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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级放大器。的多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元元器器件件具具有有良良好好的的一一致致性性和和同同向向偏偏差差，因因而而特特别别有有利利于于实实现现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集集成成电电路路的的芯芯片片面面积积小小，集集成成度度高高，所所以以功功耗耗很很小小，在在毫毫瓦瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只只能能制制作作几几十十pF以以下下的的小小电电容容。因因此此，集集成成放放大大器器都都采采用用直直接耦合方式。如需大电容，只有外接。接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，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？直耦放大电路的特殊问题直耦放大电路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：零漂的衡量方法：零漂的衡量方法：由由温温度度变变化化引引起起的的。当当温温度度变变化化使使第第一一级级放放大大器器的的静静态态工工作作点点发发生生微微小小变变化化时时，这这种种变变化化量量会会被被后后面面的的电电路路逐逐级级放放大大，最最终终在在输输出出端端产产生生较较大大的的电电压压漂移。因而零点漂移也叫漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输输入入ui=0时时，输输出出有有缓缓慢慢变化的电压产生。变化的电压产生。将将输输出出漂漂移移电电压压按按电电压压增增益益折折算算到到输输入端计算。入端计算。例如例如 若若输输出出有有1 V的的漂漂移移电压电压。则等效输入有则等效输入有100 uV的漂移电压的漂移电压假设假设第一级是关键第一级是关键3.减小零漂的措施减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路采用差动放大电路等效等效 100 uV漂移漂移 1 V5.1 差动放大电路差动放大电路一一.结构结构:对称性结构对称性结构即：即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb 1.1.差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端：双端输入双端输入从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。单端输入单端输入仅从一个输入端仅从一个输入端对地加信号。对地加信号。2.2.差动放大电路可差动放大电路可以有两个输出端。以有两个输出端。双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。二二.几个基本概念几个基本概念5/3/20243.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：差模电压增益：差模电压增益：共模电压增益：共模电压增益：总输出电压：总输出电压：4.共模抑制比共模抑制比 1.静态工作点的计算：静态工作点的计算：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，时，当温度变化时：当温度变化时：UC1=UC2设设T ic1 ,ic2 uc1 ,uc2 uo=uc1-uc2=0(1)(1)加入差模信号加入差模信号 ui1i1=-=-ui2i2=uidid/2/2，所以，所以，Re对差模对差模信号相当于短路。信号相当于短路。若若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变不变 UE不变不变 uicic=0=0。求差模电压放大倍数求差模电压放大倍数：因为因为ui1=-ui2设设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。电路对称电路对称uo1=uo2 uo=uo1 uo2=2 uo1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻输出电阻输出电阻(2)(2)加入共模信号加入共模信号 ui1i1=ui2i2=uicic，uidid=0=0。设设ui1 ，ui2 uo1 ，uo2 。因因ui1=ui2，uo1=uo2 uo=0(理想化理想化)。共模电压放大倍数共模电压放大倍数 差动放大器共有四种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（双端输入、双端输出（双入双出双入双出）2.双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出）3.单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出）4.单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出）主要讨论的问题有：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电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数（3）差模输入电阻）差模输入电阻（4）输出电阻）输出电阻2.双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用这种方式适用于将差分信号转换于将差分信号转换为单端输出的信号。为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）输出电阻）输出电阻（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数 ui1i1=ui2i2=uicic，设设ui1 ，ui2 ie1 ，ie1 。iRe（=2 ie1）画出共模等效画出共模等效电路电路动画演示动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双端输出 单端输入等效双端输单端输入等效双端输入入:因为因为Re从从T2发射极看进发射极看进去的等效电阻，故去的等效电阻，故 Re 可视为开可视为开路，于是有路，于是有ui1=ui2 =ui/2 计算同双端输入双端输出：计算同双端输入双端输出：动画演示4.单端输入单端输出单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号：注意放大倍数的正负号：设从设从T1的基极输入信号，如果从的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从输出为负号；从uo2 输出为正号。输出为正号。计算同双入单出：计算同双入单出：(1)(1)差模差模电压放大倍数放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：差差动放大器放大器动态参数参数计算算总结 双端输出时：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(2)(2)共模共模电压放大倍数放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：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：双端输出时：单端输出时：单端输出时：(3)(3)差模差模输入入电阻阻 不论是单端输入还是双端输入，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是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。单端输出时，单端输出时，双端输出时，双端输出时，(4)(4)输出出电阻阻(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。，或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：动画演示动画演示 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：根据共模抑制比公式：加大加大Re，可以提高共模抑，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源制比。为此可用恒流源T3来来代替代替Re。等效很大的交流电阻，直等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。流电阻并不大。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，从而增加不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。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：静态工作点：静态工作点：动态：动态：恒流源等效电阻：恒流源等效电阻：1.镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：无无论论T2的的负负载载如如何何变变化化，IC2的的电电流流值值将将保保持持不变。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因为：因为：所以：所以：2.微电流源微电流源（1）电流小（因为）电流小（因为UBE小）。小）。微电流源的特点微电流源的特点：（2）电流稳定）电流稳定（电流负反馈）（电流负反馈）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组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。2.共集共集共基差动输入级共基差动输入级 特点：特点：（1）输入阻抗）输入阻抗高。高。（2）T3、T4为为横向横向PNP管，可管，可承受几十伏的反承受几十伏的反向电压。向电压。工作原理：工作原理：ui为正半周时，为正半周时，T1管工作，管工作，T2管截止，输出管截止，输出uo为正；为正；ui为负半周时，为负半周时，T2管工作，管工作，T1管截止；输出管截止；输出uo为负。为负。两管交替工作，在负载两管交替工作，在负载电阻电阻RL上得到完整的正上得到完整的正弦波。弦波。1.互补对称射极输出电路互补对称射极输出电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电压死区电压2.克服交越失真的互补对电路克服交越失真的互补对电路 静态时，静态时，T1、T2两管发射两管发射结电压分别为二极管结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。状态，以消除交越失真。电路中增加电路中增加 D1、D2工作原理工作原理 ：5.3 集成运放简介集成运放简介 一一.集成运放的总体结构集成运放的总体结构 二二.简单的集成运放简单的集成运放 原理电路：原理电路：u-u+uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电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成运放F007ABAB分析：分析：1.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组组成成微微电电流流源源，通通过过T8和和T9组组成成的的镜镜象象电电流流源源为差动输入级提供偏置电流。为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管管构构成成多多支支路路电电流流源源。T13管管是是多多集集电电极极三三极极管管，其其集集电电极极电电流流和和的的大大小小比比例例为为3:1。B路路作作为为中中间间级级的的有有源源负载。负载。A路为输出级提供偏置。路为输出级提供偏置。2.输入级：输入级：T1、T2和和 T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到使输入差模信号达到30V以上。以上。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组组成成具具有有基基极极补补偿偿作作用用的的镜镜象象电电流流源源，作作为为差差动动输输入入级级的的有有源源负负载载，可可以以提提高输入级的增益。高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。3.中间级：中间级：T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。T14和和T20管管组组成成互互补补对对称称输输出出级级，T18、T19和和 R8为为其提供静态偏置以克服交越失真。其提供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保保护护T14管管，使使其其在在正正向向电电流流过过大大时时不不致致烧烧坏坏。T21、T23、T22管管和和 R10保保护护 T20管管在在负负向向电电流流过过大大时时不不致烧坏。致烧坏。4.输出级：输出级：5.相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2号腿为反相端。号腿为反相端。1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，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。部电路对称性的指标。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.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。化量与温度变化量之比值。4.输入失调电流输入失调电流 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。于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，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。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。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。去共模抑制能力。8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可欧姆，场效应管输入级可达达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。11.3dB带宽带宽 f H：运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义所定义的带宽的带宽 f H。12.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率转换速率SR的表达式为的表达式为 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指指标标上上都都达达到到很很高高的的性性能能是是不不容容易易的的，也也是是不不必必要要的的。通通用用型型运运放放，各各种种参参数数指指标标都都不不算算太太高高，但但比比较较均均衡衡，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场合合。特特殊殊类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一一般般。用用户户可可以以从从特特殊殊类类型型集集成成运运放放的的系系列列中中进进行行选选择择，以以满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 这这种种类类型型的的集集成成运运放放差差模模输输入入电电阻阻往往往往大大于于109W W，输入偏置电流通常为，输入偏置电流通常为pA数量级。数量级。这这种种类类型型的的集集成成运运放放，输输入入级级经经常常采采用用结结型型场场效效应应管管JFET与与BJT相相结结合合构构成成差差动动输输入入级级，称称为为BiFET，或或采采用用超超管管与与BJT结结合合的的电电路路，构构成成差差动输入级。动输入级。其典型产品有其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。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。一一般般UIO/T 2m mV,IIO/T 10MHZ。主主要要应应用用在在高高速速数数据据采采集集系系统统、高高速速AD和和DA转转换换器器，高高速速锁锁相相环环及及视视频频放放大大系系统统中中，性性能能优优良的高速运放转换速率已可达到几千伏良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。微秒。高高 速速 型型 运运 放放 的的 典典 型型 产产 品品 有有 m mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。等。要要求求其其功功耗耗为为微微瓦瓦数数量量级级。电电流流几几十十微微安安，电电源源电电压压在在几伏以下。几伏以下。典型产品有典型产品有CA3078、m 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电源源电电压压为为正正负负几几十十伏伏，输输出出电电流流几十安培，输出功率为几十瓦左右。几十安培，输出功率为几十瓦左右。典典型型产产品品有有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严重重的的问问题题是是零零点点漂漂移移。差差动动放放大大器器是是解解决决零零点点漂漂移移问问题题的的有有效效方方法法。差差动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。它它对对差差模模信信号号有有很很强强的的放放大大能能力力，对对共共模模信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力。因因此此，运运算放大器都使用差动放大器作为输入级。算放大器都使用差动放大器作为输入级。2电电流流源源电电路路是是构构成成运运放放的的基基本本单单元元电电路路，其其特特点点是是直直流流电电阻阻小小，而而交交流流电电阻阻很很大大。电电流流源源电电路路既既可可以以为为电电路路提提供供偏偏置置电电流流，又又可可以以作作为为放放大大器器的的有源负载使用。有源负载使用。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级放放大大器器。主主要要品品种种有有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。本本章章重重点点介介绍绍了了BJT集集成成运运放放F007。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。4除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。本章小结本章小结
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