模電第二、六章

1、6 6 模擬集成電路模擬集成電路6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路 的影響的影響6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.6 變跨導(dǎo)式模擬乘法器變跨導(dǎo)式模擬乘法器6.7 放大器中的噪聲和干擾放大器中的噪聲和干擾 集成電路集成電路集成電路：集成電路：把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，完成特定功能的電子電路。完成特定功能的電子電路。按功能分

2、為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。按功能分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。在模擬集成電路中在模擬集成電路中集成運(yùn)放集成運(yùn)放是應(yīng)用極為廣泛的一種。是應(yīng)用極為廣泛的一種。集成運(yùn)放的基本單元電路集成運(yùn)放的基本單元電路：電流源和差分式放大電路。：電流源和差分式放大電路。6.1 模擬集成電路中的模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)直流偏置技術(shù)6.1.1 BJT電流源電路電流源電路6.1.2 FET電流源電流源1. 鏡像電流源鏡像電流源2. 微電流源微電流源*3. 高輸出阻抗電流源高輸出阻抗電流源*4. 組合電流源組合電流源1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源2. MOSFET多路電流源多路電流源3. JFET電流源

3、電流源 電流源是一個(gè)使輸出電流恒定的電源電路，與電流源是一個(gè)使輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對(duì)應(yīng)。電壓源相對(duì)應(yīng)。 (1) (1) 電流源電路在模擬集成放大器中用電流源電路在模擬集成放大器中用以穩(wěn)定靜態(tài)以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)工作點(diǎn)，這對(duì)直接耦合放大器是十分重要的。，這對(duì)直接耦合放大器是十分重要的。 電流源 (2) (2) 用電流源做用電流源做有源負(fù)載有源負(fù)載，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍大的特性。大的特性。 (3) (3)用電流源給電容充電，以用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出獲得線性電壓輸出。 (4) (4)電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。

4、鏡像電流源電路的特點(diǎn)是工鏡像電流源電路的特點(diǎn)是工作三極管的集電極電流是電流源作三極管的集電極電流是電流源電路電流的鏡像電路電流的鏡像( (相等相等) )。6.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源BE1BE2=VVE1E2= II則則C1C2=,IIT T1 1、T T2 2的參數(shù)完全相同的參數(shù)完全相同（對(duì)管）（對(duì)管） 即即1 12 2，I ICEO1CEO1I ICEO2CEO2 )(CBCBCEFR 21II2II2II221 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，IC2和和IREF是鏡像關(guān)系。是鏡像關(guān)系。 26.1.1 BJT電流源電路電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源當(dāng)當(dāng)BJT的的較大時(shí)

5、，基極電流較大時(shí)，基極電流IB可以忽略可以忽略 IoIC2IREF RVVRVVVEECCEEBECC)( 代表符號(hào)代表符號(hào) 無(wú)論無(wú)論C2支路的負(fù)載值如何，支路的負(fù)載值如何， IC2的電的電流值將保持不變。流值將保持不變。ce r 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)( (交流交流) )電阻電阻 2B12CE2Co)(Ivir 一般一般ro在幾百千歐以上在幾百千歐以上電流源內(nèi)阻越大穩(wěn)流特性越好。電流源內(nèi)阻越大穩(wěn)流特性越好。電流源具有直流電阻小電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點(diǎn)。而交流電阻大的特點(diǎn)。4. 電流源作有源負(fù)載電流源作有源負(fù)載共射電路的電壓增益為：共射電路的電壓增益為： ioV=vvAbeLc)/(rRR 放

6、大管放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路源極耦合差分式放大電路 6.2.0 概述概述6.2.0 概述概述1. 直接耦合放大電路直接耦合放大電路可以放大直流信號(hào)可以放大直流信號(hào)2.直接耦合放大電路直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移的零點(diǎn)漂移零漂：零漂：主要原因：主要原因：溫漂指標(biāo)：溫漂指標(biāo)：溫度變化引起，也稱(chēng)溫漂。溫度變化引起，也稱(chēng)溫漂。輸入短路時(shí)，輸輸入短路時(shí)，輸出仍有緩慢變化出仍有緩慢變

7、化的電壓產(chǎn)生。的電壓產(chǎn)生。溫度每升高溫度每升高1時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益時(shí)，輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值。電源電壓波動(dòng)電源電壓波動(dòng)也是原因之一也是原因之一零點(diǎn)漂移是怎樣形成的零點(diǎn)漂移是怎樣形成的 運(yùn)算放大器均是采用直接耦合方式，而直接耦運(yùn)算放大器均是采用直接耦合方式，而直接耦合方式放大電路的各級(jí)合方式放大電路的各級(jí)Q點(diǎn)是相互影響的，由于各級(jí)點(diǎn)是相互影響的，由于各級(jí)的放大作用，第一級(jí)的微弱變化，會(huì)使輸出級(jí)產(chǎn)生的放大作用，第一級(jí)的微弱變化，會(huì)使輸出級(jí)產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時(shí)（由于一些原因使輸入很大的變化。當(dāng)輸入短路時(shí)（由于一些原因使

8、輸入級(jí)的級(jí)的Q點(diǎn)發(fā)生微弱變化點(diǎn)發(fā)生微弱變化 ，如：溫度），輸出將隨時(shí)，如：溫度），輸出將隨時(shí)間緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。間緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。 產(chǎn)生零漂的主要原因是：晶體三極管的參數(shù)受產(chǎn)生零漂的主要原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。溫度的影響。例如例如 100,=V1A若第一級(jí)漂了若第一級(jí)漂了100 V，則輸出漂移則輸出漂移 1 V。 若第二級(jí)也漂了若第二級(jí)也漂了100 V，則輸出漂移則輸出漂移 10 mV。假設(shè)假設(shè)F 第一級(jí)是關(guān)鍵第一級(jí)是關(guān)鍵。 1= 100,=V3V2AA3、 減小零漂的措施減小零漂的措施F 用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償F 調(diào)制解調(diào)

9、方式。如調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波穩(wěn)零放大器斬波穩(wěn)零放大器”F 采用差分式放大電路采用差分式放大電路漂了漂了 100 V漂移漂移 10 mV+100 V漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV4、 差分式放大電路中的一般概念差分式放大電路中的一般概念差分式放大電路就其功能來(lái)說(shuō)，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分式放大電路就其功能來(lái)說(shuō)，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。 理想情況理想情況：vo= Avdvid=Avd（vi1-vi2）；Avd差模電壓增益差模電壓增益 放大電路兩個(gè)輸入端所共有的任何信號(hào)對(duì)輸出電壓無(wú)放大電路兩個(gè)輸入端所共有的任何信號(hào)對(duì)輸出電壓無(wú)影響。（如共有的干擾信號(hào)）影響。（如共

10、有的干擾信號(hào)）實(shí)際情況實(shí)際情況：vo=Avdvid+ Avcvic ；Avd差模電壓增益，差模電壓增益，Avc共模電共模電壓增益。壓增益。 其中，其中，差模信號(hào)差模信號(hào)vid=vi1 -vi2 ，共模信號(hào)，共模信號(hào)vic=1/2（vi1 +vi2）差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)差模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相反的信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相反的信號(hào)；共模信號(hào)共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相同的信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相同的信號(hào)。差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信

11、號(hào)不予放大。 溫度對(duì)差分式放大電路輸入端的影響相溫度對(duì)差分式放大電路輸入端的影響相當(dāng)于加入了共模信號(hào)。差分式放大電路抑制當(dāng)于加入了共模信號(hào)。差分式放大電路抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)，是模擬集成運(yùn)算共模信號(hào)，放大差模信號(hào)，是模擬集成運(yùn)算放大電路輸入級(jí)所采用的電路形式。放大電路輸入級(jí)所采用的電路形式。例如，溫漂信號(hào)屬共模信號(hào)，它對(duì)差分放大電路的例如，溫漂信號(hào)屬共模信號(hào)，它對(duì)差分放大電路的兩個(gè)輸入端影響相同。如果輸入信號(hào)極性相同，幅兩個(gè)輸入端影響相同。如果輸入信號(hào)極性相同，幅度也相同，則是純共模信號(hào)。度也相同，則是純共模信號(hào)。如果極性相同，但幅如果極性相同，但幅度不等，則可以認(rèn)為既包含共模信號(hào)，又包

12、含差模度不等，則可以認(rèn)為既包含共模信號(hào)，又包含差模信號(hào)，應(yīng)分開(kāi)加以計(jì)算。信號(hào)，應(yīng)分開(kāi)加以計(jì)算。 i1i2icic00-+ididttvvvvvv共模、差模信號(hào)混合的情況共模、差模信號(hào)混合的情況即：即：vi1=vic -vid/2 vi2=vic +vid/2差模信號(hào)差模信號(hào)vid=vi1 -vi2 ，共模信號(hào)，共模信號(hào)vic=1/2（vi1 +vi2）如如vi1=50V，vi2=50V， 則則vid=vi1 -vi2=100V ，vic=1/2（vi1 +vi2）=0如如vi1= 1050V，vi2= 950V， 則則vid=vi1 -vi2=100V ，vic=1000V 兩種情況下輸出電壓

13、是不同的。（除非共模增益為零）兩種情況下輸出電壓是不同的。（除非共模增益為零）動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路用三端器件組成的差分式放大電路差放差放+-vi1+-vi2+-vo1vo2+-+-vid+-vo2. 有關(guān)概念有關(guān)概念i2i1id=vvv 差模信號(hào)差模信號(hào))(21=i2i1icvvv 共模信號(hào)共模信號(hào)idd=vvodvA差模電壓增益差模電壓增益icc=vvocvA共模電壓增益共模電壓增益icciddo =vvvvvvvocodAA 總輸出電壓總輸出電壓其中其中odv差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出差模信號(hào)產(chǎn)生的輸出ocv共模信

14、號(hào)產(chǎn)生的輸出共模信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)反映抑制零漂能力的指標(biāo)cdCMR=vvAAK差分放大電路是由差分放大電路是由對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)的兩個(gè)基本放大電路基本放大電路，通過(guò)射極電流通過(guò)射極電流源耦合構(gòu)成。源耦合構(gòu)成。對(duì)稱(chēng)的含義是兩個(gè)三極管的特對(duì)稱(chēng)的含義是兩個(gè)三極管的特性一致，電路參數(shù)對(duì)應(yīng)相等性一致，電路參數(shù)對(duì)應(yīng)相等。 1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO Rc1=Rc2= Rc 6.2.2 射極耦合差分式放大電路射極耦合差分式放大電路1. 1. 電路組成及工作原理電路組成及工作原理信號(hào)的輸出方式信

15、號(hào)的輸出方式：差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端，一差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是集電極個(gè)是集電極C C1 1，另一個(gè)是集電極，另一個(gè)是集電極C C2 2。從。從C C1 1 和和C C2 2輸出稱(chēng)為輸出稱(chēng)為雙端輸出雙端輸出，僅從集電極，僅從集電極 C C1 1或或C C2 2 對(duì)地輸出稱(chēng)為對(duì)地輸出稱(chēng)為單端輸出單端輸出。信號(hào)的輸入方式：信號(hào)的輸入方式：若信號(hào)同若信號(hào)同時(shí)從兩個(gè)輸入端輸入，稱(chēng)為時(shí)從兩個(gè)輸入端輸入，稱(chēng)為雙端輸入雙端輸入； 若信號(hào)僅從一若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端個(gè)輸入端對(duì)地對(duì)地加入，稱(chēng)為加入，稱(chēng)為單單端輸入端輸入。差分放大電路的差模工作狀態(tài)分為四種差分放大電路的差模工作狀態(tài)分為四種1. 雙

16、端輸入、雙端輸出（雙雙端輸入、雙端輸出（雙雙）雙） 2. 雙端輸入、單端輸出（雙雙端輸入、單端輸出（雙單）單） 3. 單端輸入、雙端輸出（單單端輸入、雙端輸出（單雙）雙） 4. 單端輸入、單端輸出（單單端輸入、單端輸出（單單）單） 差分放大電路的工作狀差分放大電路的工作狀態(tài)分差模和共模兩種：態(tài)分差模和共模兩種：靜態(tài)靜態(tài)OCC2C121=IIII CE2CE1=VV CCV)V7 . 0(c2CCC RIV c2CRIEVIIICB2B1 0=Vo動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)僅輸入差模信號(hào)，僅輸入差模信號(hào)， i2i1vv 和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 c2c1vv和和大小相等，大小相等， 0c2c1

17、o vvv信號(hào)被放大。信號(hào)被放大。相位相反。相位相反。僅輸入共模信號(hào)，僅輸入共模信號(hào)， c2c1o0vvv 2. 2. 抑制零點(diǎn)漂移原理抑制零點(diǎn)漂移原理 溫度變化和電源電壓波溫度變化和電源電壓波動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生動(dòng)，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢(shì)是相同的變化。且變化趨勢(shì)是相同的 差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。差分式放大電路對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)抑制作用。其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)。6.3 差分式放大電路的傳輸特性差分式放大電路的傳輸特性vBE1= vi1= vid/2vBE2= vi2 = - -vid/2 又又 vO1VCC

18、iC1Rc1 vO2VCCiC2Rc2可得傳輸特性曲線可得傳輸特性曲線 vO1，vO2f（vid）傳輸特性傳輸特性輸出差模信號(hào)隨輸入差模信號(hào)變化的曲線輸出差模信號(hào)隨輸入差模信號(hào)變化的曲線根據(jù)三極管根據(jù)三極管vBE 與與iE的基本關(guān)系的基本關(guān)系 得：得： TBEVvESEeIi/vO1，vO2f（vid）的傳輸特性曲線的傳輸特性曲線從傳輸特性可以看出；從傳輸特性可以看出；1、 時(shí)，電路處于靜態(tài)，即時(shí)，電路處于靜態(tài)，即Q態(tài)態(tài)0vvv2i1iid 2、vid在在0VT范圍變化時(shí)，范圍變化時(shí)，vo1、vo2與與vid呈線性關(guān)系，呈線性關(guān)系，放大電路工作在放大區(qū)，放大倍數(shù)越大，曲線越陡，線放大電路工作在

19、放大區(qū)，放大倍數(shù)越大，曲線越陡，線性區(qū)越窄，動(dòng)態(tài)范圍小。性區(qū)越窄，動(dòng)態(tài)范圍小。反之：放大倍數(shù)越小，曲線越緩，線性區(qū)越寬，動(dòng)態(tài)反之：放大倍數(shù)越小，曲線越緩，線性區(qū)越寬，動(dòng)態(tài)范圍大。范圍大。3、當(dāng)、當(dāng)vid4VT時(shí)，差分放大電路具有限幅特性。時(shí)，差分放大電路具有限幅特性?？梢?jiàn)，差分放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)有一定的要求?？梢?jiàn)，差分放大電路對(duì)差模輸入信號(hào)有一定的要求。6.4 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.4.1 CMOS MC14573集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器6.4.2 BJTLM741集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造運(yùn)算放大器是由直接耦合多

20、級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電壓增益高電壓增益高輸入電阻大輸入電阻大輸出電阻小輸出電阻小1 1、方框圖、方框圖 1.輸入級(jí)：抑制零漂，有放大作用。輸入級(jí)：抑制零漂，有放大作用。 常使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)常使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。的抑制能力。2.中間放大級(jí)：提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度中間放大級(jí)：提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。 中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載

21、的高增益放中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器（共射單管、復(fù)合管放大器）。大器（共射單管、復(fù)合管放大器）。3.互補(bǔ)輸出級(jí)：提高帶負(fù)載能力。互補(bǔ)輸出級(jí)：提高帶負(fù)載能力。 常用單管（復(fù)合管）的射極輸出器，也用單管（復(fù)合管）常用單管（復(fù)合管）的射極輸出器，也用單管（復(fù)合管）的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器。的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器。 4.偏置電流源：偏置電流源：提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 2 2、運(yùn)算放大器的引線及符號(hào)、運(yùn)算放大器的引線及符號(hào) 運(yùn)算放大器的符號(hào)中有運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端兩

22、個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端一個(gè)輸出端。一個(gè)稱(chēng)為一個(gè)稱(chēng)為同相輸入端，同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)化的極性與輸出端相同，用符號(hào)+或或IN+表示；另表示；另一個(gè)稱(chēng)為一個(gè)稱(chēng)為反相輸入端反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異，用符號(hào)出端相異，用符號(hào)“- -”或或“IN- -”表示。表示。輸出端輸出端一般畫(huà)在一般畫(huà)在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。實(shí)際的運(yùn)號(hào)。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償算放大器通常必須有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。端和調(diào)零端。 (a)

23、 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) (b)原符號(hào)原符號(hào) 為滿足實(shí)際使用中對(duì)為滿足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，發(fā)展了適通用型運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專(zhuān)用型集成應(yīng)不同需要的專(zhuān)用型集成運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)上比較突出。標(biāo)上比較突出。 根據(jù)運(yùn)算放大器的技根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要有通用、高速、寬，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。和低功耗等幾種。3 3、運(yùn)算放大器的分類(lèi)、運(yùn)算放大器的分類(lèi)通用型通用型高速型和寬帶

24、型高速型和寬帶型高精度高精度(低漂移型低漂移型)高輸入阻抗型高輸入阻抗型低功耗型低功耗型功率型功率型4 4、運(yùn)算放大器外形圖、運(yùn)算放大器外形圖6.5 實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要實(shí)際集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題6.5.3 集成運(yùn)放的電路模型集成運(yùn)放的電路模型6.5.4 基本線性運(yùn)算電路基本線性運(yùn)算電路6.5.5其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路6.5.1 實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)實(shí)際集成運(yùn)放的主要參數(shù)一、輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）一、輸入

25、直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO (input offset voltage) 在室溫（在室溫（25）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為）及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失了使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓調(diào)電壓VIO。一般約為。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運(yùn)放為（。超低失調(diào)運(yùn)放為（120） V。高精度運(yùn)放。高精度運(yùn)放OP-117 VIO=4 V。MOSFET達(dá)達(dá)20 mV。 將輸出電壓除以電壓增益，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的電壓的負(fù)即為折算到輸入端的電壓的負(fù)

26、值。值。VIO是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)稱(chēng)性的指標(biāo)。VIO越大說(shuō)明電路越大說(shuō)明電路的對(duì)稱(chēng)性越差。的對(duì)稱(chēng)性越差。V0VOIOAVVI 2. 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB (input bias current) 輸入偏置電流是指集成運(yùn)放輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/ /2 BJT為為10 nA1 A；MOSFET運(yùn)放運(yùn)放IIB在在pA數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。 用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。從使用角度看，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。從使用角度看，其值越小，由信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也越小

27、。其值越小，由信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也越小。3. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO (input offset current) 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即 IIO|IBPIBN|VI0 一般約為一般約為1 nA0.1 A。 例： 集成運(yùn)放的輸入偏置電流IIB=0.6A輸入失調(diào)電流IIO=0.2 A時(shí)，兩個(gè)差分輸入管的基極偏流分別是多少？ AIIIAIIIBNBPIOBNBPIB 2 . 06 . 0210.7A和0.5 A 用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。由

28、于信用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，號(hào)源內(nèi)阻的存在，IIO會(huì)引起一輸入電壓，破壞放大器會(huì)引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，希望越小越好。的平衡，希望越小越好。4. 溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂）輸入失調(diào)電壓溫漂 VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂）輸入失調(diào)電流溫漂 IIO / T在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。溫度的變化量與溫度變化量之比值。在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。溫度的變化量與溫度變化量之比值。二、差模特

29、性二、差模特性1. 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬和帶寬BW 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益Avo開(kāi)環(huán)帶寬開(kāi)環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG (fT)741型運(yùn)放型運(yùn)放AvO的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) 2. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid和輸出電阻和輸出電阻ro BJT輸入級(jí)的運(yùn)放輸入級(jí)的運(yùn)放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級(jí)的運(yùn)放為輸入級(jí)的運(yùn)放rid1012超高輸入電阻運(yùn)放超高輸入電阻運(yùn)放rid1013、IIB0.040pA一般運(yùn)放的一般運(yùn)放的ro200，而超高速，而超高速AD9610的的ro0.05。3. 最大差模輸入電壓最

30、大差模輸入電壓Vidmax 運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí)過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。三、共模特性三、共模特性1. 共模抑制比共模抑制比KCMR和共模輸入電阻和共模輸入電阻ric 一般通用型運(yùn)放一般通用型運(yùn)放KCMR為（為（80120）dB，高，高精度運(yùn)放可達(dá)精度運(yùn)放可達(dá)140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)一般指運(yùn)放在作電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運(yùn)放跟隨誤差的共模輸入電壓幅

31、值，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)可達(dá) 13V。1. 1. 集成運(yùn)放的選用集成運(yùn)放的選用 根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)根據(jù)技術(shù)要求應(yīng)首選通用型運(yùn)放，當(dāng)通用型運(yùn)放難以滿足要求時(shí)，才考慮專(zhuān)用型運(yùn)放，這是因?yàn)榉烹y以滿足要求時(shí)，才考慮專(zhuān)用型運(yùn)放，這是因?yàn)橥ㄓ眯推骷母黜?xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)通用型器件的各項(xiàng)參數(shù)比較均衡，做到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專(zhuān)用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)濟(jì)性的統(tǒng)一。至于專(zhuān)用型運(yùn)放，雖然某項(xiàng)技術(shù)參數(shù)很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放很突出，但其他參數(shù)則難以兼顧，例如低噪聲運(yùn)放的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有的帶寬往往設(shè)計(jì)得較窄，而高速型與高精度常常有矛盾

32、，如此等等矛盾，如此等等。 6.5.2 集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題集成運(yùn)放應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題2. 失調(diào)電壓失調(diào)電壓VIO、失調(diào)電流、失調(diào)電流IIO和偏置電流和偏置電流IIB帶來(lái)的誤差帶來(lái)的誤差 輸入為零時(shí)的等效電路輸入為零時(shí)的等效電路2IOIBP)2( RIIV f11ONRRRVV NPVV )|)(2(f1IOIBRRII IOV 解得誤差電壓解得誤差電壓 )|(21)|()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV)(/1(2IOIO1fORIVRRV 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可以時(shí)，可以消除偏置電流消除偏置電流 引起的引起的誤差，此時(shí)誤差，此時(shí)f12| RRR IBI當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)

33、，當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí)，即即 換成電容換成電容C，則，則fR tRtIttVCRRtItVtvd)(d)( 1)()()(2IOIO12IOIOO時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大，且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。IOIO IV和和引起的誤差仍存在引起的誤差仍存在3. 調(diào)零補(bǔ)償調(diào)零補(bǔ)償（a a）調(diào)零電路）調(diào)零電路 （b b）反相端加入補(bǔ)償電路）反相端加入補(bǔ)償電路2 2 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器2.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器2.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器2.3 基本線性運(yùn)放電路基本線性運(yùn)放電路2.4 其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路2.1 集成運(yùn)放的電路

34、模型集成運(yùn)放的電路模型通常：通常： 開(kāi)環(huán)電壓增益開(kāi)環(huán)電壓增益 Avo的的105 （很高）（很高） 輸入電阻輸入電阻 ri 106 （很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 ro 100 （很?。ê苄。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)注意輸入輸出的相位關(guān)系系當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V 時(shí)時(shí) vO V 當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時(shí)時(shí) vO V- -電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率2.2理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器 滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運(yùn)算放大器可以視為理想運(yùn)算放大器。滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運(yùn)算

35、放大器可以視為理想運(yùn)算放大器。 1.差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)Avd= ，實(shí)際上，實(shí)際上Avd80dB即可即可 1.1.理想運(yùn)算放大器的條件理想運(yùn)算放大器的條件2.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid= ，實(shí)際上，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的比輸入端外電路的 電阻大電阻大23個(gè)量級(jí)即可。個(gè)量級(jí)即可。 3.輸出電阻輸出電阻Ro=0，實(shí)際上，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小比輸入端外電路的電阻小12個(gè)個(gè)量級(jí)即可。量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)?。帶寬足夠?qū)挕?5.共模抑制比共模抑制比足夠大。足夠大。 實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理

36、想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。標(biāo)明顯下降即可。 理想運(yùn)算放大器具有理想運(yùn)算放大器具有“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特性，這兩個(gè)的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)，運(yùn)放必須在閉環(huán)( (負(fù)反饋）下工作。負(fù)反饋）下工作。 2.2.理想運(yùn)算放大器的特性理想運(yùn)算放大器的特性 (1)(1)虛短虛短 由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都

37、在開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在，一般在10 10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，大，兩輸入端的電位越接近相等。兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短。顯然不輸入端視為等電位，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路

38、。能將兩輸入端真正短路。(2)(2)虛斷虛斷 由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在放大器的輸入電阻都在1 M1 M 以上。因此流入運(yùn)放輸以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足入端的電流往往不足1 1 A A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流. .。故。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸兩輸入端越接近開(kāi)路入端越接近開(kāi)路。 “虛斷虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，可以

39、把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)1.1.反相放大電路反相放大電路 其比例系數(shù)即為反饋放大電其比例系數(shù)即為反饋放大電路的增益。該電路實(shí)際為一個(gè)路的增益。該電路實(shí)際為一個(gè)深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。iNNO1fvvvvRR0PN vvfOi1RvvR f12/ RRR 為提高運(yùn)算精度，為提高運(yùn)算精度，一般要求一般要求 輸入電阻輸入電阻Ri 11iiiii/RRiR vvv2.3 基本線性運(yùn)算電路基本線性運(yùn)算電路2. 同相放大電路同相放大電路同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路 該

40、電路為深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，且該電路為深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，且i1f0vRR1v 11RRAffNPivvvfON1N0RvvRv 所以所以 iiiivRivv0 該電路輸出始終跟隨輸入，稱(chēng)電壓跟隨器（該電路輸出始終跟隨輸入，稱(chēng)電壓跟隨器（同相比例運(yùn)同相比例運(yùn)算電路特例）算電路特例）11RRAff特例：電壓跟隨器的作用電壓跟隨器的作用無(wú)電壓跟隨器時(shí)無(wú)電壓跟隨器時(shí) 負(fù)載上得到的電壓負(fù)載上得到的電壓sssLsLo01. 011001vvvv RRR電壓跟隨器時(shí)電壓跟隨器時(shí)ip00，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vs當(dāng)當(dāng)R2 R3時(shí)，時(shí)，（1）試證明）試證明VS( R3

41、R1/R2 ) IM 解解:（1）根據(jù)虛斷有）根據(jù)虛斷有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 例例2.3.3直流毫伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k ，R31k ，輸入信號(hào)電壓輸入信號(hào)電壓VS100mV時(shí)，通過(guò)時(shí)，通過(guò)毫伏表的最大電流毫伏表的最大電流IM(max)？ 又又根據(jù)虛短有根據(jù)虛短有 VP = VN =0R2和和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - - IM )所以所以1S332M)(RVRRRI 當(dāng)當(dāng)R2 R3時(shí)，時(shí)，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可1、 加法電路加法電路一、反相輸

42、入加法電路一、反相輸入加法電路 在在 反相比例運(yùn)算電路的反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入加基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入加法電路，見(jiàn)圖法電路，見(jiàn)圖2.4.4。此時(shí)兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的。此時(shí)兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的電流都流向電流都流向Rf 。所以輸出是兩輸入信號(hào)的比例和。所以輸出是兩輸入信號(hào)的比例和。)()()(i22fi11ff2i21i1f2ii1ovRRvRRRRvRvRiiv相之和。時(shí)，輸出等于兩輸入反當(dāng)f21RRR)()(21i2i1i2fi1fovvvRRvRRv2.4其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路其他線性運(yùn)算應(yīng)用電路二、二、 同相輸入加法電路同相輸入加

43、法電路 在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入加法電路。輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入加法電路。 因運(yùn)放具有虛因運(yùn)放具有虛斷的特性，對(duì)運(yùn)斷的特性，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的放同相輸入端的電位可用疊加原電位可用疊加原理求得理求得: 在反相輸入加法電路在反相輸入加法電路 后，增加一個(gè)反相電后，增加一個(gè)反相電路可構(gòu)成同相輸入加法電路。路可構(gòu)成同相輸入加法電路。)1)()1 (/)(221102122112211RRRvRvRRRvvRRRRRvRvRvRvRvvRvvfiiPfpPiiPpppipi其中：2、減法電路、減法電路一、利用反相信號(hào)相加以實(shí)現(xiàn)

44、減法運(yùn)算一、利用反相信號(hào)相加以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 將一路輸入信號(hào)反相后，與另一路輸入信將一路輸入信號(hào)反相后，與另一路輸入信號(hào)相加，即可實(shí)現(xiàn)減法號(hào)相加，即可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。第一級(jí)為反相運(yùn)算。第一級(jí)為反相比例放大器。若比例放大器。若 R1=Rf1 則則 第二級(jí)為反相輸入第二級(jí)為反相輸入加法器加法器101svv 1s2s22f2S1O22fovvRRvvRRv 若若 22RRf21SSOvvv則則二、利用差分式電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算二、利用差分式電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 一個(gè)信號(hào)加在反相輸入端，另一信號(hào)加在同相一個(gè)信號(hào)加在反相輸入端，另一信號(hào)加在同相輸入端，其輸出信號(hào)將正比于兩輸入信號(hào)之差，可輸入端，其輸出信號(hào)將正比于兩

45、輸入信號(hào)之差，可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。 虛短虛短 Npvv fON1N1sRvvRvv 對(duì)對(duì)N:N:3P2P2SRvRvv 對(duì)對(duì)P:P:則則112322110sfsfvRRvRRRRRRv若選取若選取231fRRRR 則則:)(121SSfOvvRRv即輸出電壓與兩輸入電壓之差成比例。即輸出電壓與兩輸入電壓之差成比例。112322110sfsfvRRvRRRRRRv)21(123421ORRRRA vvvv3、儀用電路、儀用電路式中，負(fù)號(hào)表示式中，負(fù)號(hào)表示vO與與vI在相位上是相反的。在相位上是相反的。根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”得得0N v0I i因此因此RiiI12v 電容器被充電，其充電電流為電容器被充電，其充電電流為2i設(shè)電容器設(shè)電容器C C的初始電壓為零，則的初始電壓為零，則 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（積分運(yùn)算）（積分運(yùn)算）4、積分電路、積分電路當(dāng)當(dāng)vI I為階躍電壓時(shí)，有為階躍電壓時(shí)，有