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1、5.1 5.1 集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源5.2 5.2 差分式放大电路差分式放大电路5.3 5.3 集成电路运算放大器集成电路运算放大器5.4集成运放的线性应用集成运放基本计算电路5.5 集成运放的非线性应用比较器和非正弦波发生电路 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块件制作在一块 硅基片上，构成特定功能的电子电路，硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。它的体积小，而性能却很好。集成电路称为集成电路。它的体积小，而性能却很好。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。按其功能来分
2、，有数字集成电路和模拟集成电路。 在模拟集成电路中，集成运算放大器在模拟集成电路中，集成运算放大器( (简称集成运简称集成运放放) )是应用极为广泛的一种。是应用极为广泛的一种。模拟集成电路运算放大器运算放大器宽频带放大器宽频带放大器功率放大器功率放大器模拟乘法器模拟乘法器模拟锁相环模拟锁相环模数和数模转换器模数和数模转换器稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。 模拟集成电路一般是由一块厚约模拟集成电路一般是由一块厚约0.2-0.25mm0.2-0.25mm的的P P型硅片型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有制成，这种
3、硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的数十个或更多的BJTBJT或或FETFET、电阻和连接导线的电路。外型一电阻和连接导线的电路。外型一般用金属圆壳或双列直插式结构般用金属圆壳或双列直插式结构. .模拟集成电路的特点模拟集成电路的特点(1)(1)电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性(2)(2)用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件电路中的电阻元件是由硅半导体的体电阻构成，范围电路中的电阻元件是由硅半导体的体电阻构成，范围一般为几十欧到一般为几十欧到20 k20 k左右，且精度不易控制，误差左右，且精度不易控制，误差可达可达10102020左右，高阻
4、值的电阻多用左右，高阻值的电阻多用BJTBJT或或FETFET等等有源器件组成的恒流源电路来代替。有源器件组成的恒流源电路来代替。(3)(3)采用复合结构的电路采用复合结构的电路由于复合结构电路的性能较佳，而制作又不增加多少由于复合结构电路的性能较佳，而制作又不增加多少困难，因而在集成电路中多采用复合管、共射困难，因而在集成电路中多采用复合管、共射- -共基、共基、共集共集- -共基等组合电路。共基等组合电路。(4)(4)级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式电路中的电容量约在几十皮法以下，常用电路中的电容量约在几十皮法以下，常用PNPN结结电容结结电容构成，误差也较大。构成，误差也较大。
5、(5)(5)电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用移动电路，大都采用BJTBJT的发射结构成。的发射结构成。5.15.1集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源 (1) (1) 电电流流源源电电路路是是一一个个电电流流负负反反馈馈电电路路，并并利利用用PNPN结结的的温温度度特特 性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。5.1.1 5.1.1 电流源概述电流源概述电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。电流源是一个使输出电流恒定的
6、电源电路，与电压源相对应。(2) (2) 电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。对直接耦合放大器是十分重要的。 (5)(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。电流源还可单独制成稳流电源使用。(3) (3) 用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。 (4)(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(6)(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电
7、流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。精密电流源、微电流源、多路电流源等。5.1.2 5.1.2 集成电路电流源集成电路电流源电流源为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有电流源为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。源负载。BJTBJT的输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电路可以的输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。使其恒流特性更接近于理想情况。5.1.2.1 5.1.2.1 镜像电流源镜像电流源条件：条件：BJTBJT的的较大时，基极较大时，基极电流电流I IB B可以忽略。可以忽略。T T2 2的集电极的集电极电流电流I
8、 IC2C2近似等于基准电流近似等于基准电流I IREFREFT T1 1管对管对T T2 2管具有温度补偿作用，管具有温度补偿作用，I IC2C2的温度稳定性也较好。的温度稳定性也较好。缺点：缺点：I IREFREF受电源变化的影响受电源变化的影响大，要求电源十分稳定。大，要求电源十分稳定。镜镜像像电电流流源源电电路路的的特特点点是是工工作作三三极极管管的的集集电电极极电电流流是是电电流流源源电路电流的镜像电路电流的镜像( (相等）。相等）。三极管三极管T T1 1、T T2 2匹配，则：匹配，则：5.1.2.2 5.1.2.2 精密电流源精密电流源精密镜像电流源和普通镜像电流精密镜像电流源
9、和普通镜像电流源相比，其精度提高了源相比，其精度提高了 倍。倍。由于有由于有T T3 3存在，存在，I IB3B3将比镜像电流将比镜像电流源的源的2 2I IB B小小3 3倍，倍，因此因此I IC2C2和和I IREFREF更更加接近。加接近。镜像电流源电路适用于较大工作电流(毫安数量级)的场合5.1.2.3 5.1.2.3 微电流源微电流源微微电电流流源源电电路路通通过过接接入入R Re e电电阻阻得得到到一一个个比比基基准准电电流流小小许许多多倍倍的的微微电电流流源源，适适用用于于微微功功耗耗的的集集成成电电路中。路中。I I O O与与I IREFREF的关系：的关系：一般有一般有I
10、IS1S1= = I IS2S2，所以所以因因 V VBEBE小，小，I IO O I IREFREF。同时同时I IO O的稳定性也比的稳定性也比I IREFREF好。好。 在在镜镜像像电电流流源源电电路路中中，若若增增加加两两个个发发射射极极电电阻阻，使使两两个个发发射射极极电电阻阻中中的的电电流流成成一一定定的的比比例例关关系系，即即可构成比例电流源。可构成比例电流源。5.1.2.4 5.1.2.4 比例电流源比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有因两三极管基极对地电位相等，于是有 通过一个基准电流源稳定通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即多个三极管的工作点电流，即可构
11、成多路电流源，一个基准可构成多路电流源，一个基准电流电流I IREFREF可获得多个恒定电流可获得多个恒定电流I IC2C2、I IC3C3。5.1.2.5 5.1.2.5 多电流源多电流源5.1.3 5.1.3 电流源作有源负载电流源作有源负载电流源直流电阻小，电流源直流电阻小，交流电交流电阻很大，阻很大，常作为负载使用，常作为负载使用，称为有源负载。称为有源负载。T T1 1是放大管是放大管，T T2 2、T T3 3组成镜组成镜像电流源作为像电流源作为T1T1的集电极有的集电极有源负载。源负载。电流源亦常用作射极负载。电流源亦常用作射极负载。电流源作集电极负载电流源作集电极负载5.2 差
12、分式放大电路差分式放大电路差分式放大电路放大两个输入信号之差放大两个输入信号之差。在电路和性。在电路和性能方面有许多优点，成为集成运放的主要组成单元。能方面有许多优点，成为集成运放的主要组成单元。 差差分分放放大大电电路路是是由由对对称称的的两两个个基基本本放放大大电电路路，通通过过射射极公共电阻耦合构成的极公共电阻耦合构成的. .对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等. . 1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO Rc1=Rc2= Rc Rb1=Rb2= Rb5
13、.2.15.2.1差分放大电路差分放大电路组成组成差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C C1 1，另一个是集电极另一个是集电极C C2 2。从。从C C1 1和和C C2 2输出称为双端输出，仅从集电极输出称为双端输出，仅从集电极C C1 1或或C C2 2对地输出称为单端输出。对地输出称为单端输出。5.2.2 5.2.2 差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路的输入和输出方式差分放大电路一般有差分放大电路一般有两个输入端两个输入端同相输同相输入端，反相输入端入端，反相输入端根据规定的正方向，在一个输入端加上一定根据规定的正方向，在一个输入端
14、加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。其相同，则该输入端称为同相输入端。 反之，反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。该输入端称为反相输入端。信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。差模信号差模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号是指在两个输入端加上幅度相等，极
15、性相反的信号；共模信号共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。5.2.3 5.2.3 差模信号和共模信号差模信号和共模信号 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。号不予放大。 差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路形式。电路形式。共模信号和差模信号共模信号和差模信号差模信号是两个输入信号之差，共模信号是二者的算术平差模信号是两个输入信号之差，共模信号是二者的算术平均值。均值。？用共模和差模信号表示用共模和差模信号表
16、示两个输入电压：两个输入电压：总的输出电压：总的输出电压：Vid /2Vid /25.2.4 5.2.4 基本差分式放大电路基本差分式放大电路由两个特性相同的由两个特性相同的BJT TBJT T1 1、T T2 2组成对称电路，电路参数组成对称电路，电路参数对称对称, , R RC1C1=R=RC2C2=R=RC C。该电路有两个输入端和两个该电路有两个输入端和两个输出端，称双端输入、双端输出端，称双端输入、双端输出电路。输出电路。什么是零点漂移什么是零点漂移( (简称零漂简称零漂)?)?在在直直流流放放大大电电路路中中，我我们们把把输输入入信信号号为为零零时时，输输出出电电压压偏偏离离其其初
17、初始始值值的的现现象象称称为为零零点漂移。点漂移。 （1 1）直直流流放放大大器器级级数数越越多多，放放大大倍倍数数越越大大。输输出出端端漂漂移移现现象象 越严重。越严重。（2 2）第一级的零漂影响最大。）第一级的零漂影响最大。 u uo ot t0 0有时会将有时会将信号淹没信号淹没5.2.4.1 5.2.4.1 抑制零点漂移抑制零点漂移产生零漂的原因产生零漂的原因（1 1） 温度的变化温度的变化最主要。最主要。（2 2）电流电压的波动。电流电压的波动。（3 3） 电路元件参数的变化。电路元件参数的变化。减少零漂的措施减少零漂的措施（1 1） 选用高质量的硅管，并用温度补偿电路。选用高质量的
18、硅管，并用温度补偿电路。（2 2） 采用差分放大电路。采用差分放大电路。差分式电路中，无论温度变差分式电路中，无论温度变化，还是电源电压的波动都化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变相应的集电极电压相同的变化，化，其效果相当于在两个输其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。入端加入了共模信号。由于电路的对称性和恒流源由于电路的对称性和恒流源偏置，偏置，理想情况下，可使输理想情况下，可使输出电压不变，从而抑制了零出电压不变，从而抑制了零点漂移。点漂移。实际情况下，要做到两管电实际情况下，要做到两管电路完全对称和理想恒流源比路完全对称和理想
19、恒流源比较困难，但输出漂移电压将较困难，但输出漂移电压将大为减小。大为减小。差差分式放大电路特别适用于分式放大电路特别适用于作多级直接耦合放大电路的作多级直接耦合放大电路的输入级。输入级。拟制零漂：拟制零漂： 电路参数的对称性电路参数的对称性 R RE E的负反馈作用的负反馈作用零漂产生原因：零漂产生原因：三极管的温度敏感特性三极管的温度敏感特性归纳：归纳：5.2.4.2 5.2.4.2 差分放大电路的差分放大电路的静态静态分析分析 为使差分放大电路在静态时，输入端基本上是零电位，将为使差分放大电路在静态时，输入端基本上是零电位，将R Re e从接地改为接负电源从接地改为接负电源V VEEEE
20、，偏置电阻偏置电阻R Rb b可以取消，改为可以取消，改为V VEEEE和和R Re e提供基极偏置电流。提供基极偏置电流。( (长尾电路长尾电路) )R Re e起电流负反馈作用，可以克服电路不对称引起的零漂，起电流负反馈作用，可以克服电路不对称引起的零漂，并减小每管集电极对地的漂移电压。并减小每管集电极对地的漂移电压。R Re e对共模信号有负反馈，对差模信对共模信号有负反馈，对差模信号没有负反馈，号没有负反馈，使共模电压增益减使共模电压增益减小，对差模电压增益没有影响小，对差模电压增益没有影响，能，能有效地提高有效地提高共模拟制比共模拟制比。对于差模信号，对于差模信号，由于两管的输入信号
21、由于两管的输入信号使两管电流使两管电流异向异向变化，变化，只要电路对称只要电路对称性足够好，两管的电流总量保持不变，性足够好，两管的电流总量保持不变，R Re e两端没有差模信号压降，两端没有差模信号压降， 故故R Re e对对于差模信号没有负反馈。于差模信号没有负反馈。当当V VCCCC一定时，一定时， R Re e阻值越大，其上阻值越大，其上的直流压降增大，集电极电流减的直流压降增大，集电极电流减小，将影响静态工作点和电压增小，将影响静态工作点和电压增益。益。因此引入负电源，来补偿因此引入负电源，来补偿R Re e上的直流压降，避免输出电压变上的直流压降，避免输出电压变化范围太小，同时也为
22、电路提供化范围太小，同时也为电路提供合适的静态电流。合适的静态电流。R Re e阻值越大，共模负反馈作阻值越大，共模负反馈作用越强，零漂越小。用越强，零漂越小。5.2.4.3 差分放大电路的差分放大电路的动态动态分析分析 在电路的两个输入端各加一在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电个大小相等、极性相反的信号电压，即压，即vi1=-vi2vid/2时，一管电时，一管电流将增加，另一管电流则减小，流将增加，另一管电流则减小，输出信号电压输出信号电压vovc1-vc20，即在即在两输出端间有信号电压输出。两输出端间有信号电压输出。vid=vi1-vi2 即为即为差模信号。差模信号。5
23、.2.5 5.2.5 差分式放大电路的差分式放大电路的动态动态计算计算差分放大电路的四种差模工作状态：差分放大电路的四种差模工作状态：1. 1. 双端输入、双端输出（双双端输入、双端输出（双-双）双）2. 2. 双端输入、单端输出（双双端输入、单端输出（双-单）单）3. 3. 单端输入、双端输出（单单端输入、双端输出（单-双）双） 4. 4. 单端输入、单端输出（单单端输入、单端输出（单-单）单）(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数A Av vd d 双双端端输输入入差差分分放放大大电电路路的的负负载载电电阻阻接接在在两两集集电电极极之之间间，vi接接在在两两输输入端之间，也可看成入端
24、之间，也可看成vi /2各接在两输入端与地之间。各接在两输入端与地之间。双双端输入、端输入、双双端输出差模电压放大倍数端输出差模电压放大倍数这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的情况。情况。双双端输入、端输入、单单端输出差模电压放大倍数端输出差模电压放大倍数双双端端输输入入单单端端输输出出因因只只利利用用了了一一个个集集电电极极输输出出的的变变化化量量，所所以以它它的的差差模模电电压压放放大大倍倍数数是是双双端端输输出出的的二二分分之之一一。这这种种方方式式适适用用于于将将差差分分信信号号转转换换为为单单端端输输出信号。出信
25、号。 单单端端输输入入信信号号可可以以转转换换为为双双端端输输入入，右右侧侧的的Rs+rbe归归算算到到发发射射极极回回路路的的值值为为(Rs+rbe)/（1+ ）vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO=低电平。高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。(4)比较器的应用比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,(a) 正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰的正弦波变换为方波 5.5.2
26、非正弦波发生电路5.5.2.1方波发生器方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构成的. 电源刚接通时,电容C充电， VC升高电容C放电， VC下降返回初态(2) 占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电路为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、R1；C放电时，放电电流经R1、二极管D2、电位器的下半部。改变Rw的中点位置，占空比就可改变。占空比为：5.5.2.2 5.5.2.2 三角波发生器三角波发生器 三角波发生器由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的VREF 。当vO1=+V
27、Z时,电容C充电, 同时vO按线性逐渐下降，当使A1的Vp略低于VN 时，vO1 从+VZ跳变为-VZ。在vO1= - VZ后，电容C开始放电， vO按线性上升，当使A1的Vp的略大于零时， vO1从-VZ跳变为+VZ ，如此周而复始，产生振荡。 vO的上升、下降时间相等， vO斜率绝对值也相等，故为三角波。5.5.2.3 锯齿波发生器 为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。 集成运放是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多集成运放是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大电路。一般由输入级、中间级、
28、输出级和偏置电路四级放大电路。一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分构成。为了拟制零漂、提高共模拟制比，常采用差分放部分构成。为了拟制零漂、提高共模拟制比，常采用差分放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常作输出级；电流源电路构成偏置电路。路常作输出级；电流源电路构成偏置电路。 电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常作放大流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常作放大电路的有源负载和决定放大电路各级的电路的
29、有源负载和决定放大电路各级的Q点偏置电路。点偏置电路。 差分式放大电路是集成运放的重要组成单元，它既能放大直流信号，差分式放大电路是集成运放的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；并对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号又能放大交流信号；并对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号有很强的拟制能力。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典有很强的拟制能力。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典型电路。分析这些电路时，着重分析两边电路输入信号分量的不同，至型电路。分析这些电路时，着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体的指标计算与共射单级电路基本一致。于具体的指标
30、计算与共射单级电路基本一致。 集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它电路内部的分析和工作原集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它电路内部的分析和工作原理只要求定性了解，目的在于掌握主要技术指标，作到根据电路系统的理只要求定性了解，目的在于掌握主要技术指标，作到根据电路系统的要求，正确选择元器件。要求，正确选择元器件。 模拟运算电路是由集成运放接成负反馈的电路模拟运算电路是由集成运放接成负反馈的电路形式，可实现加、减、积分、微分、对数和反对形式，可实现加、减、积分、微分、对数和反对数等多种数学运算，此时运放工作在线性工作区数等多种数学运算，此时运放工作在线性工作区内。分析这类电路可用内。分析这类电路可用虚短虚短和和虚断虚断两个重要的概两个重要的概念，以求出输出和输入之间的函数关系。念，以求出输出和输入之间的函数关系。
