第六章集成放大电路精选文档.ppt

第六章集成放大电路1本讲稿第一页，共一百零二页6.1 6.1 概述概述 集成电路是集成电路是2020世纪世纪6060年代初发展起来的一种新型器件，年代初发展起来的一种新型器件，它把整个电路中的各个元器件以及元器件之间连接，采用半它把整个电路中的各个元器件以及元器件之间连接，采用半导体集成工艺同时制作在一块半导体芯片上，封装并引出管导体集成工艺同时制作在一块半导体芯片上，封装并引出管脚，做成具有特定功能的集成电子线路。脚，做成具有特定功能的集成电子线路。优点优点：可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、使：可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、使用方便等。用方便等。什么是集成电路什么是集成电路?本讲稿第二页，共一百零二页集成电路的分类集成电路的分类模拟集成电路模拟集成电路 分类分类 在众多的模拟集成电路中，在众多的模拟集成电路中，集成运算放大器集成运算放大器应用极为广泛应用极为广泛.集成运集成运算放大器算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器，具有实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器，具有输入输入电阻大电阻大、输出电阻小输出电阻小的特点。的特点。数字集成电路数字集成电路对连续变化的模拟信对连续变化的模拟信号进行处理的集成电号进行处理的集成电路。路。集成运算放大器集成运算放大器集成功率放大器集成功率放大器集成稳压器集成稳压器模拟乘法器模拟乘法器对不连续的对不连续的0 0-低电低电平平,1 1-高电平高电平,跃进的跃进的信号进行处理的集成信号进行处理的集成电路。电路。本讲稿第三页，共一百零二页6.1 6.1 概述概述o6.1.1 6.1.1 集成运算放大器电路设计上的特点集成运算放大器电路设计上的特点o6.1.2 6.1.2 集成运算放大器的基本结构集成运算放大器的基本结构本讲稿第四页，共一百零二页6.1.16.1.1集成运放的特点集成运放的特点1 1、电路与元件参数具有对称性、电路与元件参数具有对称性2 2、采用有源电阻代替无源电阻、采用有源电阻代替无源电阻3 3、采用直接耦合的形式、采用直接耦合的形式4 4、利用二极管进行温度补偿、利用二极管进行温度补偿5 5、采用复合管的结构、采用复合管的结构本讲稿第五页，共一百零二页6.1.2 6.1.2 集成运放的基本结构集成运放的基本结构差动输入级差动输入级中间放大级中间放大级输出级输出级偏置电路偏置电路输入级输入级输入级输入级：由可以抑制零点漂移的：由可以抑制零点漂移的：由可以抑制零点漂移的：由可以抑制零点漂移的差动放大器差动放大器差动放大器差动放大器组成组成组成组成中间级中间级中间级中间级：采：采：采：采用用用用用用共射电路共射电路共射电路共射电路可获较大的可获较大的可获较大的可获较大的 输出级输出级输出级输出级：射极跟随器射极跟随器射极跟随器射极跟随器，增加带负载能力，增加带负载能力，增加带负载能力，增加带负载能力偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路：供给各级电路合理的偏置电流：供给各级电路合理的偏置电流：供给各级电路合理的偏置电流：供给各级电路合理的偏置电流(差动放大器差动放大器)(共射电路共射电路)(射极跟随器射极跟随器)本讲稿第六页，共一百零二页6.2 6.2 差动放大电路差动放大电路差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差动放大电路的特点是只有两个输入的信号有差值差值 时，才能进行时，才能进行放大，即放大，即 称为差模电压放大倍数称为差模电压放大倍数差动差动放大电路放大电路本讲稿第七页，共一百零二页6.2 6.2 差动放大电路差动放大电路o6.2.1 6.2.1 为什么选用为什么选用“差动差动”的电路形式的电路形式o6.2.2 6.2.2 基本差动放大电路的分析基本差动放大电路的分析o6.2.3 6.2.3 差动放大电路的输入、输出形式差动放大电路的输入、输出形式o6.2.4 6.2.4 差动放大电路的改进形式差动放大电路的改进形式本讲稿第八页，共一百零二页6.2.16.2.1为什么选用为什么选用“差动差动”的电路形式的电路形式?1 1、集成电路级与级之间采用直接耦合，而直接耦合电路必、集成电路级与级之间采用直接耦合，而直接耦合电路必然会产生然会产生“零点漂移零点漂移”。零点漂移零点漂移：当输入信号为：当输入信号为0 0，由于电源波动、温度变化，由于电源波动、温度变化等原因，使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起等原因，使工作点发生变化，使放大器输出电压偏离起始点做上下漂动，成为零点漂移。始点做上下漂动，成为零点漂移。如图中，当如图中，当 时，由于某种原因使时，由于某种原因使 ，设，设 ，则，则 这这种缓慢变化的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。种缓慢变化的信号将淹没有用的信号，这是不允许的。2 2、为了有效抑制零漂，输入级必须采用、为了有效抑制零漂，输入级必须采用差动放大器差动放大器。本讲稿第九页，共一百零二页6.2.2 6.2.2 差动放大电路的分析差动放大电路的分析基本差动放大电路构成原理基本差动放大电路构成原理 要想实现要想实现“有差能动有差能动”电路如图所示，电路最大特点是电路如图所示，电路最大特点是电路完电路完全对称全对称，其中，其中V1V1、V2V2 两管特性相同，元件参数之值相等。有两个输入两管特性相同，元件参数之值相等。有两个输入端称端称双入双入，两个输出端称，两个输出端称双出双出。当两个输入信号相同时，由于电路对。当两个输入信号相同时，由于电路对称性，两管集电极电位相同，所以称性，两管集电极电位相同，所以u u0 0=0=0本讲稿第十页，共一百零二页6.2.2 6.2.2 差动放大电路的分析差动放大电路的分析抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理：当温度变化时，对两管的影响是一致的，相当给两管当温度变化时，对两管的影响是一致的，相当给两管电路同时加入大小相等、极性相同的输入信号，因此，当电路特性完全对称电路同时加入大小相等、极性相同的输入信号，因此，当电路特性完全对称的情况下，两管的集电极电位始终相同，的情况下，两管的集电极电位始终相同，不会出现普通直不会出现普通直接耦合放大器那样的漂移电压，这就是为什么差动放大电路能够抑制零点漂接耦合放大器那样的漂移电压，这就是为什么差动放大电路能够抑制零点漂移的原因。移的原因。本讲稿第十一页，共一百零二页典型基本差动放大电路典型基本差动放大电路仅靠电路的仅靠电路的对称性对称性来来抑制抑制“零漂零漂”是有限度是有限度的，对两个单管的，对两个单管本身集本身集电极电极电位的漂移并未电位的漂移并未加限制，所以实用电路加限制，所以实用电路加加RE 和和-UEE本讲稿第十二页，共一百零二页1 1、静态分析、静态分析 (ui1=ui2=0)图图6-5 6-5 典型基本差动放大电路典型基本差动放大电路 直流通路(对地的电位对地的电位)本讲稿第十三页，共一百零二页两个输入信号大小相等、极性相反两个输入信号大小相等、极性相反,即即ui1=-ui2，称差模输入，称差模输入.如如ui1为为正、正、ui2为负为负所以，差动放大电路输入差模信号时的输出电压是两管各自输出电压变化所以，差动放大电路输入差模信号时的输出电压是两管各自输出电压变化量的量的两倍两倍2 2、差模差模信号输入信号输入本讲稿第十四页，共一百零二页3 3、共模共模信号输入信号输入两个输入信号大小相等、极性两个输入信号大小相等、极性相同，即相同，即ui1=ui2，这时这时uo=uc1-uc2=0。差动放大电路对。差动放大电路对共模信号的抑制能力很强。共模信号的抑制能力很强。温温度变化对差动放大电路来说相当度变化对差动放大电路来说相当于一对共模信号。所以差动放大于一对共模信号。所以差动放大电路对其零点漂移的抑制就是对电路对其零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一种特例。共模信号抑制的一种特例。本讲稿第十五页，共一百零二页4 4、任意任意信号输入信号输入在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和极在实际应用中，加给差动放大电路输入信号的大小和极性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共模性往往是任意的，既不是一对差模信号，也不是一对共模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分解信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分解为差模信号为差模信号 和共模信号和共模信号 两部分分别定义差模信两部分分别定义差模信号和共模信号为号和共模信号为：差模信号:共模信号:本讲稿第十六页，共一百零二页4 4、任意信号输入、任意信号输入差模信号加到电路上差模信号加到电路上,两管两管 V1 和和 V2 的基极获得差模信号为的基极获得差模信号为:共模信号加到电路上共模信号加到电路上,两管两管 V1 和和 V2 的基极获得共模信号为的基极获得共模信号为:ui1=ui2=uic本讲稿第十七页，共一百零二页4 4、任意信号输入、任意信号输入例例:则则 本讲稿第十八页，共一百零二页当差模输入信号和共模输入信号都存在的当差模输入信号和共模输入信号都存在的情况下，根据叠加原理可以得出任意输入信号情况下，根据叠加原理可以得出任意输入信号下总的输出电压，即下总的输出电压，即 越大，电路差模放大能力越强越大，电路差模放大能力越强 越小，电路抑制共模信号的能力越强越小，电路抑制共模信号的能力越强本讲稿第十九页，共一百零二页5 5、差模特性动态分析、差模特性动态分析图图6-7 差差模模输输入入时时基基本本差差动动放放大大电路的交流通路电路的交流通路图为差模输入时图图为差模输入时图6-7所示所示双入双出双入双出差动放大电路的差动放大电路的交流通路交流通路。ui1=-ui2 Ie1、Ie2大小相等，方向相反这两个大小相等，方向相反这两个交流电流交流电流之和为之和为0,因此在因此在Re 上产生交流电压降为上产生交流电压降为0。所以把。所以把 Re 视为交流短路视为交流短路本讲稿第二十页，共一百零二页可见：差动放大电路双端输出可见：差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍数和单边时的差模电压放大倍数和单边电路的电压放大倍数相同，差电路的电压放大倍数相同，差动放大电路为了实现同样的电动放大电路为了实现同样的电压放大倍数，必须用二倍于单压放大倍数，必须用二倍于单边电路的元器件数，边电路的元器件数，但是换来但是换来了对零点漂移的抑制了对零点漂移的抑制。稳定性优先原则稳定性优先原则(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数AudA.A.无负载无负载:本讲稿第二十一页，共一百零二页B.带有负载电阻带有负载电阻RL:由于电路对称，由于电路对称，RL 中中点始终为零电位点始终为零电位(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud中点零电位本讲稿第二十二页，共一百零二页(2)差模输入电阻差模输入电阻rid双入双出差动放大电路的交流通路双入双出差动放大电路的交流通路本讲稿第二十三页，共一百零二页(3)差模输出电阻差模输出电阻rod双入双出差动放大电路的交流通路双入双出差动放大电路的交流通路本讲稿第二十四页，共一百零二页6 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析共模信号输入共模信号输入时交流通路时交流通路(1)共模信号输入时交流通路共模信号输入时交流通路如如图图ui1=ui2=uicie1和和ie2大小相等，方向相同大小相等，方向相同 ie=2ie1本讲稿第二十五页，共一百零二页6 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析温温度度(2)Re对对差模差模信号不起负信号不起负反馈作用反馈作用,Re对对共模共模信号信号起强烈的负反馈起强烈的负反馈.Re越大负越大负反馈越强，抑制漂移越好反馈越强，抑制漂移越好本讲稿第二十六页，共一百零二页6 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(3)Re 过大，当电源电压一过大，当电源电压一定时，使三极管静定时，使三极管静 态电流变态电流变小，影响静态工作点及电压小，影响静态工作点及电压放大倍数，为此，加放大倍数，为此，加-UEE 来来抵消抵消Re 上的压降获得合适的静上的压降获得合适的静态工作点。还可以考虑用恒流源态工作点。还可以考虑用恒流源来替代来替代 Re，恒流源的动态电阻更，恒流源的动态电阻更大，得到更好的负反馈效果。大，得到更好的负反馈效果。本讲稿第二十七页，共一百零二页6 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(4)共模电压放大倍数共模电压放大倍数Auc(理想理想)本讲稿第二十八页，共一百零二页6 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(5)共模抑制比共模抑制比 越大，越大，越小，越小，越大，差动放大电路的性能越大，差动放大电路的性能越好。理想情况下，越好。理想情况下，为为 。实际上是一个很大的数值，为了方便，用分贝（实际上是一个很大的数值，为了方便，用分贝（dB）形）形式表示式表示 。（3-12）（3-13）本讲稿第二十九页，共一百零二页6.2.3 6.2.3 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式1、单端输入、单端输入 单端输入可以看成双端输入的一种特例。即单端输入可以看成双端输入的一种特例。即ui1=ui,ui2=0可可以有如图所示以有如图所示 对输入方式来说，单入和双入并没有本质区别对输入方式来说，单入和双入并没有本质区别差模信号共模信号本讲稿第三十页，共一百零二页差动放大电路的两种单端输出形式差动放大电路的两种单端输出形式:（a）反相输出形式反相输出形式2 2、单端输出、单端输出（b b）同相输出形式同相输出形式本讲稿第三十一页，共一百零二页2 2、单端输出、单端输出(1(1）单端输出时的）单端输出时的(2(2）单端输出时的）单端输出时的差模信号共模信号本讲稿第三十二页，共一百零二页2 2、单端输出、单端输出(3)单端输出单端输出KCMRR(4）单端输出时的）单端输出时的ro 仅从一管的集电极输出仅从一管的集电极输出 rod=RC本讲稿第三十三页，共一百零二页 表表6-1 6-1 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式本讲稿第三十四页，共一百零二页 表表6-1 6-1 差动放大电路的输入输出形式差动放大电路的输入输出形式本讲稿第三十五页，共一百零二页6.2.4 6.2.4 差动放大电路的改进形式差动放大电路的改进形式1、带电流源的差动放大电路带电流源的差动放大电路 (1)为了得到为了得到Re大，又要使大，又要使 UEE不不致增加，用恒流源替代致增加，用恒流源替代Re (2)因为当因为当 IB 一定时，工作于放一定时，工作于放大区的大区的 IC 的基本恒定。其交流电的基本恒定。其交流电阻阻较大，抑制零漂效果好，但较大，抑制零漂效果好，但V3的的UCE电压又不大（只要大于饱和压降）电压又不大（只要大于饱和压降），所以，所以 UEE 的电压不致增加。的电压不致增加。Rb31 和和Rb32构成分压式偏置电路。构成分压式偏置电路。(3)Rp为调零电位器，一般为几为调零电位器，一般为几十到几百欧姆之间。十到几百欧姆之间。本讲稿第三十六页，共一百零二页例（例（a）中双入双出的差动放大电路参数为：）中双入双出的差动放大电路参数为：1=2=3=50，UCC=UEE=9 V，Rc=4.7 k，Rb31=10 k，Rb32=3.3 k，Rb1=Rb2=1 k，Re=2 k，Rp=220且动端在中点，且动端在中点，三极管发射结导三极管发射结导通压降为通压降为0.7 V。求：求：（1）静态时的集电极电位静态时的集电极电位UC1；（2）差模电压放大倍数；差模电压放大倍数；（3）差模输入电阻和差模输出电阻差模输入电阻和差模输出电阻本讲稿第三十七页，共一百零二页2 2、共集共基复合差动放大电路、共集共基复合差动放大电路(1)共共集集共共基基复复合合差差动动放放大大电电路路如如图图所所示示。图图中中纵纵向向 NPN 管管 V1 和和 V2是是基基极极输输入入、射射极极输输出出，组组成成共共集集电电极极电电路路，可可以以提提高高输输入入阻阻抗抗。横横向向 PNP 管管 V3 和和 V4 则则组组成成射射极极输输入入、集集电电极极输输出出的的共共基基极极电电路路，有有利利于于提提高高输输入入级级的的电电压压放放大大倍倍数数、最最大大差差模模输输入入电电压压和和最最大大共共模模输输入入电电压压范范围围，同同时时可可以以改改善善频频率率响响应应。在在需需要要PNP管管输输入入级级与与提提高高输输入入电电阻时，可采用此种电路形式。阻时，可采用此种电路形式。本讲稿第三十八页，共一百零二页2 2、共集共基复合差动放大电路、共集共基复合差动放大电路(2)用复合管构成的差分放大电用复合管构成的差分放大电路路 电路中电路中V1和和V3、V2和和V4分分别构成了复合管的电路形式。别构成了复合管的电路形式。利用复合管可以获得很高的利用复合管可以获得很高的电流放大系数。电流放大系数。复合管差动放大电路本讲稿第三十九页，共一百零二页综上所述，综上所述，我们可以得到如下结论我们可以得到如下结论A A、差差动动放放大大电电路路具具有有放放大大差差模模信信号号、抑抑制制共共模模信信号号的的能能力力，因因此此，在在普普遍遍采采用用直直接接耦耦合合的的集集成成运运算算放放大大器器中中，广广泛泛采采用差动放大电路作为输入级，以起到抑制零点漂移的作用。用差动放大电路作为输入级，以起到抑制零点漂移的作用。B B、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大，但射极、差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大，但射极电阻越大，电阻越大，抑制共模的能力就越强，一般采用恒流源电抑制共模的能力就越强，一般采用恒流源电路来替代射极电阻，路来替代射极电阻，以获得较好的共模抑制能力。以获得较好的共模抑制能力。C C、差动放大电路共有两种输入形式和两种输出形式，可以组合成四种、差动放大电路共有两种输入形式和两种输出形式，可以组合成四种典型电路，典型电路，它们具有不同的特点，在实际应用中可根据需要选择它们具有不同的特点，在实际应用中可根据需要选择合适的电路形式。合适的电路形式。本讲稿第四十页，共一百零二页6.3 6.3 电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路o6.3.1 6.3.1 基本电流源电路基本电流源电路o6.3.2 6.3.2 其他电流源形式其他电流源形式o6.3.3 6.3.3 输出级电路输出级电路本讲稿第四十一页，共一百零二页6.3.1 6.3.1 基本电流源电路基本电流源电路1、镜像电流源、镜像电流源 (1)基本镜像电流源如图所示。基本镜像电流源如图所示。由于由于V1和和V2是特性完全相同的对管，并且是特性完全相同的对管，并且 二者的二者的发射发射结结偏置电压相同，偏置电压相同，因此可以认为两管的参数完全因此可以认为两管的参数完全相同，相同，IB1=IB2，IC1=IC2本讲稿第四十二页，共一百零二页(参考电流参考电流)1 1、镜像电流源、镜像电流源当当参参考考电电流流I IREFREF 确确定定后后，该该恒恒流流源源的的输出电流输出电流 也就确定了。当也就确定了。当足够大时足够大时由上式可以看出，当由上式可以看出，当 R R 确定后，确定后，I IREFREF 就确定了，输出电流就确定了，输出电流I Io o 也随之确定也随之确定。本讲稿第四十三页，共一百零二页(2)(2)若希望获得相反方向的输出电流，若希望获得相反方向的输出电流，可用可用PNPPNP管构成电流源，管构成电流源，如图所示。如图所示。1 1、镜像电流源、镜像电流源本讲稿第四十四页，共一百零二页1 1、镜像电流源、镜像电流源(3)(3)带缓冲级的镜像电流源带缓冲级的镜像电流源 对于基本镜像电流源来说，对于基本镜像电流源来说，只有在只有在值较大时，才能认为值较大时，才能认为I IO OIIREFREF，否则两个者差别否则两个者差别较大。较大。为了解决这一问题，为了解决这一问题，在电路在电路中加入中加入V V3 3。利用利用V V3 3的电流放的电流放大作用，大作用，减小了减小了I IB1B1 和和I IB2B2 对对I IR REFEF的分流作用，的分流作用，从而提从而提高了高了I IO O对对I IREFREF的镜像程度。可的镜像程度。可以证明以证明本讲稿第四十五页，共一百零二页 2 2、电流源作有源负载、电流源作有源负载（a a）PNP PNP电流源作电流源作NPNNPN管的有源负载管的有源负载;（b b）等效电路等效电路图图3-193-19（a a）中，）中，V2V2和和V3V3以及以及电阻电阻R R构成构成PNPPNP管镜像电流源，管镜像电流源，作为共发射极形式连接的放作为共发射极形式连接的放大管大管V1V1的集电极有源负载的集电极有源负载这里电流源起了两个作用，这里电流源起了两个作用，一是给放大管一是给放大管提供静态工作电流，提供静态工作电流，二是以电流源的交流二是以电流源的交流电阻电阻r ro o替代集电极负载电阻替代集电极负载电阻R Rc c的作用。由于的作用。由于r ro o很大，使每级的很大，使每级的A Au u电压放大倍数达到电压放大倍数达到10103 3以上以上本讲稿第四十六页，共一百零二页6.3.2 6.3.2 其他电流源形式其他电流源形式1 1、微电流源、微电流源 在在集集成成电电路路中中，有有时时需需要要A A级级的的小小电电 流流，如如果果利利用用镜镜像像电电流流源源实实现现，就就必必须须提提高高电电阻阻 R R 的阻值，这在集成电路中非常困难。的阻值，这在集成电路中非常困难。本讲稿第四十七页，共一百零二页6.3.2 6.3.2 其他电流源形式其他电流源形式1.1.微电流源微电流源 U UBE1BE1-U UBE2BE2=I IE2E2R Re2e2 所以所以 由于两个三极管发射结电压之差由于两个三极管发射结电压之差U UBEBE是一个较小的数值，因此是一个较小的数值，因此利用不大的利用不大的R Re2 e2 就可以获得较较就可以获得较较小的恒流输出，小的恒流输出，故称为微电流源故称为微电流源。微电流源微电流源 U UBE1BE1U UBE2BE2本讲稿第四十八页，共一百零二页2 2、比例电流源、比例电流源顾顾名名思思义义，比比例例电电流流源源就就是是输输出出电电流流与与参参考考电电流流成成一一特特定定的的比比例例关系的电流源，如图所示。关系的电流源，如图所示。UUBE1BE1+I IE1E1R Re1e1=U UBE2BE2+I IE2E2R Re2e2 且且 U UBE1BE1U UBE2BE2，I IR REFEFI IC1C1I IE1E1可得可得也就是说，改变也就是说，改变R Re1e1 与与 R Re2e2 就可以获就可以获得和得和 I IR REFEF 成不同比例的电流输出成不同比例的电流输出 。本讲稿第四十九页，共一百零二页例图图为为多多路路电电流流源源原原理理电电路路，说说明明三三级级管管V V5 5的的作作用用，并并写写出出I IO1O1、I IO2O2和和I IO3O3的表达式的表达式。本讲稿第五十页，共一百零二页6.3.3 6.3.3 输出级电路输出级电路集成运算放大电路的输出级应具有高输入集成运算放大电路的输出级应具有高输入电阻、电阻、低输出电阻的特性。一般采用互补对称低输出电阻的特性。一般采用互补对称形式的射极输出器来做输出级。形式的射极输出器来做输出级。本讲稿第五十一页，共一百零二页1 1、输出级电路、输出级电路(1)为了降低管耗，提高效率，采用图为了降低管耗，提高效率，采用图 3-23 所示互补对称输出电路所示互补对称输出电路(2)原理原理:静态时静态时:二管截止二管截止 静态损耗极小静态损耗极小 动态时动态时:正弦波正半周正弦波正半周:v1导通导通,v2截止截止,+Uccv1RL(正半周输出）正半周输出）正弦波负半周正弦波负半周:v1截止截止,v2导通导通,RLv2-Ucc(负半周输出）负半周输出）所以在所以在RL上得到一个完整的正弦波，但由于存在三极管都有上得到一个完整的正弦波，但由于存在三极管都有死区电压死区电压，输，输出波形存在交越失真出波形存在交越失真。导导通通导导通通截止截止截止截止互补对称输互补对称输出电路出电路本讲稿第五十二页，共一百零二页1 1、输出级电路、输出级电路(3)为了克服交越失真采为了克服交越失真采用图所示的电路用图所示的电路 利用两个二极管利用两个二极管VD1,VD2的的PN节压降使两个三级管节压降使两个三级管在在ui=0 时处于微通状态。时处于微通状态。这样，较小的这样，较小的 ui 也可以通也可以通过三级管输出到负载上，过三级管输出到负载上，从而消除了交越失真。从而消除了交越失真。本讲稿第五十三页，共一百零二页2 2、采用复合管的输出级结构、采用复合管的输出级结构(1)为什么要采用复合管？为什么要采用复合管？为为了了对对输输入入正正弦弦信信号号的的正正负负半半周周有有相相同同的的放放大大能能力力，要要求求互互补补的的NPN和和PNP三三极极管管的的参参数数尽尽可可能能对对称称。但但实实际际上上，小小功功率率管管还还比比较较容容易易做做到到，而而对对于于大大功功率率管管来来说说，就就相相当当困困难难了了。要要想想解解决决这这一一矛矛盾，盾，必须采用复合管的形式。必须采用复合管的形式。本讲稿第五十四页，共一百零二页2 2、采用复合管的输出级结构、采用复合管的输出级结构(2)复合管的组成复合管的组成 通常用一个中（小）功率管和一个大功率管复合而成。通常用一个中（小）功率管和一个大功率管复合而成。复合的规律复合的规律：即第一管子输出电流必须与第二管子即第一管子输出电流必须与第二管子输入电流方向一致。输入电流方向一致。本讲稿第五十五页，共一百零二页几种典型复合管复合形式几种典型复合管复合形式 （a）、(d)等效为NPN管;（b）、(c)等效为PNP管 本讲稿第五十六页，共一百零二页2 2、采用复合管的输出级结构、采用复合管的输出级结构(3)复合管的特点复合管的特点 A、复合管的管型与第一只管子、复合管的管型与第一只管子V1相同。相同。因为因为V1 的基极电流决定的基极电流决定了复合管的基极电流方向。了复合管的基极电流方向。IB 流入复合管为流入复合管为NPN，反之为，反之为PNP。B、复合管的、复合管的12。本讲稿第五十七页，共一百零二页(3)复合管的特点复合管的特点 C、如果、如果V1的发射极接的发射极接V2，则则V2相当于相当于V1的射极电阻，复合的射极电阻，复合管的输入电阻：管的输入电阻：rbe=rbe1+（1+1）rbe2 如果如果V1的集电极接的集电极接V2，此时的此时的V2相当于相当于V1的集电极电阻，的集电极电阻，复合管的输入电阻：复合管的输入电阻：rbe=rbe1本讲稿第五十八页，共一百零二页例以图（例以图（a）为例，）为例，证明复合管证明复合管的电流放大系数的电流放大系数约为约为V1、V2电流放大系数之电流放大系数之积，积，即即 12。证明证明:由图（由图（a）的电路结构可知）的电路结构可知 ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2=1ib1+2ie1=1ib1+2(1+1)ib1=(1+2+12)ib1所以所以 本讲稿第五十九页，共一百零二页6.4 MOS6.4 MOS继承运算放大器的主要单元继承运算放大器的主要单元o6.4.1 MOS6.4.1 MOS集成运放的主要特点集成运放的主要特点o6.4.2 MOS6.4.2 MOS集成运放中的基本单元电路集成运放中的基本单元电路本讲稿第六十页，共一百零二页6.4.1 MOS6.4.1 MOS集成运放的主要特点集成运放的主要特点 MOS集成运算放大器的组成和双极型集成运算放大器集成运算放大器的组成和双极型集成运算放大器相同，相同，各部分电路结构及作用也基本相似，各部分电路结构及作用也基本相似，只不过只不过MOS集成工艺主要适用于制造数字集成电路，集成工艺主要适用于制造数字集成电路，对于模拟集成对于模拟集成电路来说，电路来说，在性能上和双极型运放相比还有一定的差距。在性能上和双极型运放相比还有一定的差距。但由于但由于MOS集成运放具有制造工艺简单、集成运放具有制造工艺简单、集成度高、集成度高、功耗低以及温度特性好等优点，功耗低以及温度特性好等优点，随着集成制造工艺的随着集成制造工艺的发展，这些优势已经逐渐显现，发展，这些优势已经逐渐显现，特别在模拟和数字的特别在模拟和数字的混合系统中，混合系统中，MOS电路更加显示出它的优越性。电路更加显示出它的优越性。本讲稿第六十一页，共一百零二页MOSMOS集成运算放大器主要有集成运算放大器主要有NMOSNMOS和和CMOSCMOS两种类型。两种类型。NMOSNMOS集成运放全部由集成运放全部由N N沟道沟道MOSMOS管构成，管构成，具有工艺简单、具有工艺简单、集成度高的优点。集成度高的优点。CMOS CMOS集成运放是互补的集成运放是互补的MOSMOS电路，电路，由互补的由互补的NMOSNMOS管和管和PMOSPMOS管构成，管构成，这种这种CMOSCMOS制造工艺具制造工艺具有设计灵活、有设计灵活、低功耗等特点。低功耗等特点。本讲稿第六十二页，共一百零二页6.4.2 MOS6.4.2 MOS集成运放中的基本单元集成运放中的基本单元 MOS MOS继承运算放大器与由继承运算放大器与由差动输入级差动输入级，中间级别中间级别，输出输出级级和和偏置电路偏置电路几部分组成几部分组成本讲稿第六十三页，共一百零二页6.4.2 MOS6.4.2 MOS集成运放中的基本单元集成运放中的基本单元1 1、MOSMOS管差动输入级电管差动输入级电路路 采用采用MOSMOS管构成差动管构成差动放大电路，如图放大电路，如图3-283-28所示，可以提高输入所示，可以提高输入电阻。图电阻。图3-283-28为双入为双入单出的单出的CMOSCMOS管差动输管差动输入级。入级。1 1、MOSMOS管差动放大电路管差动放大电路其其中中NMOSNMOS管管V V1 1和和V V2 2为为差差放放工工作作管管；PMOSPMOS管管V V3 3和和V V4 4组组成成镜镜像像电电流流源源，作作为为V V1 1和和V V2 2的的有有源源负负载载；V V5 5为为单单管管电电流流源源，为为差差放放管管提提供供偏偏置电流。置电流。MOSMOS管管差差动动放放大大电电路路仍仍具具有有放放大大差差模模、抑抑制制共共模模的的特点。特点。本讲稿第六十四页，共一百零二页2 2、MOSMOS管基本镜像电流源管基本镜像电流源基本场效应管镜像电流源如基本场效应管镜像电流源如图图6-296-29所示。所示。从中可得出：从中可得出：I IREFREF=U=UCCCC-U-UGSGS 根据场效应管的转移特性曲线根据场效应管的转移特性曲线即可确定即可确定I IR REFEF。因为。因为MOSMOS管的管的I Ig g=0=0 。所以在所以在V V1 1和和V V2 2对称的条件下，对称的条件下，有有I IO O=I=IREFREF。图6-29 MOS管基本镜像电流源本讲稿第六十五页，共一百零二页6.5 6.5 常用集成运算放大器常用集成运算放大器o6.5.1 6.5.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念o6.5.2 6.5.2 集成运放的组成与工作原理集成运放的组成与工作原理o6.5.3 6.5.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数o6.5.4 6.5.4 集成运放在电子技术中的运用集成运放在电子技术中的运用本讲稿第六十六页，共一百零二页6.5.1 6.5.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念1 1、集成运算放大器的性质、集成运算放大器的性质2 2、集成运算放大器的电路符号、集成运算放大器的电路符号3 3、集成运算放大器的外形、集成运算放大器的外形（a a）双列直插式；（）双列直插式；（b b）扁平式；扁平式；（c c）圆壳式圆壳式本讲稿第六十七页，共一百零二页6.5.1 6.5.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念4、理想集成运放的模型、理想集成运放的模型 (1)开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aud=uo/(u+-u-)(2)差模输入电阻，差模输入电阻，rid (3)输出电阻，输出电阻，ro0 (4)共模抑制比，共模抑制比，KCMRR 实际上：实际上：A741 Aud100dB rid1M 以上对工程计算来讲，已十分精确以上对工程计算来讲，已十分精确本讲稿第六十八页，共一百零二页6.5.2 6.5.2 集成运放的组成与工作原理集成运放的组成与工作原理 从从20世纪世纪60年代发展至今已经历了四代产品，年代发展至今已经历了四代产品，A741（F 007）和单极型和单极型CMOS集成运放集成运放5G1457为例为例对运放多级电路的基本原理和功能进行简单介绍对运放多级电路的基本原理和功能进行简单介绍。本讲稿第六十九页，共一百零二页1、集成运算放大器、集成运算放大器A741（F 007）A741（F 007）是第二代双极型通用集成运算）是第二代双极型通用集成运算放大器，放大器，具有高电压放大倍数、具有高电压放大倍数、高输入电阻、高输入电阻、高共模抑制比、高共模抑制比、低功耗及有过载保护等优点。低功耗及有过载保护等优点。图图3-45为集成运放为集成运放A741的电路原理图。的电路原理图。本讲稿第七十页，共一百零二页1、集成运算放大器、集成运算放大器A741（F 007）集成运算放大器集成运算放大器A741电路原理图电路原理图本讲稿第七十一页，共一百零二页1、集成运算放大器、集成运算放大器A741（F 007）整个电路共有整个电路共有24个晶体三极管，个晶体三极管，10个电阻和一个电容组成。个电阻和一个电容组成。电路电路有有12个引脚，个引脚，脚是反相输入端，脚是反相输入端，脚是同相输入端，脚是同相输入端，脚是输出脚是输出端，端，脚是负电源端脚是负电源端（-15 V），脚是正电源端脚是正电源端（15 V），），脚脚与与脚之间外接调零电位器，脚之间外接调零电位器，脚脚与与脚接相位补偿电容。脚接相位补偿电容。原理电路原理电路由由差动输入级差动输入级、中间放大级中间放大级、互互补输出级补输出级和和偏置电路偏置电路四部分组成，四部分组成，现分别介绍如下现分别介绍如下:调零调零-IN-IN+IN+IN-U-UCCCC+U+UCCCC调零调零+-U-Uo oNCNC本讲稿第七十二页，共一百零二页o1）偏置电路V12、R5、V11组成主偏置电路，在+UCC和-UCC的作用下提供整个放大器的参考电流IREF，IREF=IC12=IC112UCC/R5。V10和V11组成微电流源，给输入级的V3和V4提供偏置。V8、V9也组成一组镜像电流源，给输入级V1、V2提供偏流（IC8=IC9=IC10）。需要说明的是，这种偏置电路具有负反馈的作用，可以减小零点漂移。如果温度升高使IC3、IC4增加时，则导致IC8增加，也就使IC9增加。本讲稿第七十三页，共一百零二页但由于IC10是恒定的，而IC10=IC9+IB3+IB4，因此IB3、IB4下降，导致IC3、IC4也下降。由于上述负反馈作用，使IC3、IC4基本恒定，从而稳定了输入级的静态工作点，提高了整个电路的共模抑制比。V12、V13是组成两路输出（A、B）的镜像电流源电路，A路供给输出级的偏置电流，并使V18和V19工作；B路给中间级提供偏置并作为中间级的有源负载。本讲稿第七十四页，共一百零二页o2）差动输入级差动输入级是由V1V6组成的互补共集共基差动放大电路。纵向的NPN管V1、V2组成共集电极电路可以提高输入电阻，横向的PNP管V3、V4组成共基电路配合V5、V6和V7组成有源负载，有利于提高输入级的电压放大倍数、最大差模输入电压和扩大共模输入电压的范围。另外，带缓冲级的镜像电流源使有源负载两边电流更加对称，也有利于提高输入级抑制共模信号的能力。电阻R2用来增加V7的工作电流，避免因V7的工作电流过小，使7下降而减弱缓冲作用。本讲稿第七十五页，共一百零二页o3）中间级中间级由V16和V17组成复合管共发射极放大电路，集电极负载为V13B所组成的有源负载，因有源负载的交流电阻很大，所以本级可以得到较高的电压放大倍数，同时由于射极电阻的存在，且V17接