1、第六章第六章 集成電路運算放大器集成電路運算放大器它體積小，性能好。它體積小，性能好。2、按功能分類、按功能分類：數字集成和模擬集成電路。數字集成和模擬集成電路。3 3、常用模擬集成電路：、常用模擬集成電路： 運算放大器、寬頻帶放大器、運算放大器、寬頻帶放大器、 功率功率 放大器、模擬乘法器、模擬瑣相環、模數和數模轉換器放大器、模擬乘法器、模擬瑣相環、模數和數模轉換器 、及其他模、及其他模擬電路等。擬電路等。4 4、模擬集成電路的、模擬集成電路的特點：特點：1）電路結構與元件參數具有對稱性（溫度均一、特性對稱）電路結構與元件參數具有對稱性（溫度均一、特性對稱）2）無源器件用有源器件代替（電阻、

2、電容用）無源器件用有源器件代替（電阻、電容用PN結實現）結實現）3）采用復合結構的電路（用復合管等組合電路）采用復合結構的電路（用復合管等組合電路）4）級間采用直接耦合方式）級間采用直接耦合方式5）用晶體管的發射結構成二極管，作為溫度補償元件等。）用晶體管的發射結構成二極管，作為溫度補償元件等。1、集成電路：集成電路：把整個電路中的元件都制作在一塊硅基片上，把整個電路中的元件都制作在一塊硅基片上，構成特定功能的電子電路。構成特定功能的電子電路。6.1 集成電路運算放大器中的集成電路運算放大器中的電流源電流源電流源電路的特點：輸出電流恒定。具有很高的輸出電阻。輸出電流恒定。具有很高的輸出電阻。電

3、流源電路的用途：1、給、給直接耦合放大器的直接耦合放大器的各級電路提供直流偏置電流，使各級電路提供直流偏置電流，使Q點穩定。點穩定。2、作各種放大器的、作各種放大器的有源負載，以提高增益、增大動態范圍。有源負載，以提高增益、增大動態范圍。3 3、由電流源給電容充電，可獲得隨時間線性增長的電壓輸出。、由電流源給電容充電，可獲得隨時間線性增長的電壓輸出。4 4、電流源還可單獨制成穩流電源使用。、電流源還可單獨制成穩流電源使用。 4 4、用、用PN結的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，溫度影響小。結的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，溫度影響小。3 3、電流源電路一般都加有電流負反饋。、電流源電

4、路一般都加有電流負反饋。2 2、常用的電流源電路有：鏡、常用的電流源電路有：鏡像像電流源、精密電流源、微電流源等電流源、精密電流源、微電流源等1 1、BJTBJT、FETFET工作在放大狀態時，其輸出電流都是具有恒流特性受工作在放大狀態時，其輸出電流都是具有恒流特性受 控電流源；由它們都可構成電流源電路控電流源；由它們都可構成電流源電路。三極管三極管T1、T2匹配，匹配， 鏡像電流源其中：基準電流其中：基準電流 是穩定的，故輸出電流是穩定的，故輸出電流 也是穩定的。也是穩定的。I2CIR,22RCII 時，當RVVIBECCR且 IC2和和IR是鏡像關系是鏡像關系。 21BEBEBEVVV21

5、BCRIII21 則：則：BCII22 )21 (2CI1 1、鏡像電流源I I2 2I IC C2 2C C2 2 精密鏡像電流源精密鏡像電流源精密鏡像電流源和普通鏡像電流源相比，其鏡像精密鏡像電流源和普通鏡像電流源相比，其鏡像精度提高了精度提高了 倍。倍。 精密電流源精密電流源 電路中增加了電路中增加了T3 管，管，IIIIBREFCC312 312 IIBREF IB3 比鏡像電流源的比鏡像電流源的2IB小小3倍。因此倍。因此IC2和和IREF之間的鏡之間的鏡像精度提高了像精度提高了 倍。倍。31 3333121 IIIBEB2 2、微電流源、微電流源 微電流源電路微電流源電路, ,接入

6、接入Re2電阻得到一個比基準電流電阻得到一個比基準電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路和集成放大器的前置級中。成放大器的前置級中。 微電流源微電流源22212eEBEBEBERRIVVVVe IC2 遠小于IREF ,。RVICCREF 當當R取取 幾幾k 時，時， IREF 為為mA量級，量級，而而I IC2C2可降至可降至 A A量級的微電流源。且量級的微電流源。且I IC2C2 的穩定性也比的穩定性也比IREF 的穩定性好。的穩定性好。222eBEECRVIIVBE很小很小 多路電流源多路電流源 通過一個基準電流源通過一個基準電流源I

7、IREFREF穩定多個三極管的工作點電流穩定多個三極管的工作點電流I IC1C1、I IC2C2，即可構成多路電流源。，即可構成多路電流源。例例6.1.1 已知各已知各BJT的參數的參數、VBE數值相同，求多路電流源數值相同，求多路電流源電路中的各電流源電路中的各電流源IC1 、 IC2 、 IC3 與基準電流與基準電流 IREF的關系式。的關系式。解：解：/BREFCIIIREFCIIeREFeERIRI11eERI22eERI33eERI,111eeREFECRRIII,222eeREFECRRIII333eeREFECRRIII當當IREF確定后，改變各確定后，改變各Re的阻值，就能獲得

8、不同比例的輸出電流。的阻值，就能獲得不同比例的輸出電流。當較大時，由于各管的由于各管的、VBE相同，相同，IB0=IE0/=IB/ 3. 3. 電流源用作有源負載電流源用作有源負載IREF 利用電流源的靜態電阻小，利用電流源的靜態電阻小，動態電阻很大的特點。動態電阻很大的特點。1）靜態電阻小：）靜態電阻小： 易配置靜態工作點。易配置靜態工作點。2）動態電阻很大：）動態電阻很大： 可提高放大器的大倍數。可提高放大器的大倍數。指輸入信號電壓為零時，指輸入信號電壓為零時， 輸出電壓發生緩慢地、輸出電壓發生緩慢地、 無規則地變化的現象。無規則地變化的現象。uotO晶體管參數隨溫度變化、電源電壓波動、晶

9、體管參數隨溫度變化、電源電壓波動、 電路元件參數的變化。電路元件參數的變化。 前后級靜態工作點相互影響前后級靜態工作點相互影響, ,需統一考慮需統一考慮1. 問題的提出：問題的提出：直流信號、直流信號、 直接直接、直流放大器直流放大器解決方法：解決方法： 采用溫度補償采用溫度補償采用采用vi1vi2線性放大電路voiCVCidVDovAvAv 差模電壓增益)(2121iiicvvv 差分放大電路應僅對差模信號具有放差分放大電路應僅對差模信號具有放大能力，對共模信號不予放大大能力，對共模信號不予放大.差模信號：差模信號：是指在兩個輸入端加幅度相等，極性相反的信號。是指在兩個輸入端加幅度相等，極性

10、相反的信號。 vid = vid1 - vid2 ; vid1 = vid2 = vid共模信號：共模信號：是指在兩個輸入端加幅度相等，極性相同的信號。是指在兩個輸入端加幅度相等，極性相同的信號。 vic = vic1 = vic2 放大兩個輸入信號之差放大兩個輸入信號之差 任意輸入信號，幅度、極性都是任意的，它可以分解為一對差任意輸入信號，幅度、極性都是任意的，它可以分解為一對差模信號和一對共模信號的組合。模信號和一對共模信號的組合。111icidivvv 222icidivvv 21iiidvvv 共模電壓增益6.2.16.2.1基本差分放大電路基本差分放大電路差分放大器由兩個特性基本相同

11、的三極管組成，電路參數差分放大器由兩個特性基本相同的三極管組成，電路參數對稱對稱相等。相等。差分放大電路的靜態和動態計算方法與基本放大電路基本相同。差分放大電路的靜態和動態計算方法與基本放大電路基本相同。時，021iivv靜態分析靜態分析動態分析動態分析當輸入信號為零時，即當輸入信號為零時，即0=2/21CCCCCE0C21 CCoBECCvvvVRIVVIIii這時，這時，由于電路完全對稱。由于電路完全對稱。當在電路兩個輸入端各加一個大小相等，極性相反的信號電壓，當在電路兩個輸入端各加一個大小相等，極性相反的信號電壓，時時，即即2/21idiivvv 一管電流增加，另一管電流減小，所以一管電

12、流增加，另一管電流減小，所以021CCovvv即在兩個輸出端有信號電壓輸出。即在兩個輸出端有信號電壓輸出。2. 抑制零點漂移的原理抑制零點漂移的原理零點漂移零點漂移 當放大電路的輸入端短路時，輸出端還有電壓輸出。當放大電路的輸入端短路時，輸出端還有電壓輸出。 在差分電路中，溫度的變化等會引起兩在差分電路中，溫度的變化等會引起兩管集電極電流、集電極電壓的變化，其效管集電極電流、集電極電壓的變化，其效果相當與在兩個輸入端加入了共模信號，果相當與在兩個輸入端加入了共模信號，由于電路對稱，在理想的情況下，輸出電由于電路對稱，在理想的情況下，輸出電壓不變，從而抑制了零點漂移。壓不變，從而抑制了零點漂移。

13、uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0當溫度升高時當溫度升高時ICVC （兩管變化量相等）（兩管變化量相等） 在直接耦合多級放大電路中，前級在直接耦合多級放大電路中，前級Q點變化時，被點變化時，被后級逐級放大，造成輸出電壓漂移。后級逐級放大，造成輸出電壓漂移。3、計算、計算beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出:beCVDVDrRAA2211加負載電阻加負載電阻RL:beLVDrRA2/LCLRRR 式中： 差分放大電路有兩個輸出端差分放大電路有兩個輸出端集電極集電極C1和集電極和集電極C2。 若信號從

14、若信號從C1 和和C2輸出，則稱為輸出，則稱為雙端輸雙端輸出出，反之，若信號僅從集電極，反之，若信號僅從集電極 C1或或C2 對對地輸出，則稱為地輸出，則稱為單端輸出單端輸出。雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出:（1）差模電壓增益）差模電壓增益單端輸入時的差模電壓增益：單端輸入時的差模電壓增益：單端輸入：單端輸入：vi1 vid , vi2 0 因為恒流源交流電阻因為恒流源交流電阻 r0 很大，很大，可以看成開路。可以看成開路。 作用于作用于T1和和T2上上be結的信號結的信號基本上是一致的，相當于雙端輸基本上是一致的，相當于雙端輸入的情況。入的情況。電壓增益計算與雙端輸入時相同。電壓增益計

15、算與雙端輸入時相同。beCidoiiooidoVDrRvvvvvvvvA121212 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出:beCVDVDrRAA2211單端輸入、雙端輸出單端輸入、雙端輸出:差模輸入電阻差模輸入電阻輸出電阻輸出電阻 ： 不論是單不論是單端輸入還是雙端輸入還是雙端輸入，差模端輸入，差模輸入電阻輸入電阻Rid是是基本放大電路基本放大電路的兩倍。的兩倍。besid2rRR輸出電阻輸出電阻： 單端輸出時，單端輸出時， 雙端輸出時，雙端輸出時， coRR co2RR uod1RsB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1輸入電阻：輸入電阻：（1）雙端輸出時：）雙端輸出時：021vvvi

16、cococvcA（2）單端輸出時：）單端輸出時：oCobeCicocvcrrRrRvvA22111 共模共模電壓增益越小，電壓增益越小，放大電路的性能越好。放大電路的性能越好。 r r0 0 越大，則越大，則A Avc1vc1越小，越小，抑制抑制共模信號共模信號的能力越強。的能力越強。（2 2）共模電壓增益）共模電壓增益 A Av vc c（3 3）共模抑制比）共模抑制比 KCMR ：cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK（2）單端輸出時共模抑制比）單端輸出時共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標，反是差分放大器的一個重要指標，反映抑制共模信號的能力。

17、映抑制共模信號的能力。AAKvcvdCMR（1）雙端輸出時）雙端輸出時KCMR為無窮大為無窮大beovcvdCMRrrAAK11或：或：oCvcrRA21beCVDrRA21 由：由：和和例例2：80V.VBE20mA.RRVVIIEECCRCQ247524234mA.IIICQCQCQ122421VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121krce50 一、估算一、估算Q點：點：二、動態分析：二、動態分析：kbeIrEQ3 . 11 . 2268030026130012, 1 等效的發射極耦合電阻等效的發射極耦合電阻REE比例式電流源的輸出電阻比例式電流

18、源的輸出電阻krRRceoEE405050811444例例2：480250813155338021./.RrRAWbeLvd 1.雙出雙出（雙入或單入）：（雙入或單入）：差模特性：差模特性： rbe=1.3k , 把把直流電源、直流電源、Vic 都都短路短路；RL 兩臂各分一半兩臂各分一半；兩臂的差模信號電流大兩臂的差模信號電流大小相等、方向相反，同小相等、方向相反，同時流過時流過T4 時抵消，使時抵消，使T4 無差模電流、也無差模無差模電流、也無差模電壓電壓，T4、 R1 可視作短可視作短路路（或開路），（或開路），這里作短路處理；對于這里作短路處理；對于RW：兩臂各分一半。：兩臂各分一半。

19、k.RrRWbeid656025081312212k.RRco662畫差模信號通路：畫差模信號通路：例例2： 畫共模信號通路：把畫共模信號通路：把直流電源、直流電源、Vid 都都短路短路；RL 兩端共模信號電位相等，兩端共模信號電位相等，故其中無共模電流流過，故可視作開故其中無共模電流流過，故可視作開路；路；由于兩臂的共模信號電流同時流由于兩臂的共模信號電流同時流過過T4 、R1，因此，把它等效到每管發，因此，把它等效到每管發射極時，需用射極時，需用2REE表示。表示。RW的影響可的影響可略。略。共模特性：共模特性：已算得已算得rbe=1.3k ,電流源的電流源的輸出電阻（等效的輸出電阻（等效

20、的REE）為）為4050k 。1.雙出雙出（雙入或單入）：（雙入或單入）：共模信號通路共模信號通路AAKVVAvcvdCMRicocvc, 0MRrREEbeic656405028121例例2： 2. 單出單出-（雙入或單入）：（雙入或單入）： （1）差模特性：）差模特性： 差模信號通路差模信號通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvdkRrRWbeid3 . 3025. 0813 . 121k.RRco33例例2： 2. 單出單出-（雙入或單入）：（雙入或單入）： （2）共模特性）共模特性000304050211332./.RRvvAEELicocvc105

21、100030530.AAKvcvdCMRdBog10020105集成電路運算放大器集成電路運算放大器 集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。運算放大器方框圖運算放大器方框圖 1.輸入級輸入級 使用高性能的差分放大電路，它必使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。入雙端輸出的形式。 4.偏置電路偏置電路 提供穩定的幾乎不隨溫度而變化提供穩定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩定工作點。的偏

22、置電流，以穩定工作點。 3.輸出級輸出級 由由PNP和和NPN兩種極性的三極兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.電壓放大級電壓放大級 要提供高的電壓增益，以保證要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。路和帶有源負載的高增益放大器。例例6.3.1和第和第6.3.2節的內容偏難，不作為基本要求節的內容偏難，不作為基本要求另舉例說明集成運放內部結構另舉例說明集成運放內

23、部結構T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成運放內部結構（舉例）集成運放內部結構（舉例）第第1級：差動放大器級：差動放大器第第2級：差動放大器級：差動放大器第第3級：單管放大器級：單管放大器第第4級：互補對級：互補對稱射極跟隨器稱射極跟隨器極性判斷極性判斷uu+ uo 反相輸入端反相輸入端 u同相輸入端同相輸入端 u+ 輸出端輸出端 uo美國符號：美國符號：國內符號：國內符號：集成運算放大器符號集成運算放大器符號同相輸入端同相輸入端: 該端輸入信號變化的極性與輸出端相同該端輸入信號變化的極性與輸出

24、端相同反相輸入端反相輸入端: 該端輸入信號變化的極性與輸出端相反該端輸入信號變化的極性與輸出端相反運運算算放放大大器器外外形形圖圖本章結束本章結束 1.差模電壓放大倍數差模電壓放大倍數Avd= ，實際上，實際上Avd80dB即可。即可。 理想運算放大器的條件理想運算放大器的條件2.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid= ，實際上，實際上Rid比輸入端外電路的比輸入端外電路的 電阻大電阻大23個量級即可。個量級即可。3.輸出電阻輸出電阻Ro= 0，實際上，實際上Ro比輸入端外電路的電阻比輸入端外電路的電阻 小小12個量級即可。個量級即可。 4.帶寬足夠寬。帶寬足夠寬。5.共模抑制比足夠大。共模抑制比足

25、夠大。 實際上在做一般原理性分析時，產品運算放大器實際上在做一般原理性分析時，產品運算放大器 都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術指標明顯下降即可。大器的某個技術指標明顯下降即可。 理想運算放大器具有理想運算放大器具有“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特性，的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環了保證線性運用，運放必須在閉環( (負反饋）下工作。負反饋）下工作。 理想運算放大器的特性理想運算放大器的特性 (1)(1)虛短虛短 由于運放的電壓放大倍數很大，一般都在由于運放的電壓放大倍數很大，一般都在8080 dBdB以以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在1010 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等，兩輸入端近似等電位，相當于電位，相當于 “短路短路”。開環電壓放大倍數越大，開環電壓放大倍數越大，兩兩輸入端的電位越接