模电第6章集成运算放大器2综述课件

第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.1 6.1 集成运算放大器的特点及集成运算放大器的特点及组成成 6.2 6.2 集成运算放大器的集成运算放大器的单元元电路路 6.3 6.3 典型集成运算放大器介典型集成运算放大器介绍 6.4 6.4 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 6.5 6.5 集成运算放大器的工作特性集成运算放大器的工作特性 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器集集成成电路路是是2020世世纪6060年年代代初初期期发展展起起来来的的一一种种半半导体体器器件件，它它是是在在半半导体体制制造造工工艺的的基基础上上，把把整整个个电路路的的各各个个元元件件以以及及相相互互之之间的的连接接线同同时制制造造在在一一块半半导体体芯芯片片上上，实现了了材材料料、元元件件和和电路路的的统一一。因因此此它它的的密密度度高高、引引线短短，外外部部接接线大大为减减少少，从从而而提提高高了了电子子设备的的可可靠靠性和灵活性性和灵活性。6.1.1 6.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 6.1.2 6.1.2 集成运算放大器的集成运算放大器的组成成6.1 6.1 集成运算放大器的特点及集成运算放大器的特点及组成成 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 集集成成运运算算放放大大器器可可简称称为集集成成运运放放，是是一一种种具具有有高高放放大大倍倍数数的的多多级直直接接耦耦合合放放大大电路路，因因为最最初初被被用用于于模模拟运运算算中中，故故名名运运算算放放大大电路路。目目前前，它它的的应用用已十分普遍，已十分普遍，远远超出了原来超出了原来“运算放大运算放大”的的应用范用范围。当前，我国当前，我国产量最大的是量最大的是通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器，其次是其次是专用型运算放大器用型运算放大器，专用型运算放大器有用型运算放大器有高速高速型、高型、高输入入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型型等。等。6.1.1 6.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 由由集集成成电路路工工艺制制造造出出来来的的元元器器件件，虽然然其其参参数数的的精精度度不不是是很很高高，受受温温度度的的影影响响也也比比较大大，但但由由于于各各有有关关元元器器件件都都同同处在在一一个个硅硅片片上上，距距离离又又非非常常接接近近，因此因此对称性称性较好，特好，特别适合制作适合制作对称称结构的构的电路路。由由集集成成电路路工工艺制制造造出出来来的的电阻阻，其其阻阻值范范围有有一定的局限性，一般在一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧几十欧到几十千欧之之间。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 集集成成电路路工工艺不不适适于于制制造造几几十十皮皮法法以以上上的的电容容器器，至至于于制制造造电感感器器就就更更困困难。所所以以集集成成电路路应尽尽量量避避免免使用使用电容器。容器。大量使用晶体管作大量使用晶体管作有源器件有源器件。集集成成电路路的的芯芯片片面面积小小，集集成成度度高高，各各个个元元器器件件工工作作电流流很很小小，一一般般在在毫毫安安以以下下；功功耗耗很很低低，一一般般在在毫瓦以下毫瓦以下。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器向各放大级提供向各放大级提供合适的偏置电流合适的偏置电流克服零点克服零点漂移漂移提供负载所需提供负载所需功率及效率功率及效率提供电压提供电压放大倍数放大倍数 输入级输入级输入级输入级 中间级中间级中间级中间级 输出级输出级输出级输出级 偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路集成运放的基本组成6.1.2 6.1.2 集成运算放大器的集成运算放大器的组成成第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.2 6.2 集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路 6.2.16.2.1 差差分分放大放大电路路6.2.2 6.2.2 电流源电路电流源电路6.2.3 6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级采用复合管和有源负载的中间放大级6.2.4 6.2.4 输出级中的过载保护电路输出级中的过载保护电路第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.2.16.2.1 差差分分放大放大电路路 抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。为了为了抑制零点漂移抑制零点漂移，可以采用差动放大电路。，可以采用差动放大电路。1.1.差分放大差分放大电路的基本形式：路的基本形式：信号由两个管子的基极信号由两个管子的基极输入，入，输出出电压由两个管子的集由两个管子的集电极极输出。管子特性一致，出。管子特性一致，电路路为对称称结构。构。图6.2.1 差分放大电路原理电路第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 当当温温度度变化化时，两两管管参参数数发生生变化化，引引起起两两管管的的各各级电流流电位位均均发生生变化化，但但由由于于电路路的的对称称性性其其变化量一定相等，即化量一定相等，即ICQ1=ICQ2 UCQ1=U CQ2 虽然然每每个个管管都都产生生了了零零点点漂漂移移，但但是是，由由于于两两集集电极极电位位的的变化化是是相相互互抵抵消消的的，所所以以输出出电压依依然然为零，零，此此时uo=（UCQ1+UCQ1）（UCQ2+UCQ2）=0 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（2 2）信号）信号输入方式入方式 1 1）共模输入）共模输入 如图如图6.2.16.2.1所示电路中的两个输入信号所示电路中的两个输入信号u ui1i1和和u ui2i2，如，如果果等大同相等大同相（大小相等，方向相同），即（大小相等，方向相同），即u ui1i1=u ui2i2，就称，就称为为共模输入共模输入。2 2）差模输入）差模输入 若输入信号若输入信号等大反相等大反相（大小相等，方向相反），即（大小相等，方向相反），即u ui1i1=-=-u ui2i2，则称为，则称为差模输入差模输入。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器3）比）比较输入入 比比较输入入也也叫叫非非差差非非共共输入入。ui1和和ui2的的大大小小不不相相等等，极极性性也也是是任任意意的的。对于于任任意意一一对比比较信信号号，均均可可看看成成是是一一对共模信号和一共模信号和一对差模信号的叠加差模信号的叠加，如，如对于于ui1=3mV=5mV2mVui2=7mV=5mV+2mV 可以看成是一可以看成是一对5mV的共模信号和一的共模信号和一对2mV的差模的差模信号。信号。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器2.2.长尾式差尾式差动放大放大电路路 长尾尾式式差差动放放大大电路路也也是是一一种种典典型型差差分分放放大大电路路，如如图6.2.2所所示示。与与图6.2.1所所示示电路路比比较，多多了了电位位器器RP、发射射极极电阻阻Re和和负电源源EE。因因增增加加了了负电源源EE，管管子子的的偏偏流流IB可由它提供，故去掉了可由它提供，故去掉了Rb2。Re称称为共模抑制共模抑制电阻，阻，Re数数值愈大，愈大，对共模信号（即共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈零点漂移）的抑制能力就愈强强。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.2 长尾式差动放大电路 因因为电路路完完全全对称称是是理理想想状状况况，实际上上，当当输入入的的两两端端接接“地地”时，输出出电压不不一一定定等等于于零零，这就就需需要要调零零。R RP P就就是是用用来来调零零的的，故故称称为调零零电位位器器。如如图6.2.26.2.2所所示示电路路中，中，R RP P接到三极管的接到三极管的发射极，故称射极，故称为发射极射极调零零。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（1 1）静）静态分析分析 图6.2.3 单管直流通路IBQRb+UBEQ+2IEQRe=VEEICQ IBQ(对地对地)第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（2 2）动态分析）动态分析 图6.2.4 双端输入双端输出的差动放大电路 由由于于输入入电路路的的对称称性性，每每只只管管子子的的输入入端端分分得得的的电压各各为ui的的一一半半，但但极极性性相相反反，即即ui1=1/2(u i)ui2=1/2(ui)显然，是一然，是一对差模信号。差模信号。1)1)双端输入双端输入双端输出双端输出第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.5 单管差模信号交流通路:Re对差模信号不起作用，忽略小电阻Rp单管差模电压放大倍数：单管差模电压放大倍数：双端输入双端输入双端输出差动电路的差模电压放大倍数为双端输出差动电路的差模电压放大倍数为 差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为接上接上RL第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器2)差分输入、单端输出差分输入、单端输出 uO 约约为双端输出的一半，即为双端输出的一半，即图图 6.2.66.2.6差分输入、单端输出差分输入、单端输出VT2VT1RCRCRbRb+RL uId1212 uIduOReEERp第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.6 单端输入单端输出的差分放大电路 既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？每只管子取得多大的信号呢？吗？每只管子取得多大的信号呢？3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器图6.2.7 Re断路时单端输入的等效输入电路 可可见对称称条条件件下下，ui的的一一半半加加在在VT1的的输入入端端，另另一一半半加在加在VT2的的输入端，两者极性相反，即入端，两者极性相反，即ui11/2uiui2-1/2ui 由此可由此可见，在，在单端端输入的差入的差动放大放大电路中，只要共模反路中，只要共模反馈电阻阻Re足足够大大时，两管所取得的信号就可以，两管所取得的信号就可以认为是一是一对差差模信号，也就是模信号，也就是说，单端端输入和双端入和双端输入的效果一入的效果一样。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（3）共模抑制比）共模抑制比KCMR 对于差于差动放大放大电路来路来说，差模信号是有用信号，差模信号是有用信号，对差模信号差模信号应有有较大的放大倍数大的放大倍数，而，而对共模信号共模信号则放大倍放大倍数愈小愈好，愈小数愈小愈好，愈小说明明对零点漂移的抑制能力就愈零点漂移的抑制能力就愈强强。实际上上对共模信号也有一定的放大倍数，特共模信号也有一定的放大倍数，特别是是单端端输出情况，出情况，设输入的共模信号入的共模信号为u uiCiC时，输出出电压为u uOCOC ，则共模放大倍数共模放大倍数为 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud与与共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc之比，之比，称为差动放大电路的称为差动放大电路的共模抑制比共模抑制比，用，用KCMR表示，即表示，即 对数形式表示：对数形式表示：共模抑制比可以视为共模抑制比可以视为有用的信号和干扰信号的对比有用的信号和干扰信号的对比。共模抑制比越大共模抑制比越大，差动放大电路分辨所需要的差模信号，差动放大电路分辨所需要的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。的能力越强，而受共模信号的影响越小。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器（4）带恒流源的长尾式差分放大电路）带恒流源的长尾式差分放大电路 长尾电阻长尾电阻Re越大，抑制零漂的效果越好，但越大，抑制零漂的效果越好，但Re过大会过大会使其上的直流压降过大而影响动态特性，故要用负电源补使其上的直流压降过大而影响动态特性，故要用负电源补偿偿Re上的直流压降，但上的直流压降，但Re越大需要的负电源就越大。越大需要的负电源就越大。解决方法是用一种直流电阻不大而交流电阻很大的解决方法是用一种直流电阻不大而交流电阻很大的电路来取代长尾电阻电路来取代长尾电阻Re。用三极管取代用三极管取代Re，既能抑，既能抑制零漂，又便于集成，也不再制零漂，又便于集成，也不再需要过大的负电源。需要过大的负电源。iCuCEiCuCE0第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 用用三三极极管管代代替替“长长尾尾式式”电电路路的的长长尾尾电电阻阻，即即构构成成恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路图 6.2.8恒流源式差分放大电路第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器动态分析与长尾式电路相同动态分析与长尾式电路相同第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器+VCCRCRCRbRb+uO ui1 ui2ReVEERp例题例题RC=Re=10K，VCC=VEE=12V，1=2=50，Rb=Rp=100，设设Rp滑动端处在中点位置，滑动端处在中点位置，负载电阻负载电阻RL=20 K。UBE=0.7V，rbb=300（1）求）求 Aud 和和 KCMR。（2）当）当 Ui1=Ui2=0.02V时，求双端输出电压时，求双端输出电压Uo。（3）当双端输出端接入负载）当双端输出端接入负载RL=20K时，时，求流过负求流过负载的电流当载的电流当 IL。（4）求）求Rid和和Rod。第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出AdAC 0 0很小很小很小很小ridro第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器6.2.26.2.2 电流源流源电路路：作为放大电路的偏置电路和有源负载。作为放大电路的偏置电路和有源负载。1.1.镜像像电流源流源 图6.2.11 镜像电流源 从从图中可以看出，基准中可以看出，基准电流流为 输出出电流与基准流与基准电流相流相等，等，我我们把把输出出电流看作是流看作是基准基准电流的流的镜像，故称像，故称为镜像像电流源。流源。u 时，时，uO=+Uopp当当 u u 时时,uO=-Uopp即即u 与与u差值较大时，差值较大时，“虚短虚短”不再成立。不再成立。2、理想运放的输入电流为、理想运放的输入电流为0非线性区仍然满足非线性区仍然满足rid=，则有，则有u 与与u差值较大时，差值较大时，“虚断虚断”仍然成立。仍然成立。6.5.4 6.5.4 理想理想运放工作在非线性区的特点运放工作在非线性区的特点第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器结论结论1、线性区：、线性区：2、非线性区：、非线性区：集成运放的开环增益往往很大，集成运放的开环增益往往很大，如果不采取一定措施，即使在输入如果不采取一定措施，即使在输入端接一个很小的电压仍有可能使运端接一个很小的电压仍有可能使运放超出线性工作区的范围。为了保放超出线性工作区的范围。为了保证运放工作在线性区，一般要在电证运放工作在线性区，一般要在电路中引入深度负反馈，以减小净输路中引入深度负反馈，以减小净输入信号。入信号。