差动运算放大器.ppt

第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器o3.1 3.1 概述概述o3.2 3.2 差动放大电路差动放大电路o3.33.3电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路o3.4 MOS3.4 MOS集成运算放大器中的主要单元电路集成运算放大器中的主要单元电路o3.5 3.5 常用集成运算放大器常用集成运算放大器13.1 3.1 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，采用半导体集成工艺同时制作在一块半导间连接，采用半导体集成工艺同时制作在一块半导体芯片上，封装并引出管脚，做成具有特定功能的体芯片上，封装并引出管脚，做成具有特定功能的集成电子线路。集成电子线路。优点优点：可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、：可靠性高、性能优良、重量轻、造价低、使用方便等。使用方便等。什么是集成电路什么是集成电路?2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.集成运算放大器集成运算放大器实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的实质上是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器，具有放大器，具有输入电阻大输入电阻大、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对连续变化的模拟信号进行处理的集信号进行处理的集成电路。成电路。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,跃进跃进的信号进行处理的的信号进行处理的集成电路。集成电路。33.1 3.1 概述概述o3.1.1 3.1.1 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o3.1.2 3.1.2 集成运算放大器的基本结构集成运算放大器的基本结构43.1.13.1.1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53.1.2 3.1.2 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)63.2 3.2 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，才能时，才能进行放大，即进行放大，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73.2 3.2 差动放大电路差动放大电路o3.2.1 3.2.1 为什么选用为什么选用“差动差动”的电路形式的电路形式o3.2.2 3.2.2 基本差动放大电路的分析基本差动放大电路的分析o3.2.3 3.2.3 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o3.2.4 3.2.4 差动放大电路的改进形式差动放大电路的改进形式83.2.13.2.1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、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电路必然会产生“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，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始点做上下漂动，成为零点漂移。出电压偏离起始点做上下漂动，成为零点漂移。如图如图3-33-3中，当中，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。93.2.2 3.2.2 差动放大电路的分析差动放大电路的分析图图3-4 3-4 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，电路最大特点是电电路完全对称路完全对称，其中，其中V1V1、V2V2 两管特性相同，元件参数之值相等。两管特性相同，元件参数之值相等。有两个输入端称有两个输入端称双入双入，两个输出端称，两个输出端称双出双出。当两个输入信号相。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，所以同时，由于电路对称性，两管集电极电位相同，所以u u0 0=0=0103.2.2 3.2.2 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，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，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的情况下，两管的集电极电位始终相同，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，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移的原因。动放大电路能够抑制零点漂移的原因。11图图3-5 3-5 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”是有限是有限度的，对两个单管度的，对两个单管本本身集电极身集电极电位的漂移电位的漂移并未加限制，所以实并未加限制，所以实用电路为图用电路为图3-5，在，在图图3-4的基础上加的基础上加RE 和和-UEE121 1、静态分析、静态分析 (ui1=ui2=0)图图3-5 3-5 典型基本差动放大电路典型基本差动放大电路 直流通路直流通路(对地的电位对地的电位)13两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为正、为正、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电压变化量的两倍两倍2 2、差模差模信号输入信号输入143 3、共模共模信号输入信号输入两个输入信号大小相等、两个输入信号大小相等、极性相同，即极性相同，即ui1=ui2，这这时时uo=uc1-uc2=0。差动放大。差动放大电路对共模信号的抑制能电路对共模信号的抑制能力很强。力很强。温度变化对差动温度变化对差动放大电路来说相当于一对放大电路来说相当于一对共模信号。所以差动放大共模信号。所以差动放大电路对其零点漂移的抑制电路对其零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一就是对共模信号抑制的一种特例。种特例。154 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，也不是一对共模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意一对共模信号，为了分析方便通常，通常将一对任意输入信号分解为差模信号输入信号分解为差模信号 和共模信号和共模信号 两部两部分分别定义差模信号和共模信号为分分别定义差模信号和共模信号为：差模信号差模信号:共模信号共模信号:164 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=uic174 4、任意信号输入、任意信号输入例例:则则 18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195 5、差模特性动态分析、差模特性动态分析图图3-7 差差模模输输入入时时基基本本差差动动放放大大电电路路的的交交流流通路通路图为差模输入时图图为差模输入时图3-7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，方向相反大小相等，方向相反这两个这两个交流电流交流电流之和之和为为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20可见：差动放大电路双端可见：差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍输出时的差模电压放大倍数和单边电路的电压放大数和单边电路的电压放大倍数相同，差动放大电路倍数相同，差动放大电路为了实现同样的电压放大为了实现同样的电压放大倍数，必须用二倍于单边倍数，必须用二倍于单边电路的元器件数，电路的元器件数，但是换但是换来了对零点漂移的抑制来了对零点漂移的抑制。(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:21B.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 中点始终为零电位中点始终为零电位(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数Aud中点零电中点零电位位22(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23(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246 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=2ie1256 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信号不起负反馈作用负反馈作用,Re对对共模共模信号起强烈的负反馈信号起强烈的负反馈.Re越大负反馈越强，抑越大负反馈越强，抑制漂移越好制漂移越好266 6、共模特性动态分析、共模特性动态分析(3)Re 过大，当电源电压过大，当电源电压一定时，使三极管静一定时，使三极管静 态电态电流变小，影响静态工作点及流变小，影响静态工作点及电压放大倍数，为此，加电压放大倍数，为此，加-UEE 来抵消来抵消Re 上的压降获上的压降获得合适的静态工作点。还可得合适的静态工作点。还可以考虑用恒流源来替代以考虑用恒流源来替代 Re，恒流源的动态电阻更大，恒流源的动态电阻更大，得到更好的负反馈效果。得到更好的负反馈效果。276 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)286 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，差动放大电路越大，差动放大电路的性能越好。理想情况下，的性能越好。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）形式表示）形式表示 。（3-12）（3-13）293.2.3 3.2.3 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可以有如图所示可以有如图所示 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差模信号共模信号共模信号30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312 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差模信号共模信号共模信号322 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=RC33 表表3-1 3-1 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34 表表3-1 3-1 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353.2.4 3.2.4 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不致增加，用恒流源替代不致增加，用恒流源替代Re (2)因为当因为当 IB 一定时，工作于一定时，工作于放大区的放大区的 IC 的基本恒定。其交的基本恒定。其交流电阻流电阻较大，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（只要大于饱电压又不大（只要大于饱和压降），所以和压降），所以 UEE 的电压不的电压不致增加。致增加。Rb31 和和Rb32构成分压式构成分压式偏置电路。偏置电路。(3)Rp为调零电位器，一般为为调零电位器，一般为几十到几百欧姆之间。几十到几百欧姆之间。36例例3-1 图图3-11（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且动端且动端在中点，在中点，三极管发射结导通压降为三极管发射结导通压降为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372 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。382 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用复合管构成的差分放大电路大电路 电路为图电路为图3-14，V1和和V3、V2和和V4分别构成了复合管分别构成了复合管的电路形式。的电路形式。利用复合管利用复合管可以获得很高的电流放大可以获得很高的电流放大系数。系数。图3-14 复合管差动放大电路39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，广广泛泛采采用用差差动动放放大大电电路路作作为为输输入入级级，以以起起到到抑抑制制零零点点漂漂移的作用。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、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，极电阻越大，抑制共模的能力就越强，一般采用恒流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，源电路来替代射极电阻，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、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，组合成四种典型电路，它们具有不同的特点，在实际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。应用中可根据需要选择合适的电路形式。403.3 3.3 电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路o3.3.1 3.3.1 基本电流源电路基本电流源电路o3.3.2 3.3.2 其他电流源形式其他电流源形式o3.3.3 3.3.3 输出级电路输出级电路413.3.1 3.3.1 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基本镜像电流源如图3-15所示。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 二者二者的的发射结发射结偏置电压相同，偏置电压相同，因此可以认为两管的因此可以认为两管的参数完全相同，参数完全相同，IB1=IB2，IC1=IC242(参考电参考电流流)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输出出电电流流 也也就就确确定定了了。当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 也随也随之确定之确定。43(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，如图如图3-163-16所示。所示。图3-161 1、镜像电流源、镜像电流源441 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，才能值较大时，才能认为认为I IO OIIREFREF，否则两个否则两个者差别较大。者差别较大。为了解决这一问题，为了解决这一问题，在在电路中加入电路中加入V V3 3。利用利用V V3 3的的电流放大作用，电流放大作用，减小了减小了I IB1B1 和和I IB2B2 对对I IR REFEF的分流作的分流作用，用，从而提高了从而提高了I IO O对对I IREFREF的镜像程度。可以证明的镜像程度。可以证明45 2 2、电流源作有源负载、电流源作有源负载（a a）PNPPNP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以以及电阻及电阻R R构成构成PNPPNP管镜像电流管镜像电流源，作为共发射极形式连接源，作为共发射极形式连接的放大管的放大管V1V1的集电极有源负的集电极有源负载载这里电流源起了两个作用，这里电流源起了两个作用，一是给放大一是给放大管提供静态工作电流，管提供静态工作电流，二是以电流源的二是以电流源的交流电阻交流电阻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。的作用。由于由于r ro o很大，使每级的很大，使每级的A Au u电压放大倍数达电压放大倍数达到到10103 3以上以上463.3.2 3.3.2 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。473.3.2 3.3.2 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由于两个三极管发射结电压之差之差U UBEBE是一个较小的数值，是一个较小的数值，因此利用不大的因此利用不大的R Re2 e2 就可以获就可以获得较较小的恒流输出，得较较小的恒流输出，故称故称为微电流源为微电流源。图图3-20 3-20 微电流源微电流源 U UBE1BE1U UBE2BE2482 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，如图关系的电流源，如图3-213-21所示。所示。U UBE1BE1+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 就可就可以获得和以获得和 I IR REFEF 成不同比例的电成不同比例的电流输出流输出 。图图 3-213-2149例3-2图图3-223-22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，并写出用，并写出I IO1O1、I IO2O2和和I IO3O3的表达式的表达式。503.3.3 3.3.3 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。511 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所示互补对称输出电路路(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，输出波形存在交越失真输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互补对称输出电路输出电路521 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用图3-25所示的电路所示的电路 利用两个二极管利用两个二极管VD1,VD2的的PN节压降使两节压降使两个三级管在个三级管在ui=0 时处于时处于微通状态。微通状态。这样，较小这样，较小的的 ui 也可以通过三级管也可以通过三级管输出到负载上，从而消输出到负载上，从而消除了交越失真。除了交越失真。532 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。要想解决这一矛盾，要想解决这一矛盾，必须采用复合管的形式。必须采用复合管的形式。542 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通常用一个中（小）功率管和一个大功率管复合而成。而成。复合的规律复合的规律：即第一即第一管子输出电流必须与第二管管子输出电流必须与第二管子输入电流方向一致。子输入电流方向一致。55几种典型复合管复合形式几种典型复合管复合形式 图3-26 （a）、(d)等效为NPN管;（b）、(c)等效为PNP管 562 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 的基极的基极电流决定了复合管的基极电流方向。电流决定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。57(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，的射极电阻，复合管的输入电阻：复合管的输入电阻：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的集电极电的集电极电阻，阻，复合管的输入电阻：复合管的输入电阻：rbe=rbe158例例3-3 以图以图3-26（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3-26（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 593.4 MOS3.4 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o3.4.1 MOS3.4.1 MOS集成运放的主要特点集成运放的主要特点o3.4.2 MOS3.4.2 MOS集成集成运放中的基本单元电路运放中的基本单元电路603.4.1 MOS3.4.1 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集成运算放大器的组成和双极型集成运算放大器相同，放大器相同，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集成工艺主要适用于制造数字集成电路，路，对于模拟集成电路来说，对于模拟集成电路来说，在性能上和双极型在性能上和双极型运放相比还有一定的差距。运放相比还有一定的差距。但由于但由于MOS集成运放集成运放具有制造工艺简单、具有制造工艺简单、集成度高、集成度高、功耗低以及温度功耗低以及温度特性好等优点，特性好等优点，随着集成制造工艺的发展，这些随着集成制造工艺的发展，这些优势已经逐渐显现，优势已经逐渐显现，特别在模拟和数字的混合系特别在模拟和数字的混合系统中，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。61MOSMOS集成运算放大器主要有集成运算放大器主要有NMOSNMOS和和CMOSCMOS两种两种类型。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。CMOSCMOS集成集成运放是互补的运放是互补的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制造工艺具有设计灵活、制造工艺具有设计灵活、低功耗等特点。低功耗等特点。623.4.2 MOS3.4.2 MOS集成运放中的基本单元集成运放中的基本单元 MOSMOS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，输出级输出级和和偏置电路偏置电路几部分组成几部分组成633.4.2 MOS3.4.2 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3-3-2828所示，可以提高所示，可以提高输入电阻。图输入电阻。图3-283-28为双入单出的为双入单出的CMOSCMOS管差动输入级。管差动输入级。图3-28 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，为为差差放放管提供偏置电流。管提供偏置电流。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、抑抑制制共共模的模的特点。特点。642 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基本场效应管镜像电流源如图如图3-293-29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根据场效应管的转移特性曲线即可确定性曲线即可确定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对称的条件对称的条件下，下，有有I IO O=I=IREFREF。图3-29 MOS管基本镜像电流源653.5 3.5 常用集成运算放大器常用集成运算放大器o3.5.1 3.5.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念o3.5.2 3.5.2 集成运放的组成与工作原理集成运放的组成与工作原理o3.5.3 3.5.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数o3.5.4 3.5.4 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663.5.1 3.5.1 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673.5.1 3.5.1 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683.5.2 3.5.2 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为例对运放多级电路的基本原理和功能进行简单为例对运放多级电路的基本原理和功能进行简单介绍介绍。691、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）是第二代双极型通用集成运算放大器，算放大器，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。701、集成运算放大器、集成运算放大器A741（F 007）图图3-45 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711、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。电电路有路有12个引脚，个引脚，脚是反相输脚是反相输入端，入端，脚是同相输入端，脚是同相输入端，脚是输出端，脚是输出端，脚是负电源脚是负电源端端（-15 V），脚是正电源脚是正电源端端（15 V），），脚与脚与脚之脚之间外接调零电位器，间外接调零电位器，脚与脚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、互补输出级互补输出级和和偏置电路偏置电路四部分四部分组成，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 oNCNC72o1）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。73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。74o2）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。75o3）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接于V16的发射极的接法也使该级电路具有较大的输入电阻。V17的集电极与V16基极间的电容C是用作相位补偿，以消除自激，通常容量较小。76o4）输出级本级由V14和V20组成互补对称输出级，V18和V19接成二极管的形式，利用V18和V19的PN结压降使V14和V20处于微导通状态，以消除交越失真。77o2、CMOS集成运算放大器5G145735G14573是一种通用型CMOS集成运算放大器，该芯片含有同样的四个运算放大器单元，为双列直插封装形式。图3-46为5G14573中一个运放单元的电路原理图，场效应管符号采用了简化的表示方法。78图3-46 CMOS集成运算放大器5G14573内部电路原理图 79差动输入级由V1、V2组成，V3、V4构成差动输入级的漏极有源负载。V5、V6为差动输入级提供源极偏置电流。输出级由V8组成NMOS共源极放大器并由PMOS管V7作V8的有源负载。C是相位补偿电容，用于防止自激振荡。为了获得较小的参考电流IREF，5G14573的偏置电阻外接，并且每两个运放共用一个偏置电阻。803.5.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数1 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数ud 开开环环差差模模电电压压放放大大倍倍数数是是指指集集成成运运放放在在开开环环（无无反反馈馈）情情况况下下的的直直流流差差模模电电压压放放大大倍倍数数，即即开开环环输输出出直直流流电电压压与与差差模模输输入入电电压压之之比比，用用ud表