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1、第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.1 6.1 集成运放电路特点集成运放电路特点特点：特点： （多级放大器：电压增益高、输入电阻高、输出电阻小）（多级放大器：电压增益高、输入电阻高、输出电阻小）(1) 级间采用直接耦合方式。(2) 尽可能用有源器件代替无源元件。(3) 利用对称结构改善电路性能。 优缺点优缺点：（与分立器件电路相比） 优：性能好，可靠性高、体积小，耗电小，成本低； 缺：高频、高压、大功率分类：分类： 应用：专用/通用 ； 频率：高/低 ； 工艺：薄膜、厚膜、混合等 速度：高/低 ； BJT/MOS第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原
2、理6.1 6.1 集成运放电路特点集成运放电路特点 现代集成电路是将现代集成电路是将”设计设计”与与”代工代工”分分离离, ,“无生产线无生产线”的集成电路设计公司可独立生存的集成电路设计公司可独立生存. .OUT电流源:直流偏置电流直流偏置电流 +有源负载有源负载第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理l 半导体晶体管与集成电路半导体晶体管与集成电路：上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发：上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命电子工业革命；1947年，美国年，美国Bell Lab的巴丁、布拉顿和肖
3、克莱发明晶体管，现代半导体时代开始，的巴丁、布拉顿和肖克莱发明晶体管，现代半导体时代开始，1956Nobel；1958年，美国得克萨斯仪器公司基尔比发明了集成电路年，美国得克萨斯仪器公司基尔比发明了集成电路(1959.2专利专利)，2000Nobel1959年，美国年，美国Fairchild电子公司的诺伊斯发明了平面集成电路电子公司的诺伊斯发明了平面集成电路(1959.7专利专利) 1960年代初：摩尔定律年代初：摩尔定律基尔比：德州基尔比：德州仪器公司，诺伊斯：英特尔公司仪器公司，诺伊斯：英特尔公司得州仪器公司似乎已经走到了英特尔公司的前面。得州仪器公司似乎已经走到了英特尔公司的前面。 如果
4、说如果说1990年代主要是微机（年代主要是微机（PC）发展的时代，那么）发展的时代，那么2000年代是互联网时代。在年代是互联网时代。在PC时时代，微处理器是微电子产业发展的动力；而在互联网时代，数字信号处理（代，微处理器是微电子产业发展的动力；而在互联网时代，数字信号处理（DSP）和模拟技）和模拟技术则成了主角。术则成了主角。DSP是信息设备（如手机）的心脏，它和奔腾芯片的最大差别是速度。得州是信息设备（如手机）的心脏，它和奔腾芯片的最大差别是速度。得州仪器公司已成为世界上最大的仪器公司已成为世界上最大的DSP和模拟技术的供应商，他们生产的最快的和模拟技术的供应商，他们生产的最快的DSP比奔
5、腾芯片比奔腾芯片快快10倍。目前该公司的股票市值已升至倍。目前该公司的股票市值已升至1200亿美元，市场前景看好。亿美元，市场前景看好。 第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.2 6.2 电流源电路电流源电路1.1.单管电流源电路单管电流源电路晶体管实现恒流特性是有条件的，即晶体管必须工作在放大状态。这对所有的晶体管电流源都适用。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理RBrberCERE+UO单管电流源电路等效内阻的推导第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2. 2. 镜像
6、电流源镜像电流源小时小时, ,误差大误差大第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理增加射随器增加射随器(V5),(V5),以减小误差的多路镜像以减小误差的多路镜像电流源电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理3.3.比例电流源比例电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理4.4.微电流电流源微电流电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理5.5.威尔逊电流源威尔逊电流源负反馈型电流源负反馈型电流源所以所以
7、第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理5.5.威尔逊电流源威尔逊电流源负反馈型电流源负反馈型电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理反馈型电流源：串接电流源第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.6.有源负载共射极放大器有源负载共射极放大器有源负载倒相第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3 6.3 差动放大器差动放大器6.3.1 6.3.1 直接耦合放大器的直接耦合放大器的”零点漂移零点漂移”积累现象积累现象第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3.2 6.3.2 差动放大器的工
8、作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析一一. .直流工作点分析直流工作点分析结构特点结构特点: : 结构高度对称结构高度对称, ,有两个输入端有两个输入端, ,两个输出端两个输出端, ,令令: :第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理定义：定义：差模输入信号差模输入信号共模输入信号共模输入信号第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理二二. . 差模放大特性差模放大特性1.1.差模放大倍数差模放大倍数注意信号的注意信号的相位关系相位关系单端输出放大倍数单端输出放大倍数双端输出放大倍数双端输出放大倍数第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电
9、路原理2.2.差模输入电阻输入电阻3.3.差模输出电阻差模输出电阻双端输出双端输出-单端输出单端输出-第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理三三. .共模抑制特牲共模抑制特牲1.1.共模电压放大倍数共模电压放大倍数双端输出双端输出单端输出单端输出2.2.共模输入电阻共模输入电阻3.3.共模输出电阻共模输出电阻双端输出双端输出-单端输出单端输出-第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理4.4.共模抑制比共模抑制比双端输出双端输出单端输出单端输出第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.3.3 6.3.3 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源
10、的差动放大电路1.1.工作点工作点 2.2.差模放大倍数差模放大倍数3.3.共模抑制比共模抑制比 4.4.差模输入电阻差模输入电阻5.5.输出电阻输出电阻第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理 6.3.4 差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性目的：目的：研究差动放大器的线性动态范围和大信号的非线性特性研究差动放大器的线性动态范围和大信号的非线性特性熟悉差模输入信号与电流分配的关系熟悉差模输入信号与电流分配的关系了解差动放大器传输特性的应用了解差动放大器传输特性的应用第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理 简化的差动放大器第六章第六章 集成运算放大器电
11、路原理集成运算放大器电路原理公式推导：公式推导：第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理可见，差动放大器线性动态范围很小可见，差动放大器线性动态范围很小 超过超过 ,电路进入限幅状态，产生严重电路进入限幅状态，产生严重的非线性失真。的非线性失真。 iC1,iC2IiC2iC1iC1iC26UT4UT2UT0 2UT4UT6UTuidQI2传输特性传输特性第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理iC1,iC2IiC2iC1iC1iC26UT4UT
12、2UT0 2UT4UT6UTuidQI2可见，增益可见，增益AU正比于恒流源电流正比于恒流源电流I。那。那么，改变么，改变I就可以控制增益。就可以控制增益。如果使如果使I受到另外一个信号受到另外一个信号ub的控制，的控制，那么就可以实现信号的相乘。那么就可以实现信号的相乘。即，即，扩大线性动态范围的方法扩大线性动态范围的方法加射极负反馈电阻加射极负反馈电阻第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六
13、章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理2.增益的自动控制增益的自动控制应用应用：1.小小信号的线性放大信号的线性放大 应用应用：利用差分放大器的传输特性可以实现利用差分放大器的传输特性可以实现第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理3.信号的相乘运算信号的相乘运算第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理5. 信号的变换信号的变换将三角波变成正弦波、方波将三角波变成正弦波、方波4.信号的信号的整形整形将不规则的输入波形整形为矩形波将不规则的输入波形整形为矩形波6.电压比较器电压比较器第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理7.高速电
14、流开关一一高速电流开关一一ECL逻辑电路逻辑电路只要只要 I 不太大，就可保证不太大，就可保证晶体管在电流最大时不饱晶体管在电流最大时不饱和，所以开关速度很快。和，所以开关速度很快。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.4 6.4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路NPNNPN与与PNPPNP管组成互补管组成互补对称对称跟随器跟随器, ,输出电阻小输出电阻小, ,带负载能力强带负载能力强. .NPNNPNPNPPNP发射结零偏置发射结零偏置, ,存在存在交越失真交越失真.第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理为了克服交越失真为了克服
15、交越失真, ,要加偏置电路要加偏置电路M MN NM M点与点与N N点直流电压差点直流电压差1.41.4伏伏, ,交流电压可视为相等交流电压可视为相等. .A.BA.B两点交流电位也可视为相同两点交流电位也可视为相同第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.5 6.5 集成运放芯片电路举例集成运放芯片电路举例-F007(LM741)-F007(LM741)第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理6.7 集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标 一、输入失调电压一、输入失调电压UIO
16、和输入失调电流和输入失调电流IIO 输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性。欲使静态时输出端为零电位，运放两输入端之间必须外加的直流补偿电压，称为输入失调电压，用UIO表示；必须外加的直流补偿电流，称为输入失调电流，用IIO表示。第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理 二、失调的温漂二、失调的温漂 在规定的工作温度范围内，UIO随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂，以dUIO /dT表示。 在规定的工作温度范围内，IIO随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂，以d IIO /dT表示。 三、输入偏置电流三、输入偏置电流IIB 静态时，输入级两差放管基极电流IB1,IB
17、2的平均值，即第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理四、开环差模电压放大倍数四、开环差模电压放大倍数Aud 无反馈情况下，运放输出电压与输入差模电压之比；无反馈情况下，运放输出电压与输入差模电压之比；五、共模抑制比五、共模抑制比KCMR 输入差模电压放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值；输入差模电压放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值；六、差模输入电阻六、差模输入电阻Rid 运放两个差动输入端之间的等效动态电阻；运放两个差动输入端之间的等效动态电阻；七、共模输入电阻七、共模输入电阻Ric 运放两个输入端对地之间的等效动态电阻；运放两个输入端对地之间的等效动态电阻；第六章第六章
18、集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理八、输出电阻八、输出电阻Ro 从运放输出端和地之间看进去的动态电阻；从运放输出端和地之间看进去的动态电阻；九、输入电压范围九、输入电压范围 Udm 当加在运放两个输入端之间的电压差超过某一数值时，输入当加在运放两个输入端之间的电压差超过某一数值时，输入级的某一侧晶体管将出现发射结反向击穿而不能工作，则输入端级的某一侧晶体管将出现发射结反向击穿而不能工作，则输入端之间能承受的最大电压差，称为最大差模输入电压。之间能承受的最大电压差，称为最大差模输入电压。 当运放输入端所加共模电压超过某一数值时，使放大器不能当运放输入端所加共模电压超过某一数值时，使放大
19、器不能正常工作，此最大电压值称为最大共模输入电压，正常工作，此最大电压值称为最大共模输入电压，Ucm十、带宽十、带宽 运放开环电压增益下降到直流增益的运放开环电压增益下降到直流增益的0.707倍（倍（3dB）时所）时所对应的频带宽度，称为运放的对应的频带宽度，称为运放的3dB带宽，带宽，BW表示；表示； 运放开环电压增益下降到运放开环电压增益下降到1时的频带宽度：单位增益带宽时的频带宽度：单位增益带宽BWG第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理十一、转换速率十一、转换速率(压摆率压摆率)SR 反映运放对高速变化的输入信号的响应情况。反映运放对高速变化的输入信号的响应情况。运放在额定输出电压下，输出电压的最大变化率，即运放在额定输出电压下，输出电压的最大变化率，即十二、静态功耗十二、静态功耗Pc 当输入信号为零时，运放消耗的总功率，静态功率当输入信号为零时，运放消耗的总功率，静态功率十三、电源电压抑制比十三、电源电压抑制比PSRR 电源电压的改变将引起失调电压的变化，则失调电压电源电压的改变将引起失调电压的变化，则失调电压的变化量与电源电压变化量之比，即的变化量与电源电压变化量之比，即第六章第六章 集成运算放大器电路原理集成运算放大器电路原理第六章作业：6-1，6-3，6-4，6-5，6-7，6-13
