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1、第五章第五章 集成运算放大器集成运算放大器5.1 差动放大电路差动放大电路5.2 集成运算放大器中的单元电路集成运算放大器中的单元电路5.3 集成运放简介集成运放简介5.4 集成运算放大器中的主要参数集成运算放大器中的主要参数5.5 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器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的多级放大器。放大器。集成集成电路的工路的工艺特点：特点：1元器件具有良好的一致性和同向偏向，元器件具有良好的一致性和同向偏向，因此特因此特别有利于有利于实现需求需求对称构造的称构造的电路。路。2集成集成电路的芯片面路的芯片面积小，集成度高，所小，集成度
2、高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以功耗很小，在毫瓦以下。3不易制造大不易制造大电阻。需求大阻。需求大电阻阻时，往往，往往运用有源运用有源负载。4只能制造几十只能制造几十pF以下的小以下的小电容。因此，容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，容，只需外接。只需外接。5不能制造不能制造电感，如需感，如需电感，也只能外接。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？直耦放大直耦放大电路的特殊路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂景象：零漂景象：产生零漂的生零漂的缘由：由：零漂的衡量方法：零漂的衡量方法：由由温温度度变化化引引起起的的。当当温温度
3、度变化化使使第第一一级放放大大器器的的静静态任任务点点发生生微微小小变化化时，这种种变化化量量会会被被后后面面的的电路路逐逐级放放大大，最最终在在输出出端端产生生较大大的的电压漂移。因此零点漂移也叫温漂。漂移。因此零点漂移也叫温漂。输入入ui=0时，输出出有有缓慢慢变化的化的电压产生。生。将将输出出漂漂移移电压按按电压增增益益折折算算到到输入端入端计算。算。例如例如 假假设输出出有有1 V的的漂漂移移电压 。 那么等效那么等效输入入有有100 uV的漂移的漂移电压假假设第一第一级是关是关键3. 减小零漂的措施减小零漂的措施用非用非线性元件性元件进展温度展温度补偿采用差采用差动放大放大电路路等效
4、等效 100 uV漂移漂移 1 V5.1 差动放大电路差动放大电路一一. .构造构造: :对称性构造对称性构造即：即：1=1=2=2= UBE1=UBE2= UBE1=UBE2= UBEUBE rbe1= rbe2= rbe1= rbe2= rberbe RC1=RC2= RC RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb Rb1=Rb2= Rb 1. 1. 差差动放大放大电路普通有两个路普通有两个输入端：入端： 双端双端输入入从两从两输入端同入端同时加信号。加信号。 单端端输入入仅从一个从一个输入端入端对地加信号。地加信号。 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1 和C2输出
5、。 单端输出从C1或C2 对地输出。二二. 几个根本概念几个根本概念3. 差模信号与共模信号差模信号与共模信号差模信号：差模信号：共模信号：共模信号：差模差模电压增益：增益：共模共模电压增益：增益：总输出出电压：4. 共模抑制比共模抑制比三三. .差动放大电路的根本任务原理差动放大电路的根本任务原理 1. 静态任务点的计算： 忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V2.抑制零漂的原理抑制零漂的原理:Uo= UC1 - UC2 = 0当当ui1 = ui2 = 0 时，当温度当温度变化化时：UC1 = UC2设T ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc1 - uc2 = 0(1)(1)参与
6、差模信号参与差模信号 ui1=-ui2 =uid/2 ui1=-ui2 =uid/2，3.3.电路的动态分析电路的动态分析 所以，所以，Re对差模差模信号相当于短路。信号相当于短路。假假设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不不变 UE不不变 uic=0 uic=0。求差模求差模电压放大倍数：放大倍数： 由于由于ui1 =- ui2设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。电路路对称称uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1 差模差模电压放大倍数放大倍数 差模差模输入入电阻阻输出出电阻阻(2)(2)参与共模信号参与共模信号 ui1=ui2 =uic ui1=ui
7、2 =uic， uid=0 uid=0。设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。因因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化理想化)。共模共模电压放大倍数放大倍数 四四.差动放大器的输入输出方式差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出双入双出 2. 双端输入、单端输出双入单出 3. 单端输入、双端输出单入双出 4. 单端输入、单端输出单入单出 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模差模电压放大倍数放大倍数 2共模共模电压放大倍数放大倍数3差模
8、差模输入入电阻阻4输出出电阻阻2. 双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。(1)差模差模电压放大倍数放大倍数 2差模差模输入入电阻阻3输出出电阻阻4共模电压放大倍数共模电压放大倍数 ui1=ui2 =uic ui1=ui2 =uic， 设ui1 ，ui2 ie1 ， ie1 。 iRe =2 ie1 画出共模等效画出共模等效电路路动画演示画演示求共模电压放大倍数：求共模电压放大倍数： 3. 单端输入双端输出 单端输入等效双端输入: 由于Re从T2发射极看进去的等效电阻，故 Re 可视为开路，于是有ui1 = ui2 = ui /2 计算同双端输入双端输
9、出：动画演示4. 单端输入单端输出单端输入单端输出 留意放大倍数的正留意放大倍数的正负号：号： 设从从T1的基极的基极输入信号，假入信号，假设从从uo1 输出出为负号；从号；从uo2 输出出为正号。正号。 计算同双入单出： (1)差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 差动放大器动态参数计算总结 双端输出时： 单端输出时： (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时： 单端输出时： (3)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是根本放大电路的两倍。 单端输出时， 双端输出时， (4)输出电阻(5)(5)共模
10、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目的。，或 双端输出时KCMR可以为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：动画演示画演示 五五. 带恒流源的差动放大电路带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式： 加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来替代Re 。等效很大的交流等效很大的交流电阻，直阻，直流流电阻并不大。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，从而添加不影响差模放大倍数，从而添加共模抑制比。共模抑制比。恒流源的作用恒流源的作用带恒流源的差动放大电路的计算：带恒流源的差动放大电路的计算： 静静态任任务点：点： 动态
11、： 恒流源等效恒流源等效电阻：阻：1. 镜像像电流源流源基准基准电流：流： 无无论T2的的负载如如何何变化化， IC2的的电流流值将将坚持持不不变。5.2 集成运算放大器中的单元电路集成运算放大器中的单元电路一一 . 电流源电路电流源电路由于：由于：所以：所以：2. 微电流源微电流源1电流小由于流小由于UBE小。小。微微电流源的特点：流源的特点：2电流流稳定定电流流负反响反响3. 多路电流源多路电流源二二. 差动输入级差动输入级1. 有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路T3、T4组成成镜像像电流源，作流源，作T1、T2的的负载。同同时可使可使单端端输出的出的电压增益近似增益近似为双端双端输
12、出的出的电压增益。增益。2. 共集共集共基差共基差动输入入级 特点：特点：1输入阻抗入阻抗高。高。2T3、T4为横向横向PNP管，可管，可接受几十伏的反接受几十伏的反向向电压。三三.输出级输出级任任务原理：原理：ui为正半周正半周时，T1管任管任务，T2管截止，管截止，输出出uo为正；正；ui为负半周半周时，T2管任管任务，T1管截止；管截止；输出出uo为负。两管交替任两管交替任务，在，在负载电阻阻RL上得到完好的正上得到完好的正弦波。弦波。 1. 互互补对称射极称射极输出出电路路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死区电压2. 抑制交越失真的互补对电路抑制交越失
13、真的互补对电路 静静态时，T1、T2两管两管发射射结电压分分别为二极管二极管D1、 D2的正的正导游通游通压降，致降，致使两管均使两管均处于微弱于微弱导通通形状，以消除交越失真。形状，以消除交越失真。 电路中添加路中添加 D1、D2任任务原理原理 ： 5.3 集成运放简介集成运放简介 一一. 集成运放的集成运放的总体构造体构造 二二. 简单的集成运放简单的集成运放 原理原理电路：路：u-u+ uo国国际符号：符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高增益高输入入电阻大阻大输出出电阻小阻小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三三. 通用型集成运放通用型集
14、成运放F007ABAB分析：分析：1. 偏置偏置电路：路：T12、R5和和T11构成了主偏置构成了主偏置电路，路，产生基准生基准电流：流： 其他偏置其他偏置电流都与基准流都与基准电流有关。流有关。T10、T11和和R4组成成微微电流流源源，经过T8和和T9组成成的的镜象象电流源流源为差差动输入入级提供偏置提供偏置电流。流。T12和和T13管管构构成成多多支支路路电流流源源。T13管管是是多多集集电极极三三极极管管，其其集集电极极电流流和和的的大大小小比比例例为3:1。B路路作作为中中间级的的有有源源负载。A路路为输出出级提供偏置。提供偏置。2. 输入级：输入级： T1 、T2和和 T3 、T4
15、管管组成共集一共基复合差成共集一共基复合差动输入入电路。路。其中其中T1和和T2管作管作为射极射极输出器，出器，输入入电阻高。阻高。 T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，管，发射射结反向反向击穿穿电压高，可高，可使使输入差模信号到达入差模信号到达30V以上。以上。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3组成成具具有有基基极极补偿作作用用的的镜象象电流流源源，作作为差差动输入入级的的有有源源负载，可可以提高以提高输入入级的增益。的增益。 它它们同同时还有有单端端输出出转换为双端增益的功能。双端增益的功能。3. 中间级：中间级： T16和和T17是复合管是复合管组成的共射放大成的共射放
16、大电路，路，T13B作作这一一级的集的集电级有源有源负载。 T14和和T20管管组成成互互补对称称输出出级，T18、T19和和 R8为其提供静其提供静态偏置以抑制交越失真。偏置以抑制交越失真。T15和和 R9维护T14管管，使使其其在在正正向向电流流过大大时不不致致烧坏坏。 T21、T23、T22管管和和 R10维护 T20管管在在负向向电流流过大大时不致不致烧坏。坏。4. 输出出级：5. 相位分析：相位分析：用用“瞬瞬时极性法断定，极性法断定，3号腿号腿为同相端；同相端；2号腿号腿为反相端。反相端。 1.输入失调电UIO 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
17、表征运放内部电路对称性的目的。5.4 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 2.输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定任务温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 4.输入失调电流 IIO ： 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。 3.输入偏置电流IIB ： 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。 5.输入失入失调电流温漂流温漂dIIO /DT: 在在规定任定任务温度范温度范围内，内，输入失入失调电流随温度的流随温度的变化量与温度化量与温度变化量之比化量之比值。 6.最
18、大差模最大差模输入入电压Uidmax 运放两运放两输入端能接受的最大差模入端能接受的最大差模输入入电压，超越，超越此此电压时,差分管将出差分管将出现反向反向击穿景象。穿景象。 7.最大共模最大共模输入入电压Vicmax 在保在保证运放正常任运放正常任务条件下，共模条件下，共模输入入电压的允的允许范范围。共模。共模电压超越此超越此值时，输入差分入差分对管出管出现饱和，放大器失去共模抑制才干。和，放大器失去共模抑制才干。 8.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反响时的差模电压增益。普通Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。 9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为10
19、5106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。 10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。 11.3dB带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。 12.转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的呼应才干。转换速率SR的表达式为 反反映映集集成成运运放放性性能能的的好好坏坏有有几几十十个个参参数数，一一种种运运放放要要想想在在各各种种目目的的上上都都到到达达很很高高的的性性能能是是不不容容易易的的，也也是是不不用用要要的的。通通用用型型运运放放
20、，各各种种参参数数目目的的都都不不算算太太高高，但但比比较平平衡衡，适适用用于于量量大大面面广广，没没有有特特殊殊要要求求的的场所所。特特殊殊类型型的的集集成成运运放放，在在某某一一个个或或几几个个参参数数上上有有很很高高的的性性能能，而而其其他他参参数数普普通通。用用户可可以以从从特特殊殊类型型集集成成运运放放的的系系列列中中进展展选择，以以满足足某某些方面的特殊要求。些方面的特殊要求。5.5 5.5 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器 1.高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与B
21、JT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。 2.高精度、低漂移型要要求求集集成成运运放放具具有有很很低低的的漂漂移移量量和和很很高高的的精精度度。普普通通UIO/T 2mV, IIO/T 10MHZ。主主要要运运用用在在高高速速数数据据采采集集系系统、高高速速AD和和DA转换器器，高高速速锁相相环及及视频放放大大系系统中中，性性能能优良良的的高高速速运运放放转换速率已可到达几千伏速率已可到达几千伏微秒。微秒。高高速速型型运运放放的的典典型型产
22、品品有有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。等。4.4.低功耗型低功耗型要要求求其其功功耗耗为微微瓦瓦数数量量级。电流流几几十十微微安安，电源源电压在在几伏以下。几伏以下。典型典型产品有品有CA3078、mPC253、ICL7641等。等。 5. 5. 大功率型大功率型 大大功功率率型型集集成成运运放放的的电源源电压为正正负几几十十伏伏，输出出电流流几十安培，几十安培，输出功率出功率为几十瓦左右。几十瓦左右。典典型型产品品有有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。等。1直直耦耦放放大大器器的的一一个个严重重的的问题是是零零点点漂漂
23、移移。差差动放放大大器器是是处理理零零点点漂漂移移问题的的有有效效方方法法。差差动放放大大器器既既能能放放大大直直流流信信号号，又又能能放放大大交交流流信信号号。它它对差差模模信信号号有有很很强的的放放大大才才干干，对共共模模信信号号有有很很强的的抑抑制制才才干干。因因此此，运运算放大器都运用差算放大器都运用差动放大器作放大器作为输入入级。2电流流源源电路路是是构构成成运运放放的的根根本本单元元电路路，其其特特点点是是直直流流电阻阻小小，而而交交流流电阻阻很很大大。电流流源源电路路既既可可以以为电路路提提供供偏偏置置电流流，又又可可以以作作为放放大大器器的的有源有源负载运用。运用。3集集成成运运放放是是一一个个高高增增益益、直直耦耦的的多多级放放大大器器。主主要要种种类有有BJT集集成成运运放放、FET集集成成运运放放、BiMOS集集成成运运放放等等。本本章章重重点点引引见了了BJT集集成成运运放放F007。应熟熟习集成运放的构造特点及主要参数。集成运放的构造特点及主要参数。 4除除了了通通用用集集成成运运放放以以外外，还有有大大量量特特殊殊类型型的的运运放放。了了解解这些些运运放放的的特性，特性，对于正确于正确选择和运用运放有很大和运用运放有很大协助。助。 本章小结本章小结
