1 = vi2 （大小相等，极性相反）,因vi1 = vi2， vC1 = vC2 vod= vC1 vC2 = 2vC1,此时: vi=vi1vi2=2vi1,差模电压放大倍数：,说明对差模信号有放大作用，对共模信号无放大作用。对Vic的抑制作用靠电路的对称。,等于单管的A
5、v,RS相当于电源内阻,基本差动电路存在的问题：,电路难以绝对对称，所以还有零漂。 单边没有抑制零漂的措施，所以，当温度变化范围很大时，三极管可能饱和或截止，失去放大作用。不适合单端输出,一、结构,双电源长尾式差放,特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -VEE ，采用正负双电源供电。,双电源的作用：,（1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-VEE提供。,IC1= IC2= IC= IB,VC1= VC2= VCCICRC,VE1= VE2 =IBRSVBE,VCE1= VCE2 = VC1VE1,二、 静态分析,1.对差模信号的放大作用,流过RE的差模电流为零，因此RE对差
6、模信号而言相当于短路，即不起任何影响。故将射极视为地电位，此地称“虚地” 。,此时，放大电路的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即：,三、 动态分析,若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：,其中，,若输出从T1引出，则差模放大倍数,若输出从T2引出，则差模放大倍数,单端输出：,对双端输出： voc=vc1-vc2=0,2. 共模电压增益,由于2RE的作用，引入很强的负反馈，单端输出对零漂亦起到抑制作用，此时单边共模放大倍数,对单端输出：,3. 其它指标:差模输入电阻rid和差模输出电阻rod,恒流源(constant curr
7、ent source )式差放电路,电路结构:,长尾式，RE越大，抑制零漂能力越强。但RE大为得到同样的工作电流所需要的VEE值也越高，不经济。解决办法：用恒流源代替原来的RE 。,1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。,2. 恒流源不影响差模放大倍数。,3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,差放电路的几种接法,双端输入双端输出：,Ad = Ad1,双端输入单端输出：,单端输出：,对Ad而言，单端输入与双端输入效果是一样的。,vd = vi , vc = 0,vd = vi , vc = 0.
8、5vi,共模抑制比(CMRR)的定义,例: Ad= 200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg ( 200)/0.1 =66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分贝),差分式放大电路的传输特性,传输特性就是放大电路输出差模信号随输入差模信号变化的曲线,射极接电阻RE时,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,6.3 集成运放的内部结构及特点,集成电
9、路内部结构的特点：,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,VEE,+VCC,v+,vo,v,反相 输入端,同相 输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与vo反相,与vo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电
10、流io 。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。 （3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,ri 大: 几十k 几百 k,运放的特点：,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,运放符号：,国际符号,国内符号,1.输入失调电压VIO ：offset voltage,6.4 集成运放的主要性能指标,输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,2.输入偏置电流IB ：bias
11、 current,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,4.输入失调电流 Iio ： offset current,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,5.最大差模输入电压Vidmax,运放同相入端和反相输入端之间能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差放一侧管子的发射结可能出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压Vicmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力,8.开环差模电压放大倍数Aod,无外加反
12、馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,9.差模输入电阻rid,ri1M, 有的可达100M以上。,11.共模抑制比KCMMR,常用分贝作单位，一般100dB以上。,10.输出电阻ro,ro =几-几十。,12. 开环（-3dB）带宽fH,开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH 。运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号。,还有其它一些反映运放功耗、电源等的参数。不再一一介绍。,12.转换速率S R (压摆率)：slew rate,反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为,本章主要讲述了差动式放大电路的结构特点、电路组成及工作原理；集成运放的组成原则及主要性能指标。,学完本章要求能达到以下要求： 一、熟悉差分式放大电路的组成原则及工作原理； 二、掌握四种输入输出方式及其对放大倍数的影响； 三、掌握共模抑制比的数学定义及数学表达式； 四、了解电流源电路的工作原理。,本章小结,电子技术基础,第六章 结束,模拟电路部分,
