第3章集成运算放大电路S3. 1集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。、集成运放的特点1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。4）采用复合管。二、集成运放电路的组成"uo两个输入级中间级输出级Os个输入端1输出端偏置电路同相输入端upO"oAUO反相输入端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用：1）输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求R大，Aa大，Ae小，输入端耐压高。2）中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。3）输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可
第 3 章 集成运算放大电路 §3.1 集成运算放大电路 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。 一、集成运放的特点 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性,采用差分放大电路和电流源电路。 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。 4）采用复合管。 二、集成运放电路的组成 若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放 大电路。 集成运放电路四个组成部分的作用： 1）输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求 Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压 高。 2）中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 3）输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求 Ro 小，最大不失真输出电压尽可
能大。4）偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。几代产品中输入级的变化最大！三、集成运放的电压传输特性uo同相输入端UpOOup-uN"oAodUNO反相输入端在线性区：uo=Aad(up一un)，Aod是开环差模放大倍数。由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压（up一uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在非线性区：（up一uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是十UoM，就是一UoM，即集成运放工作在非线性区。s3.2集成运放中的单元电路、直接耦合放大电路的零点漂移现象+直接耦合u,=0uo放大电路00luuo如图示，当Au=0时，△uo≠0。这种现象叫做零点漂移
能大。 4）偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。 几代产品中输入级的变化最大！ 三、集成运放的电压传输特性 在线性区：uO＝Aod(uP－uN)，Aod是开环差模放大倍数。由于 Aod高达几十万倍，所以 集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 在非线性区： (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM , 就是－ UOM，即集成运放工作在非线性区。 §3.2 集成运放中的单元电路 一、直接耦合放大电路的零点漂移现象 Uo O t 如图示，当ΔuI＝0 时，ΔuO≠0。这种现象叫做零点漂移
产生零点漂移现象的原因：温度变化、直流电源波动、元器件老化等，其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路二、差分放大电路1、基本形式OUR4.电路结构上完美对称。1）共模信号(Common-ModeSignal)共模信号：大小相等，极性相同。HUcC4U=0=oCUi
产生零点漂移现象的原因：温度变化、直流电源波动、元器件老化等，其中晶体管 的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。 克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路 二、差分放大电路 1、基本形式 Rc ＋ Uo － V1 V2 Rc Ui Ui Rs Rs Rb Rb UCC c 1 c 2 2 1 2 1 1 1 2 2 电路结构上完美对称。 1）共模信号(Common -Mode Signal) 共模信号：大小相等，极性相同。 1 2 Uoc Uoc 0 icoc uc U U A
2）差模信号（Difference-ModeSignal)差模信号：大小相等，极性相反。+Uc.3Uia11Uial-U.Uid2UUd=U.-U,22因为电路完全对称，所以：Au= An= A单U, -U., -U. = A,U, - A.U,=AU,-AU,=A(U,-U,)U。_ A(U, -U,)BR'A单AudUidU,-U.R, + Ibe2、长尾式差分放大电路+UccL4U
2）差模信号(Difference-Mode Signal) 差模信号：大小相等，极性相反。 Uid Uid 2 1 1 Uid Uid 2 1 2 1 2 Uid Ui Ui 因为电路完全对称, 所以： Au1 Au2 Au单 ( ) 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 u i u i u i i o o o u i u i A U A U A U U U U U A U A U 单 单 单 s be L u i i u i i id o ud R r R A U U A U U U U A ' 1 2 1 2 ( ) 单 单 2、长尾式差分放大电路 ＋ Rc ＋UCC c 1 c 2 Uo Ui 1 V1 V2 － RL Rs 2 －UEE Re Ui2 Rc 1 2 Rs 1
1）静态工作点的分析IBQI = IBQ2 = IgQIcQ1 = IcQ2 = IcQEQI= lEQ2 = lEQUco1 = UcQ2 = UcQUo =UcQ1 -UcQ2 = 0晶体管输入回路方程：UE=IBOR,+UBEO+2lEoRUEE-UBEQU-UBEOIEQR.2R2R+,1+βleoIBQ=1+βUcEO Ucc-IcoR.+UBEQ2）对共模信号的抑制作用ZR(a)共模信号交流通路形式之(b)共模信号交流通路形式之二
1）静态工作点的分析 0 O CQ1 CQ2 CQ1 CQ2 CQ EQ1 EQ2 EQ CQ1 CQ2 CQ BQ1 BQ2 BQ u U U U U U I I I I I I I I I 晶体管输入回路方程： EE BQ BEQ 2 EQ Re U I R U I s e EE BEQ e EE BEQ EQ 2 1 2 R U U R R U U I s 1 EQ BQ I I CEQ CC CQ Rc UBEQ U U I 2）对共模信号的抑制作用 Rc Rc Ui1 V1 Rs2 Re Ui 2 Rs 1 V2 Ue共 ＋ － ＋ － I e c 1 I e c2 Rc Rc V1 Rs2 Rs1 V2 2Re 2Re c 1 c 2 (a)共模信号交流通路形式之一 (b)共模信号交流通路形式之二 1 2 1 2
A"o，参数理想对称时4u。=0共模放大倍数AAuie3）对差模信号的放大作用0+UccRUa.Rpβ,AinAinRFbelAuAuodRTbeNinzB,Aig2Rb2Auod差模放大倍数：AudAulydAuu=Ni.2(R,+r）Auod =-Nic-2(R // R,β(R 1/ 2Ad=R, + rpeR, = 2(R, +rb), R。= 2R4）动态参数Aud、Ri、Ro、Auc、KcMR
uc 0 IcOc uc A u u 共模放大倍数 A ，参数理想对称时 3）对差模信号的放大作用 差模放大倍数： Id od ud u u A 2( ) Id B b be u i R r ) 2 2( L Od C c R u i R ∥ b be L c ud ) 2 ( R r R R A ∥ 2( ) 2 i b be Ro Rc R R r ， 4）动态参数 Aud、Ri、 Ro、 Auc、KCMR
共模抑制比KcMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。KCMR在参数理想对称的情况下，KcMR=00。3、差分放大电路的四种接法-U用(b)双端输入、单端输出(α)双端输入、双端输出+U.U(c）单端输入、双端输出(d)单端输入、单端输出三、电流源电路1、镜像电流源21IR = (Ucc -UBE)/RIR=Ic+IRI+IB2=Ic+βBB+
共模抑制比 KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能 力。 ucud CMR A A K 在参数理想对称的情况下，KCMR=ꝏ。 3、差分放大电路的四种接法 ＋ － Rc Uo V1 V2 Rc Rs ＋UCC I RL －UEE ＋ － ＋ － Ui Rc Uo V1 V2 Rc Rs ＋UCC I RL Rs －UEE ＋ － Ui Rc Uo V1 Rc Rs ＋UCC I RL Rs －UEE ＋ － ＋ － Rs ＋ － Rc Uo V1 V2 Rc Rs ＋UCC I RL －UEE ＋ － Rs (a) 双端输入、双端输出 (b) 双端输入、单端输出 (c) 单端输入、双端输出 (d ) 单端输入、单端输出 Ui1 Ui2 Ui1 Ui2 V2 三、电流源电路 1、镜像电流源 IR (UCC UBE ) R C R C1 B1 B2 C 2I I I I I I C R 2 I I
+ILFUI+UccRR.K.21R1=1V.IBIeVoe,女eEe'DE;(a)镜像电流源(b)镜像电流等效电路2、比例电流源VUe, + Ie,Re, =Ue, + I,RIe,Re, = Ie,ReIE, = Ic, + IB, ~ Ic, = I。E,=IR-IB,IRIRR,~IReRLL.-RR,Ucc-UBEO71.=IRRe,Re,R.R+R
IR ＋UCC R 2IB RL ＋UCC IB 1 IB 2 IE1 IE2 IC 1 V1 V2 IR ＋UCC R RL ＋UCC IC 2＝Io IB 2 IDE 1 IE 2 V2 VDE1 (a) 镜像电流源 (b) 镜像电流等效电路 IC2＝Io 2、比例电流源 IR ＋UCC R RL ＋UCC IC2＝Io V1 V2 IE 2 Re1 Re2 IE1 IB2 1 1 1 2 2 2 BE E e BE E Re U I R U I 1 1 2 2 E e E Re I R I E R B R E C B C o I I I I I I I I I 1 2 2 2 2 2 1 2 R e oRe I R I 2 1e e R o R R I I 2 1 1 2 1 0 e CC BE e e R e e o R R U U R R I R R I
3、微电流源+Ua+UVVIe举例：集成运放电路F007①0+15 VV.Vr4R.SR,?4.5k243VRsc25k2u,39kQaR0?30pF?Au.7.5kQVI e,I 'rRio---50k2I Ico134SV1V161ViV.N1?!①R.V19R.3kΩ-15 V150k0koR.外接调零电位器输入级偏置电路中间级输出级
3、微电流源 IR ＋UCC R RL ＋UCC IC2＝Io V1 V2 IE 2 Re2 IE 1 IB2 举例：集成运放电路 F007 －15 V V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 R1 R2 R3 ① ③ ④ ⑤ ⑥ IC V8 V9 I34 R4 V12 V17 V V16 V10 11 V13 R5 IR 30 pF R7 R8 V15 V18 V19 V14 VD1 VD2 R9 R10 ⑦ ＋15 V 8 ② ＋ － ui IC 1 k 50 k Rw 3 k 39 k C 4.5 k 7.5 k 50 k 25 k uo 外接调零电位器 输入级 偏置电路 中间级 输出级 9 IC10 1 k
s3.3基本运算电路"suop同相输入端一理想特性UpO实际特性0AodUyOup-反相输入端uoPp在分析由集成运放组成的运算电路时，通常将其视为理想化的集成运放，具体参数如下：开环电压放大倍数：A。→0差模输入电阻：rid→00开环输出电阻：r。→01）由于理想集成运放的差模输入电阻rid→0，故可认为两个输入端电流为零。流入集成运放输入端的电流远小于输入端外电路的电流，此时可认为集成运放的两个输入端开路，又称之为“虚断”。2）由于理想集成运放的开环电压放大倍数A→80，而输出电压是一个有限的数"o0，即up=uy。这样集成运放两个输入端近似为等电位，称值，则有up-unAod之为“虚短”。集成运放的应用很广，可以构成各种各样的运算电路，如比例、加减、积分与微分等等。一、反相比例运算电路如果输入信号从集成运放的反相输入端引入，便是反相比例运算电路
§3.3 基本运算电路 uOo Aod uO uOPP uOPP + 同相输入端 反相输入端 理想特性 实际特性 uP uN uP uN 在分析由集成运放组成的运算电路时，通常将其视为理想化的集成运放，具体参数 如下： 开环电压放大倍数： Auo 差模输入电阻： rid 开环输出电阻： 0 or 1）由于理想集成运放的差模输入电阻 rid ，故可认为两个输入端电流为零。流 入集成运放输入端的电流远小于输入端外电路的电流，此时可认为集成运放的两个输入 端开路，又称之为“虚断”。 2）由于理想集成运放的开环电压放大倍数 Auo ，而输出电压是一个有限的数 值，则有 0 od O P N A u u u ，即 P N u u 。这样集成运放两个输入端近似为等电位，称 之为“虚短”。 集成运放的应用很广，可以构成各种各样的运算电路，如比例、加减、积分与微分 等等。 一、反相比例运算电路 如果输入信号从集成运放的反相输入端引入，便是反相比例运算电路