會(huì)計(jì)學(xué)1第六章集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級(jí)放大器。集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。什么是集成運(yùn)算放大器？第1頁(yè)/共49頁(yè)直耦放大電路的特殊問(wèn)題——零點(diǎn)漂移零漂現(xiàn)象：產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)，這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。輸入ui=0時(shí)，，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。第2頁(yè)/共49頁(yè)例如

若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓假設(shè)第一級(jí)是關(guān)鍵3.減小零漂的措施用非線(xiàn)性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用差動(dòng)放大電路等效100uV漂移1V第3頁(yè)/共49頁(yè)1.鏡像電流源基準(zhǔn)電流：

無(wú)論T2的負(fù)載如何變化，IC2的電流值將保持不變。5.1集成運(yùn)算放大器中的偏置電路一.電流源電路因?yàn)椋核裕旱?頁(yè)/共49頁(yè)2.微電流源（1）電流小（因?yàn)椤鱑BE小）。微電流源的特點(diǎn)：（2）電流穩(wěn)定（電流負(fù)反饋）第5頁(yè)/共49頁(yè)3.多路電流源第6頁(yè)/共49頁(yè)二.差動(dòng)輸入級(jí)1.有源負(fù)載差動(dòng)放大電路T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負(fù)載。同時(shí)可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。第7頁(yè)/共49頁(yè)5.2差動(dòng)放大電路一.結(jié)構(gòu):對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb第8頁(yè)/共49頁(yè)2023/1/19

1.差動(dòng)放大電路一般有兩個(gè)輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時(shí)加信號(hào)。單端輸入——僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加信號(hào)。

2.差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸出端。雙端輸出——從C1

和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對(duì)地輸出。二.幾個(gè)基本概念第9頁(yè)/共49頁(yè)3.差模信號(hào)與共模信號(hào)差模信號(hào)：共模信號(hào)：差模電壓增益：共模電壓增益：總輸出電壓：4.共模抑制比第10頁(yè)/共49頁(yè)三.差動(dòng)放大電路的基本工作原理

1.靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：

忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V第11頁(yè)/共49頁(yè)2.抑制零漂的原理:Uo=UC1-UC2

=0當(dāng)ui1

=

ui2

=0時(shí)，當(dāng)溫度變化時(shí)：UC1=UC2設(shè)T

ic1,ic2uc1

,uc2

uo=uc1-uc2=0第12頁(yè)/共49頁(yè)(1)加入差模信號(hào)

ui1=-ui2=uid/2，3.電路的動(dòng)態(tài)分析

所以，Re對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路。若ui1,ui2ib1,ib2ie1,ie2IRe不變

UE不變

uic=0。第13頁(yè)/共49頁(yè)①求差模電壓放大倍數(shù)：

因?yàn)閡i1=-ui2設(shè)ui1,ui2

uo1,uo2。電路對(duì)稱(chēng)│uo1│=│uo2│

uo=uo1–uo2=2uo1

差模電壓放大倍數(shù)第14頁(yè)/共49頁(yè)②差模輸入電阻③輸出電阻第15頁(yè)/共49頁(yè)(2)加入共模信號(hào)

ui1=ui2=uic，

uid=0。設(shè)ui1，ui2

uo1，uo2。因ui1=ui2，

uo1=uo2uo=0(理想化)。共模電壓放大倍數(shù)第16頁(yè)/共49頁(yè)四.差動(dòng)放大器的輸入輸出方式

差動(dòng)放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）

2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）

3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）

4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問(wèn)題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻第17頁(yè)/共49頁(yè)1.雙端輸入雙端輸出(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）輸出電阻第18頁(yè)/共49頁(yè)2.雙端輸入單端輸出

這種方式適用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號(hào)。(1)差模電壓放大倍數(shù)

（2）差模輸入電阻（3）輸出電阻第19頁(yè)/共49頁(yè)（4）共模電壓放大倍數(shù)

ui1=ui2=uic，

設(shè)ui1，ui2

ie1，ie1。

iRe（=2ie1）畫(huà)出共模等效電路第20頁(yè)/共49頁(yè)動(dòng)畫(huà)演示求共模電壓放大倍數(shù)：第21頁(yè)/共49頁(yè)

3.單端輸入雙端輸出

單端輸入等效雙端輸入:

因?yàn)镽e＞＞從T2發(fā)射極看進(jìn)去的等效電阻，故Re可視為開(kāi)路，于是有ui1=－ui2=ui/2

計(jì)算同雙端輸入雙端輸出：動(dòng)畫(huà)演示第22頁(yè)/共49頁(yè)4.單端輸入單端輸出

注意放大倍數(shù)的正負(fù)號(hào)：設(shè)從T1的基極輸入信號(hào)，如果從uo1

輸出為負(fù)號(hào)；從uo2

輸出為正號(hào)。

計(jì)算同雙入單出：

第23頁(yè)/共49頁(yè)

(1)差模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

差動(dòng)放大器動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié)

雙端輸出時(shí)：

單端輸出時(shí)：

(2)共模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無(wú)關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

雙端輸出時(shí)：

單端輸出時(shí)：第24頁(yè)/共49頁(yè)

(3)差模輸入電阻

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。

單端輸出時(shí)，

雙端輸出時(shí)，

(4)輸出電阻第25頁(yè)/共49頁(yè)(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。，或

雙端輸出時(shí)KCMR可認(rèn)為等于無(wú)窮大，單端輸出時(shí)共模抑制比：動(dòng)畫(huà)演示

第26頁(yè)/共49頁(yè)五.帶恒流源的差動(dòng)放大電路

根據(jù)共模抑制比公式：

加大Re，可以提高共模抑制比。為此可用恒流源T3來(lái)代替Re

。等效很大的交流電阻，直流電阻并不大。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，而不影響差模放大倍數(shù)，從而增加共模抑制比。恒流源的作用第27頁(yè)/共49頁(yè)帶恒流源的差動(dòng)放大電路的計(jì)算：

靜態(tài)工作點(diǎn)：

動(dòng)態(tài)：

恒流源等效電阻：第28頁(yè)/共49頁(yè)2.克服交越失真的互補(bǔ)對(duì)電路

靜態(tài)時(shí)，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇?dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。電路中增加D1、D2工作原理：第29頁(yè)/共49頁(yè)5.3集成運(yùn)放簡(jiǎn)介

一.

集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)第30頁(yè)/共49頁(yè)

二.

簡(jiǎn)單的集成運(yùn)放

原理電路：第31頁(yè)/共49頁(yè)＋－u-－u+uo集成運(yùn)算放大器符號(hào)國(guó)際符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端第32頁(yè)/共49頁(yè)三.通用型集成運(yùn)放F007AB第33頁(yè)/共49頁(yè)AB第34頁(yè)/共49頁(yè)分析：1.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過(guò)T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置。第35頁(yè)/共49頁(yè)2.輸入級(jí)：T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。第36頁(yè)/共49頁(yè)3.中間級(jí)：T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。4.輸出級(jí)：5.相位分析：用“瞬時(shí)極性法”判定，3號(hào)腿為同相端；2號(hào)腿為反相端。第37頁(yè)/共49頁(yè)

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)。5.4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

2.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第38頁(yè)/共49頁(yè)

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第39頁(yè)/共49頁(yè)6.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第40頁(yè)/共49頁(yè)

8.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無(wú)反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。第41頁(yè)/共49頁(yè)

11.－3dB帶寬

fH

：

運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為

第42頁(yè)/共49頁(yè)

反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個(gè)參數(shù)，一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運(yùn)放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合。特殊類(lèi)型的集成運(yùn)放，在某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶(hù)可以從特殊類(lèi)型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿(mǎn)足某些方面的特殊要求。5.5特殊集成運(yùn)算放大器第43頁(yè)/共49頁(yè)

1.高輸入阻抗型

這種類(lèi)型的集成運(yùn)放差模輸入電阻往往大于109W，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級(jí)。這種類(lèi)型的集成運(yùn)放，輸入級(jí)經(jīng)常采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)，稱(chēng)為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)。其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。

第44頁(yè)/共49頁(yè)2.高精度、低漂移型要求集成運(yùn)放具有很低的漂移量和很高的精度。一般ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。

大多選用匹配特性?xún)?yōu)良的差動(dòng)對(duì)管，還采用熱匹配設(shè)計(jì)和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對(duì)管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，還有的運(yùn)放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。第45頁(yè)/共49頁(yè)3.高速型

高速運(yùn)放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR