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第六章集成运算放大电路1本讲稿第一页，共五十八页第六章第六章 集成运算放大电路集成运算放大电路主要内容：主要内容：6-1 6-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 6-2 6-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 6-3 6-3差分放大电路差分放大电路 6-4 6-4集成电路运算放大器集成电路运算放大器 本讲稿第二页，共五十八页6-16-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路：集成电路：采用专门的制造工艺，将元、器件及连线组成的完采用专门的制造工艺，将元、器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路 问世最早，应用最广泛。问世最早，应用最广泛。最初多用于各种模拟信号的运算最初多用于各种模拟信号的运算 故称：故称：集成运算放大电路，简称集成运算放大电路，简称集成运放集成运放。本讲稿第三页，共五十八页6-16-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述一、集成运放的电路结构特点一、集成运放的电路结构特点1.1.直接耦合直接耦合 （硅片上不能做大电容）（硅片上不能做大电容）2.2.差动放大作输入级差动放大作输入级 （克服温漂）（克服温漂）3.3.采用电流源采用电流源 （偏置（偏置提供稳定的电流提供稳定的电流 ；有源负载代替大电阻）；有源负载代替大电阻）4.4.采用复合管采用复合管 （不同类型管性能差异大）（不同类型管性能差异大）本讲稿第四页，共五十八页6-16-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述二、集成运放电路的组成及其作用二、集成运放电路的组成及其作用各部分的作用：各部分的作用：1.1.输入级：输入级：K KCMRCMR，R Ri i，I IQ Q，一般采用差动放大。一般采用差动放大。2.2.中间级：中间级：A Au u，多采用有源负载的，多采用有源负载的 共射复合管放大。共射复合管放大。3.3.输出级：输出级：U UOMOM，R RO O，多采用，多采用 互补对称输出电路。互补对称输出电路。4.4.偏置电路：提供各级偏置电路：提供各级Q Q点，点，采用电流源电路。采用电流源电路。组成：组成：本讲稿第五页，共五十八页6-16-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性符号：符号：电压传输特性：电压传输特性：本讲稿第六页，共五十八页6-16-1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性线性区：线性区：AodAod差模开环放大倍数差模开环放大倍数非线性区：非线性区：本讲稿第七页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路一、电流源电路的特点：一、电流源电路的特点：这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。这是输出电流恒定的电路。它具有很高的输出电阻。1 1、BJTBJT、FETFET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特 性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3 3、电流源电路一般都加有电流负反馈。、电流源电路一般都加有电流负反馈。4 4、电流源电路一般都利用、电流源电路一般都利用PNPN结的温度特性，对电流源电路进结的温度特性，对电流源电路进 行温度补偿，以减小温度对电流的影响。行温度补偿，以减小温度对电流的影响。(一一)电电 流流 源源 概概 述述本讲稿第八页，共五十八页 2 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。二、电流源电路的用途：二、电流源电路的用途：1 1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得 极其稳定的极其稳定的Q Q点。点。3 3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。4 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。、电流源还可单独制成稳流电源使用。6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路本讲稿第九页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路一、基本电流源电路一、基本电流源电路T T1 1、T T0 0特性完全相同特性完全相同由于：由于：T T1 1、T T0 0基基-射回路对称射回路对称所以：所以：I IB1B1=I=IB0B0=I=IB B I IC1C1=I=IC0C0=I=IC C温度特性好温度特性好(二二)集成电路电流源集成电路电流源1.1.镜像镜像电流源电流源本讲稿第十页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路问题：若问题：若I IC1C1R温度补偿作用：温度补偿作用：温度温度IIC1C1 I IC1 C1 I ICOCOIIR RUUR RUUB BIIB B1.1.镜像镜像电流源电流源本讲稿第十一页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路由电路：由电路：又：又：所以：所以：得：得：得：得：在一定条件下在一定条件下2.2.比例比例电流源电流源本讲稿第十二页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路由上电路因为Re0=0其中3.3.微微电流源电流源本讲稿第十三页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路二、改进型二、改进型电流源电路电流源电路R Re2e2的作用：增大的作用：增大I IE2E2，提高，提高。1.1.加射级输出器的加射级输出器的电流源电流源本讲稿第十四页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路工作点稳定，输出电阻大。工作点稳定，输出电阻大。二、改进型二、改进型电流源电路电流源电路2.2.威尔逊威尔逊电流源电流源本讲稿第十五页，共五十八页6-26-2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路三、多路三、多路电流源电路电流源电路本讲稿第十六页，共五十八页6-36-3差分放大电路差分放大电路6.3.1 6.3.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理6.3.2.6.3.2.差分放大电路的输入输出形式差分放大电路的输入输出形式6.3.3 6.3.3 具有恒流源差分放大电路具有恒流源差分放大电路本讲稿第十七页，共五十八页6.3.1 6.3.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理 (Differential Amplifier)电路组成及抑制零漂的工作原理电路组成及抑制零漂的工作原理1 1、电路组成、电路组成 特点：特点：a.a.两只完全相同的管子；两只完全相同的管子；b.b.两个输入端，两个输入端，两个输出端；两个输出端；c.c.元件参数对称；元件参数对称；6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第十八页，共五十八页2 2、抑制零漂的工作原理、抑制零漂的工作原理 原理：原理：静态时，输入信号为零，即将输入端静态时，输入信号为零，即将输入端和和短接。由短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流管的集电极电流I ICQ1CQ1和和I ICQ2CQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位极电位U UCQ1CQ1、U UCQ2CQ2始终相等，从而使始终相等，从而使U UOQOQ=U=UCQ1CQ1-U-UCQ2CQ200，因此消除了零点，因此消除了零点漂移。漂移。具体实践：具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。精度满足要求。结论：结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。制到很小。6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第十九页，共五十八页3 3、信号的输入方式和电路的响应、信号的输入方式和电路的响应若若U Ui1i1的瞬时极性与参考极性的瞬时极性与参考极性一致，则一致，则U Ui2i2的瞬时极性与参考的瞬时极性与参考极性相反。则有：极性相反。则有：u ui1i1iib1b1 i ic1 c1 u uc1c1u ui2i2 i ib2b2 i ic2 c2 u uc2c2 输出电压输出电压u uO O=u=uC1 C1 u uC2C200，而是出现了，而是出现了信号，记为信号，记为U Uodod。定义：定义：A Ad d=U=Uodod/2U/2UididU Ui1i1=U=Uidid，U Ui2i2=-U=-Uidid差模输入信号为差模输入信号为U Ui1 i1 U Ui2i2=2=2 U Uidid差模输入方式差模输入方式（1 1）差模输入方式）差模输入方式6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十页，共五十八页结论：差模电压放大倍数等于半结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。电路电压放大倍数。6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十一页，共五十八页U Ui1i1=U=Ui2i2=U=Uicic在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。变化完全相同。u ui1i1=u=ui2i2=0=0，u uo o=0=0U Ui1i1=U=Ui2i2=U=Uicic时，时，U Uococ=0=0。定义：定义：Ac=UAc=Uococ/U/Uicic（2 2）共模输入方式）共模输入方式共模输入方式下的差放电路共模输入方式下的差放电路6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十二页，共五十八页AcAc叫做共模电压放大倍数。理论上讲，叫做共模电压放大倍数。理论上讲，AcAc为为0 0，实际上，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的由于电路不完全对称，可能仍会有不大的U Uococ，一般，一般AcAc1 1。既然既然U UOCOC=0=0或者或者U UOCOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在UicUic作用作用下，下，Uoc=0Uoc=0或或Ac=0Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。而引起的零漂。6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十三页，共五十八页（3 3）任意输入方式）任意输入方式 输入端分别接输入端分别接U Ui1i1和和U Ui2i2，这种输入方式带有一般性，叫，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式任意输入方式”。任意输入方式任意输入方式6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十四页，共五十八页 Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若若则则Uid=(Ui1-Ui2)/2例如：例如：Ui1=10mVUi2=6mV则则 Uid=2mV Uic=8mV利用叠加原理得到：利用叠加原理得到：Uo=Ad2Uid+AcUic=Ad（Ui1-Ui2）结论：在任意输结论：在任意输入方式下，被放入方式下，被放大的是输入信号大的是输入信号Ui1Ui1和和Ui2Ui2的差值。的差值。这也是这种电路这也是这种电路为什么叫做为什么叫做“差差动放大的原因动放大的原因”。6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十五页，共五十八页（4 4）存在的问题及改进的方案）存在的问题及改进的方案以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种抑制能力，而这种“单端输出单端输出”方式的形式又是经常采用的。方式的形式又是经常采用的。稳定静态工作点，就是要减小稳定静态工作点，就是要减小I ICQCQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小的变化，而抑制零点漂移也同样是减小I ICQCQ的变化。即的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如下图所示。如下图所示。6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十六页，共五十八页6.3.2.6.3.2.差分放大电路的输入输出形式差分放大电路的输入输出形式差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:1.1.双端输入、双端输出（双入双出）双端输入、双端输出（双入双出）2.2.双端输入、单端输出（双入单出）双端输入、单端输出（双入单出）3.3.单端输入、双端输出（单入双出）单端输入、双端输出（单入双出）4.4.单端输入、单端输出（单入单出）单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十七页，共五十八页1.1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2 2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数（3 3）差模输入电阻）差模输入电阻（4 4）输出电阻）输出电阻6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十八页，共五十八页2.2.双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用于将这种方式适用于将差分信号转换为单端输出差分信号转换为单端输出的信号。的信号。(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 （2 2）差模输入电阻）差模输入电阻（3 3）输出电阻）输出电阻6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第二十九页，共五十八页（4 4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数共模等效电路：共模等效电路：6-36-3差分放大电路差分放大电路本讲稿第三十页，共五十八页 3.3.单端输入双端输出单端输入双端输出 单端输入等效双端输入单端输入等效双端输入:因为右侧的因为右侧的R Rb b+r rbebe归算到发射极回路的归算到发射极回路的值值(R Rs s+r rbebe)/(1+)/(1+)u u时，时，u uo o=U Uomaxomaxu u+80 dB 80 dB6-46-4集成电路运算放大器集成电路运算放大器本讲稿第五十四页，共五十八页7)7)最大差模输入电压最大差模输入电压 U UIdMIdM共模输入共模输入 U U IC IC 过大，过大，K K CMRCMR下降下降当当 U UIdId 过大时，反偏的过大时，反偏的 PN PN 结可能因反压过大而被击穿。结可能因反压过大而被击穿。NPN NPN 管管 U UIdM IdM=5 V5 V横向横向 PNP PNP 管管 U UIdM IdM=30 V30 VCFCF741 741 为为 30 V30 V8)8)最大共模输入电压最大共模输入电压 U UICMICM9)9)最大输出电压幅度最大输出电压幅度 U UOPPOPP输出级为输出级为 OCL OCL 电路电路一般比电源电压小一个一般比电源电压小一个 U UCE(sat)CE(sat)如电源电压如电源电压 15 V 15 V，U U OPP OPP 为为 13 13 14 V 14 VCFCF741 741 为为 1 13 V3 V6-46-4集成电路运算放大器集成电路运算放大器本讲稿第五十五页，共五十八页二、集成运放使用注意事项二、集成运放使用注意事项(一一)集成运放的封装和引脚排列集成运放的封装和引脚排列封装形式封装形式:金属圆形、双列直插式、扁平式金属圆形、双列直插式、扁平式封装材料封装材料:陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料例例:塑封双列直插式塑封双列直插式(DIP)CF741(DIP)CF741DIPDual In-Line PakageDIPDual In-Line Pakage6-46-4集成电路运算放大器集成电路运算放大器本讲稿第五十六页，共五十八页(二二)集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项1.1.查阅手册了解引脚的排列及功能；查阅手册了解引脚的排列及功能；2.2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电 源短路；源短路；3.3.输入信号应远小于输入信号应远小于 U UIdM IdM 和和 U UICMICM，以防阻塞或损，以防阻塞或损 坏器件；坏器件；4.4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；5.5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。放大需调零。6-46-4集成电路运算放大器集成电路运算放大器本讲稿第五十七页，共五十八页本章作业：P270 6.2.2 P270 6.2.3第六章第六章 集成运算放大电路集成运算放大电路本讲稿第五十八页，共五十八页