1、第五章集成運算放大電路教學內容§5.1§5.2§5.3集成放大電路的特點集成集成的主要技術指標的基本組成部分§5.4§5.5§5.6集成的典型電路各類集成運算放大的性能特點集成使用中的幾個具體問題§ 5.1 集成放大電路的特點一、集成電路的分類：集成電路簡稱 IC (Integrated Circuit)數字集成電路按其功能分模擬集成電路集成運算放大器；集率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩壓器；集成數/模和模/數轉換器等。模擬集成電路類型集成電路的外形(b)圓殼式(a)雙列直插式(c)扁

2、平式§ 5.1 集成放大電路的特點二、集成電路的特點：1. 對稱性好，適用于差分放大電路。2.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。3.在上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。4.在上制作比較大的電容和電感非常，電路通常采用直接耦合電路方式。5. 集成電路中的 NPN 、 PNP管的 b 值差別較大， 通常 PNP 的 b 10 。§ 5.2集成的主要技術指標集成運算放大器的符號反相輸入端A+輸 出 端同相輸入端§ 5.2集成的主要技術指標一、運算放大器的靜態技術指標1輸入失調電壓 UIO

3、定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。：UIO 為 1 10 mV；一般：UIO 為 1 mV 以下。高質量輸入失調電壓溫漂 aUIO= dUIO定義：a一般UIOdT為每度 10 20 mV；高質量低于每度 0.5 mV 以下；§ 5.2集成的主要技術指標一、運算放大器的靜態技術指標輸入失調電流 IIO定義：當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流 之差，即=- IB2IIOIB1為 幾十 一百納安；高質量的低于 1 nA。一般輸入失調電流溫漂 aIIO= dIIOa定義：IIOdT一般為每度幾納安；高質量的每度幾十。§ 5.2集成的主要技術指標一、運算放大

4、器的靜態技術指標輸入偏置電流 IIB定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平 均值。= 1 ( I+ II)IBB1B22最大共模輸入電壓 UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。最大差模輸入電壓 UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。§ 5.2集成的主要技術指標二、運算放大器的動態技術指標開環差模電壓增益 Aod一般用對數表示，定義為 UOA= 20lg：分貝od U - U+-理想情況 Aod 為無窮大； 140 dB。差模輸入電阻 rid實際情況 Aod 為 100 = UId定義： r一般集成為幾兆歐。id IId§ 5.2集成的主要技術指標二、

5、運算放大器的動態技術指標10共模抑制比 KCMRAod= 20 lg定義：KCMRAoc在 80 dB 以上，高質量的可達 160 dB。多數集成11 - 3 dB帶寬 fH表示 Aod 下降 3 dB 時的頻率。一般集成幾赫至幾千赫。fH 只有§ 5.2集成的主要技術指標二、運算放大器的動態技術指標12Aod增益帶寬 BWG降至 0 dB 時的頻率，此時開環差模電壓放大倍數等于 1 。13 轉換速率 SR額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸為V / ms 。出電壓的最大變化率。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成的 SR 值。其他技術指標還有：最大輸出電壓、靜態

6、功耗及輸出電阻等。§ 5.3 集成的基本組成部分輸入級：（前置級）電路：一個高性能的差動放大器特點：輸入電阻高，抑制溫度漂移能力強，靜態電流小。偏置電路輸出級中間級輸入級§5.3.1偏置電路作用：向各級放大電路提供合適的偏置電流，確定各級靜態工作點。一、鏡像電流源1.電路組成：對稱（三極管的工藝、結構和參數都一致）+VCCIREFIRIC1C22IBIB2IB12.基準電流：VTVT+12UBE2UBE1- UV= I REF=I R CCBE 1R§5.3.1偏置電路- 2 IC 2= I= I- 2I= I3. 電路對稱： IbC 2C1REFBREF12b

7、+ 2= I= I(1-I)4. 鏡像電流：C 2REF1+ 2REFb >>2 II+VCCC2REFIREF2IBRIC1IC2R值確定后，I就確定，REFI也隨之確定。IIC2B2B1VTVT+UBE1+125. 特點：三極管集電極電流是UBE2電流源電路的鏡像（電流相等）適用于較大工作電流的場合（mA級)§5.3.1二、比例電流源在鏡像電流源電路的基礎上，增加兩個發射極電阻， 使兩個發射極電阻中的電流成一定的比例關系，即可構成比例電流源。偏置電路+VCCIREFRIC22IBIC1IIB2B1VTVT+ UBE1+12UBE2Re2UBE1 + IE1 ×

8、; Re1 = UBE2+ IE 2 × Re2Re1UBE1UBE2IE1Re1IE2Re2Re1IC 2Re1»II»忽略基極電流有：C 2REFRIRe2C1e2§5.3.1三、微電流源通過接入Re 電阻得到一個比基準電流小許多倍的微電流源，適用于微功耗的集成電路中。偏置電路引入Re后將使UBE2<UBE1,可得+VCCIREFUBE1-UBE2=IE2ReIC2ReIRC22IBDUIC1VT1»IC 2 BEReVT21. 電源電壓波動對工作電流IC2的影響不大。2. 提高了恒流源對溫度變化的穩定性。Re§5.3.1偏

9、置電路與鏡像電流源比較，微電流源的特點：1. 提高了恒流源對電源變化的穩定性。2. 提高了恒流源對溫度變化的穩定性。3. 由于引入了電流負反饋，微電流源的輸出電阻比T2本身的輸出電阻（rce)要高得多。§5.3.2差分放大輸入級直接耦合放大電路的零點漂移現象：零點漂移：直接耦合放大電路的輸入端短路（ui=0）時，輸出電壓卻不為零，這種現象 稱零點漂移（或溫度漂移）。：主要是三極管的溫度漂移。基本形式長尾式 恒流源式電路形式克服零點漂移的主要方法是采用差分放大電路。§5.3.2差分放大輸入級一、基本形式差分放大電路1. 電路組成：由對稱的兩個基本放大電路組成，對稱的含義是兩個

10、三極管的特性一致，電路參數對 應相等。+VCCb =b =b12Rc2Rc1UBE1=UBE2= UBErbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBORRb2+ uob1R1VT2VT1+u1 uId2Id+1R=R= RuId2C1C2CR2Rb1=Rb2= RbR1=R2§5.3.2差分放大輸入級根據規定的正方向，在一個輸入2.差分放大電路的端號反之，如果所得到的輸出所差分放大電路一般得則 信號的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。同相輸入端反相輸入端信號的輸入方式：若信號同時加到同相輸入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；若信號僅從一個輸入端對地加入，稱為入。

11、差分放大電路可以有兩個輸出端，一個是集電極C1，另一個是集電極C2。從C1 和C2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或C2 對地輸出稱為出。§5.3.2差分放大輸入級3.差模信號和共模信號差模信號共模信號是指在兩個輸入端加上幅度的溫度對三極管電流的影響相當于加入了共模信號。差分放大電路僅對差模信號具有放大能力，對共模信 號抑制。輸相等，極性相反的信號。信號。§5.3.2差分放大輸入級4.差分放大電路的工作原理對共模信號有抑制作用：電源電壓波動、外界干擾、溫度變化引起的電路內部電流及電位的變化， 均可認為是共模信號。+VCC輸入信號為零時:i=iu=uRRb2C1C2O1O2+

12、 uoVT1b1uo=uo1uo2=0溫度變化引起：R1VT2+u1 uId2Id+1uId2R2共模電壓放大倍數D uoA= 0o2+ uo2)=0ucD uIcRc1Rc2§5.3.2差分放大輸入級對差模信號有放大作用：差模信號（有用的信號）輸入時，+VCCRc2Rc1由于輸入端信號大RRb2+ uob1小相等，方向相反，R1VT因此，若iC1 ,則VT12+1+uIduId2i。+1 uC2IdR22uO=(uO1+uO1) (uO2 uO2)=2uO1§5.3.2差分放大輸入級+VCC求差模電壓放大倍數：= uoRc2Au =uuRc1oo1o2udRuRb2+ u

13、ob1iu = 1 u+ 1 u 2R1= uVTiIdIdIdVT122+1 uIdu2兩邊電路參數對稱Id+1uId2R2A=A則有：u1u2u= A× 1 u= 1 A× uo1u1Idu1Id22u =uu=Au=Auoo1o2u1Idu2Id11= Au 2 × (- 2 uId ) = - 2 Au 2uIduo 2= uo= Au1ui= AAudu1uuii§5.3.2差分放大輸入級5. 共模抑制比CMRR (Common Mode Rejection Ratio）Aud= 20 lg Aud或=KKCMRACMRAucucAudAu1=

14、 ¥K基本差分放大電路： CMRA0uc共模抑制比越大說明電路對零漂的抑制能力越強。6.該電路存在的缺點:不易保持電路的對稱性，單管仍存在零點漂移，兩個三極管輸出端的溫漂不可能完全抵消。為了減 小每管的零漂，采用長尾式電路。§5.3.2差分放大輸入級二、長尾式差分放大電路1.電路組成：添加Re，似尾巴，稱長尾式差分放大+VCCRRcc電路。添加負電源VEE，去掉Rb。+ uoR1uIdVT1VT2+1+uId2+1 uReIdR22-VEE差模輸入雙端輸出§5.3.2Re和VEE的作用：靜態時：差分放大輸入級+VCCRRcc+ uoR1IRe=IE1+IE2=2I

15、EURe=IReRe=2IEReVTVT+1+uId12uId2+1uId2ReR=IE(2Re )2-VEERe越大，負反饋越顯著，抑制作用越強，但差¯¯T號o UE會使UBE,工作電流變小，電路不能正常工2作，因此應加VEE. VEE和Re提供基極偏置電流,不再需要Rb.§5.3.22.靜態分析由于電路完全對稱，因此兩管的靜態工作點相同。差分放大輸入級0 - IBQ1 × R1-UBEQ1- 2IEQ1Re= -VEEVEE -UBEQ1=IR + 2(1+ b )RBQ11» bIBQ1eICQ1UEQ=UBQUBEQUCQ1=VCCIC

16、QRCUBQ=IBQR1UCEQ=UCQUEQ=VCCICQRC+IBQR1+UBEQ§5.3.23. 動態分析分析一邊的單管電路即可，注意公共元件的處理。差分放大輸入級+VCCRRuocc+ DuRcRcR1o+VTRVTDuI2+1R2+DuI1LuId22u12Id+R1 uRRL中點為交流地電位， 2TR12ReIVdVT2每邊負載RL/2,Re對差模信號短路。-VEE§5.3.2差分放大輸入級差模電壓放大倍數:R / RLRcRcDu = Uod1co+2= -bADuI2ud1R + rRL 2RL 2DuUI1id1be1R / RLRRVTVT2= Uod

17、2c12= -bAud 2R + rUid 2be 2= Uod1 -Uod 2= 2Uod1= A= AA單管放大倍數udud1ud 2-UU2Uid1id 2id12） 差模輸入電阻：Rid=2(R+rbe)3） 差模輸出電阻：Ro=2Rc單管的2倍單管的2倍§5.3.2差分放大輸入級VCCRcuI2uI1RWRRVT1VT2ReVEE+uoRcRL§5.3.2差分放大輸入級三、恒流源式差分放大電路Re越大，抑制零點漂移的效果越好。但Re過大，會導致：若VEE一定，則IEIB,非線性失真大若IE一定，VEE要大大增大。并且在集成電路中制作大電阻較。因此，用恒流源代替Re

18、，既能起到大電阻的作用，又不需很高的負電源電壓。§5.3.2差分放大輸入級三、恒流源式差分放大電路用三極管代替“長尾式”電路的長尾電阻，即流源式差分放大電路恒1. 電路組成+VCCRcRcVT3：恒流管+uouuI2Rb2I1作用：能使 i、C1RRVT1VT2iC2基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號的變化。VT3Rb1ReVEE§5.3.2靜態分析差分放大輸入級2.當忽略 VT3 的基極電流時，Rb1 上的電壓為Rb 1=+ VU(V)Rb 1CCEE+ RRb 1b 2UR- U+VCCBEQ3ICQ3 » IEQ3= b1ReRRcc+uo1uI1

19、uRICQ1 = ICQ2 » 2 ICQ3I2b2RRICQ1VT1VT2IBQ1 = IBQ2»bVT31UCQ1 = UCQ2= VCC- ICQ1 RCRb1ReVEEUBQ1 = UBQ2= -IBQ1 R§5.3.2動態分析由于恒流三極管相當于一個阻值很大的長尾電阻，它差分放大輸入級3.的作用也是引入一個共模負反饋，對差模電壓放大倍數沒有影響，所以與長尾式交流通路相同。差模電壓放大倍數為b ( R/ RL) uOC2A = -d u- uR + rI1I 2be差模輸入電阻為= 2( R + rbe )Rid差模輸出電阻為Ro = 2Rc§5

20、.3.2差分放大輸入級四、差分放大電路的輸入、輸出接法雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、出；四種不同的接法入、雙端輸出；入、出。1. 雙端輸入、雙端輸出+VCCb (R/ RLRcRc)+ uoC2A = -udI2R + rVTVT12be+uIRRR= 2(R + r)idbeIRRo = 2RcVEE§5.3.22. 雙端輸入、差分放大輸入級出uO 約為雙端輸出的一半，即= - 1 b ( RC / RL )AdR + r2be+VCCRcRc+uuoI2o+uRR= 2(R + rbe )VT1VT2RidIIRR = RocVEE若由 VT2 集電極輸出， uO 為“正”。&#

21、167;5.3.2入、雙端輸出入當共模負反饋足夠差分放大輸入級3.+VCCRcRc+uoVT2VT112+uIR強時RuE =uI= u - u» 1 uI uBE1IEI2VEE= 0 - u» - 1 u uBE2EI2三極管仍然基本工作在差分狀態，所以b ( R / RL )CR + r2A = -R= 2( R +r= 2R)Ridbedocbe§5.3.2入、差分放大輸入級4.出+VCC= - 1 b ( RCRcRc/ RL )A+uR + rbed2o+uIR若改從 VT2 集電極RVTVT21輸出，則I= 1 b ( RC / RL )AVR +

22、rEEd2be» 2( R + rbe )RidRo = Rc這種接法比一般的單管放大電路具有較強的抑制零漂的能力。§5.3.2差分放大輸入級結論(1)雙端輸出時，Ad與單管Au 基本相同；出時，Ad 約為雙端輸出時的一半。雙端輸出時，Ro = 2Rc；出時， Ro = Rc 。雙端輸出時，理想情況下，KCMR ¥(2)；出時，共模抑制比不如雙端輸出高。(3)出時，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。(4)入時，由于引入很強的共模負反饋，兩個管子仍基本工作在差分狀態。入時， Rid » 2(R + rbe)。(5)§5

23、.3.3中間級中間級的主要任務：提供足夠大的電壓放大倍數。集成的中間級經常利用三極管作為有源負載，并且常常采用復合管的結構形式。一、有源負載：利用有源負載代替負載電阻Rc，可獲得較高的電壓放大倍數。§5.3.3中間級一、有源負載基準電流+VCCVT3VT2I = VCC - UBE3+uORIR+uIVT1§5.3.3中間級有源負載的差分放大電路+VCC放大電路采用差分輸入、出；VTVT34ioic4ic2ic3ic1I工作電流由恒流源決定；+輸出電流Dio = Dic4 - Dic2 = 2Dic4I VEE該電路有相當于雙端輸出時的 Dio，在集成中的應用十分廣泛。VT1VT2uI&#