模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器原理與應(yīng)用

第5章集成運(yùn)算放大器

2/3/20231本章基本要求1）掌握差分放大電路的工作原理及其分析方法和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的各類模擬運(yùn)算電路；2）熟悉有源濾波電路和電壓比較器3）了解構(gòu)成集成運(yùn)算放大器的主要單元電路和運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路組成和主要技術(shù)指標(biāo).2/3/202325.1集成電路的特點(diǎn)集成電路

——在經(jīng)過氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等工藝，將晶體管、電阻、電容等元器件及電路的連線都集成在同一塊半導(dǎo)體基片上，最后再進(jìn)行封裝成一個(gè)完整的電路。1.集成電路的主要特點(diǎn)體積小，重量輕，成本低，可靠性高，組裝和調(diào)試的難度小。（1）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性（2）用有源器件代替無源器件（3）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路（4）用雙極型三極管的發(fā)射結(jié)代替二極管（5）級(jí)間采用直接耦合方式2/3/20233(5)是線性集成電路中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣、最為龐大的一族成員。

(3)輸出電阻小，幾百歐以下。(4)通用型和靈活性強(qiáng)、成本低、用途廣、互換性好。(1)電壓放大倍數(shù)高，103~105倍。(2)輸入電阻大，幾十千歐到幾兆歐。2.集成電路中元器件的特點(diǎn)(1)電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性。(2)用有源器件代替無源器件。(3)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。(4)外接分立元件少。集成電路內(nèi)部只能制作小容量的電容，難以制造電感和較大容量的電容(C>2000pF)。(5)級(jí)間采用直接耦合方式，并利用二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償和直流電位偏移。1.集成運(yùn)放的特點(diǎn)2/3/202342.集成電路的分類

(1)按功能分

(1)按功能分a.模擬集成電路主要用于放大和變換連續(xù)變化的電壓和電流信號(hào)。b.數(shù)字集成電路主要用于處理數(shù)字信號(hào)，即離散的、斷續(xù)的電壓和電流信號(hào)。

(2)按集成度分

a.小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegrationCircuit，SSI)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100個(gè)以下。

b.中規(guī)模集成電路（MiddleScaleIntegrationCircuit，MSI)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100~1,000之間。2/3/20235

c.大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegrationCircuit,LSI)集成度：一塊芯片上包含的元器件在1,000~100,000之間。d.超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegrationCircuit,VLSI)集成度：一塊芯片上包含的元器件在100,000以上。e.當(dāng)前集成電路的狀況(a)已經(jīng)可以在一片硅片上集成幾千萬只，甚至億只晶體管。(b)集成電路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大約每3年增加一倍。(d)集成電路逐步向集成系統(tǒng)（IntegratedSystem）方向發(fā)展。(2)按集成度分2/3/20236(3)按制造工藝分a.半導(dǎo)體集成電路b.薄膜集成電路集成電路的元器件和電路由不到1mm厚的金屬半導(dǎo)體或金屬氧化物重疊而成。c.厚膜集成電路厚膜集成電路與薄膜集成電路基本相同，膜的厚度約幾微米到幾十微米。2/3/202373.模擬集成電路的分類(1)線性集成電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系。(2)非線性集成電路線性集成電路有：集成振蕩器、混頻器、檢波器、集成開關(guān)穩(wěn)壓電源等。線性集成電路有：集成運(yùn)算放大器、集成音頻功率放大器、集成高頻、中頻放大器等。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈非線性關(guān)系。2/3/202385.2電流源電路

偏置電路的作用是向放大器的各級(jí)提供合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，在模擬集成電路中，一般采用電流源提供偏置電流。圖5-1所示的分壓式射極偏置電路，就是一個(gè)基本的恒流源電路。采用適當(dāng)?shù)妮o助電路，可以使其恒流特性更接近于理想電流源。穩(wěn)定工作點(diǎn)2/3/202395.2.1鏡像電流源T1和T2特性相同(1)電路組成如圖6-2(a)所示(2)電路特點(diǎn)(3)電路分析由于UBE1=UBE2=UBE設(shè)所以IB1=IB2=IB時(shí)基準(zhǔn)電流鏡像電流2/3/202310雖然接成二極管形式，但仍然可以理解為工作在正向作用區(qū)域，的關(guān)系仍然成立，這是分析電流源電路的關(guān)鍵。2/3/2023112/3/202312如圖5-3所示稱為多路鏡像電流源。且由式(5-1)有（5-2）

2/3/2023135.2.2比例電流源

T1和T2對(duì)稱，特性完全相同(1)電路組成如圖5-4所示(2)電路特點(diǎn)(3)電路分析由圖可知忽略兩管的基極電流，有（5-3）2/3/2023145.2.3微電流源

(1)電路組成(2)如圖5-5所示電路特點(diǎn)(3)電路分析由圖可知T1和T2對(duì)稱，特性完全相同（5-4）由得可得到2/3/2023155.2.4改進(jìn)型電流源

減小基極電流的影響2/3/2023165.3差分放大電路

5.3.1直接耦合多級(jí)放大電路的零點(diǎn)漂移問題多級(jí)放大器的級(jí)間耦合方式主要有阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合、光電耦合等方式。在許多情況下需要放大諸如溫度、壓力、流量等傳感器輸出的(或其他)緩慢變化的非周期信號(hào)，但不能采用隔直流的耦合電路，只能采用前后級(jí)之間直接耦合的方式。然而，直接耦合放大電路除了前后級(jí)工作點(diǎn)相互牽連、電平移動(dòng)問題外，更為突出的問題是零點(diǎn)漂移問題。2/3/202317關(guān)于零點(diǎn)漂移引起零點(diǎn)漂移的原因很多，如環(huán)境溫度變化、器件老化或參數(shù)變化、電源電壓波動(dòng)等。其中最嚴(yán)重的是三極管參數(shù)隨溫度變化引起的漂移。在模擬集成運(yùn)放中，減小零點(diǎn)漂移的方法與分立元件放大電路中穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法大體相似，如采用恒流源偏置電路、第一級(jí)(前級(jí))采用具有補(bǔ)償特性的差分放大電路等。后者可利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其參數(shù)的對(duì)稱性，有效地抑制溫度漂移。

2/3/2023182/3/2023195.3.2差分放大電路的組成原理

5.3.2.1電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

a.電路兩邊對(duì)稱。具有兩個(gè)信號(hào)輸入端，兩個(gè)輸出端。信號(hào)既可以雙端，也可以單端輸出。2/3/2023205.3.2.2零點(diǎn)漂移的抑制

由于電路處于直流工作狀態(tài)且電路具有對(duì)稱性，三極管的集電極電流相等，集電極電位也相等，即

（1）時(shí)，(a)當(dāng)溫度T一定時(shí)(b)當(dāng)溫度增加時(shí)可見，差分放大器在雙端輸出的情況下，漂移為零。2/3/202321圖5-9(a)所示電路存在如下問題。

1）即使輸出端的漂移小了，但每個(gè)管子集電極對(duì)地的漂移并未減少，若采用單端輸出信號(hào)，則差分電路的優(yōu)勢(shì)不存在。

2）當(dāng)每個(gè)三極管的漂移量比較大時(shí)，在大范圍完全抵消的可能性就很小。要盡可能提高每個(gè)管子抑制零漂的能力，有效的解決辦法是在圖5-9的基礎(chǔ)上加上一個(gè)發(fā)射極電阻，如圖5-10所示。5.3.2.3電路改進(jìn)2/3/202322典型差分放大電路電位器是調(diào)平衡用的，又稱為調(diào)零電位器。

雙端輸入雙端輸入雙端輸出2/3/2023235.3.3差分放大電路的靜態(tài)分析

由于電路的對(duì)稱性靜態(tài)時(shí)由輸入回路有

（5-5）直流通路2/3/202324由于

由式(5-5)得則可得

由此可知（5-6）2/3/2023255.3.4差分放大電路動(dòng)態(tài)分析

放大電路的輸入信號(hào)有三種形式：差模輸入、共模輸入、比較輸入。

5.3.4.1差模輸入

兩個(gè)輸入信號(hào)的大小相等，極性相反，即，這樣的輸入稱為差模輸入。2/3/2023261.差模輸入時(shí)放大電路中的電流電阻RE上無交流電流，T1、T2發(fā)射極虛地。T1基極電位升高T2基極電位降低T2發(fā)射極極電流增大T2發(fā)射極極電流減小2/3/202327交流通路微變等效電路負(fù)載電阻RL的中點(diǎn)虛地負(fù)載電阻RL的中點(diǎn)虛地2/3/202328由于則1.雙端輸出

雙端輸出時(shí)差模電壓放大倍數(shù)為

差模輸入電阻（從兩管輸入端看進(jìn)去的等效電阻）

（5-8）（5-9）差模輸出電阻為（5-10）2/3/202329（5-11）

Aud與單級(jí)共射極電路電壓放大倍數(shù)相同。可見，差分放大電路是用“數(shù)量換質(zhì)量”。輸出電壓與輸入電壓反相2/3/2023302.單端輸出其中表示單管放大電路的電壓放大倍數(shù)。差模輸入電阻（與雙端輸出相同）差模輸出電阻為（5-13）從T1的集電極輸出時(shí)(無負(fù)載)T1的集電極輸出為反相輸出（5-12）

2/3/202331上式說明，單端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)是單管共射極放大器電壓放大倍數(shù)的一半；輸出電阻和單管共射極放大電路相同；輸入電阻和雙端輸入相同，是單管共射極放大電路的兩倍。

如果在T1輸出端與地之間接上負(fù)載電阻，則差模電壓放大倍數(shù)為（5-14）輸出電壓與輸入電壓反相特別注意：右圖所示電路中T1與T2集電極直流電位不相等2/3/202332從T2的集電極輸出輸出電壓與輸入電壓同相，稱為同相輸出端2/3/2023335.3.4.2共模輸入

1)雙端輸出

1)雙端輸出

兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等，極性相同，1.共模電壓放大倍數(shù)于兩管對(duì)稱，有

（5-15）上式說明，差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)，具有很強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。

2/3/202334（1）兩輸入端不連在一起時(shí)

（5-16）

（5-18）

2/3/202335（2）兩輸入端連在一起時(shí)

（5-17）

（5-18）

2/3/2023362）單端輸出電壓放大系數(shù)（5-19）通常則有

由上式可知，越大，越小，抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。故稱射極電阻為共模抑制電阻。如果在輸出端與地之間接了負(fù)載，則共模電壓放大倍數(shù)為

通常2/3/2023372.共模抑制比共模抑制比的定義（5-20）或用對(duì)數(shù)形式（5-21）a.雙端輸出時(shí)b.單端輸出時(shí)2/3/2023383.共模輸入電阻由于4.共模輸出電阻為

雙端輸出時(shí)單端輸出時(shí)2/3/2023395.3.4.3比較輸入

兩個(gè)信號(hào)既非差模，又非共模，它們的大小和極性是任意的，這種輸入稱為比較輸入。

比較輸入可分解為共模與差模的合成

由于有

（5-22）由于電路對(duì)稱，雙端輸出時(shí)

單端輸出時(shí)2/3/202340差分放大器的傳輸特性可以用BJT的be結(jié)電壓與集電極電流的基本關(guān)系：

求出，也可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出。

1)當(dāng)時(shí)電路處于平衡狀態(tài)，輸出電壓；

2）當(dāng)時(shí)，電路處于差動(dòng)放大狀態(tài)，時(shí)，增大，減小，增大；時(shí)，減小，增大，也增大，但相位相反。由此得到上圖所示差分放大器的電壓傳輸特性曲線。2/3/2023415.3.4.4單端輸入的差分放大電路

若信號(hào)僅加在一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接地，即所謂的單端輸入。

單端輸入可以看作是比較輸入的一個(gè)特例，即由式（5-22）

2/3/202342共模信號(hào)與差模信號(hào)共同產(chǎn)生的輸出為與雙端輸入的情況一樣。雙端輸出時(shí)

輸出僅由差模信號(hào)引起單端輸出時(shí)可見，單端輸入可以看作是雙端輸入，差模信號(hào)仍然相同，只是輸入的共模信號(hào)不同而已。

單端輸入和雙端輸入時(shí)的差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻完全相同；單端輸出的放大倍數(shù)和輸出電阻均為雙端輸出時(shí)的一半?！纠?-1】鏈接2/3/2023435.3.5帶恒流源的差分放大電路

2/3/202344恒流源選擇Rb1和Rb2使IBQ3恒定，則IC3恒定。2/3/202345（5-23）（5-24）（5-25）2/3/202346【例5-2】鏈接2/3/2023475.4集成運(yùn)放的組成原理和主要技術(shù)參數(shù)

5.4.1集成運(yùn)算放大器的組成

5.4.1.1集成運(yùn)算放大器的原理框圖

2/3/2023485.4.1集成運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR

,

輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，使輸入電阻Ri

盡可能大。中間級(jí)：足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸出級(jí)：輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器，主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

。即輸出阻抗Ro小。偏置電路：為運(yùn)算放大器中各放大器提供偏置電流。2/3/2023492/3/2023502/3/2023515.4.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)參數(shù)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105107之間。理想運(yùn)放的Aud為。2.共模抑制比KCMRR常用分貝作單位，一般100dB以上。理想運(yùn)放的KCMRR為。3.差模輸入電阻RidRid>1M,有的可達(dá)100M以上。理想運(yùn)放的Rid為。4.輸出電阻RoRo=幾—幾十。理想運(yùn)放的Ro為0。5.無限大的帶寬和轉(zhuǎn)換速率

2/3/2023525.4.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)參數(shù)6．開環(huán)帶寬（–3dB帶寬）fH7．單位增益帶寬fBWG8．建立時(shí)間Tset

0.1UomUomTset9．最大差模輸入電壓UIDM

10．最大共模輸入電壓UICM

11．最大輸出電流IOM

12．輸出電壓峰——峰值Uopp2/3/2023535.4.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)參數(shù)直流參數(shù)1．輸入失調(diào)電壓UIO2．輸入偏置電流IIB

3．輸入失調(diào)電流IIO

4．失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫漂

UIOT、IIOT

2/3/202354集成運(yùn)算放大器特性2/3/202355電壓傳輸特性

2/3/202356理想運(yùn)放模型的參數(shù)如下差模電壓放大倍數(shù)：；差模輸入電阻：；輸出電阻為零：；共模抑制比：；轉(zhuǎn)換速率：.5.4.3理想運(yùn)放的分析方法

2/3/2023572/3/2023585.4.3理想運(yùn)放的分析方法

2.虛斷

（5-29）1.虛短

理想運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，而輸出電壓是一個(gè)有限的數(shù)值，在深度負(fù)反饋時(shí)，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，（5-28）

2/3/2023595.5模擬信號(hào)的運(yùn)算電路

5.5.1比例運(yùn)算5.5.1.1反相比例運(yùn)算電路

根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的虛斷、虛短即式(5-28)、(5-29)有則輸出電壓

電壓放大倍數(shù)

（5-30）2/3/2023605.5.1.2同相比例運(yùn)算電路

根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的虛斷、虛短即式(5-28)、(5-29)有輸出電壓為

（5-32）2/3/202361電壓跟隨器圖5-292/3/202362如果同相端接上分壓電阻，如圖5-30所示，則有由于同相比例電路不存在“虛地”，運(yùn)放承受的共模輸入電壓比較大，要求運(yùn)放有較高的共模抑制比。【例5-4】鏈接2/3/2023635.5.2加法運(yùn)算電路

5.5.2.1反相加法運(yùn)算電路

由KCL其中2/3/202364由以上各式得（5-35）當(dāng)時(shí)，

（5-36）平衡電阻2/3/2023655.5.2.2同相加法運(yùn)算電路

由式(5-28)、(5-29)有由節(jié)點(diǎn)法，有若令

2/3/202366則

(5-37)上式和式（5-37）形式上相似，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)輸入信號(hào)的同相比例求和運(yùn)算。2/3/2023675.5.3減法運(yùn)算電路

如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)，則為差動(dòng)輸入。電路如圖5-35所示。由于運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，用迭加定律，求出其運(yùn)算關(guān)系。單獨(dú)作用時(shí)，這是一個(gè)反相比例運(yùn)算電路單獨(dú)作用時(shí)，這是一個(gè)同相比例運(yùn)算電路

2/3/202368由虛斷，有

故（5-38）當(dāng)、時(shí)，其為一個(gè)比例減法運(yùn)算電路

（5-39）若取，則為一個(gè)減法電路

（5-40）【例5-5】【例5-6】鏈接2/3/2023695.5.4積分運(yùn)算電路

利用“虛地”概念，由圖可知反饋電流2/3/202370輸入電壓輸出電壓t0t02/3/2023712/3/2023725.5.5微分運(yùn)算電路

利用“虛地”概念，由圖可知2/3/202373輸入方波電壓輸出電壓t0TUt0【例5-7】鏈接2/3/2023742/3/2023755.5.6模擬乘法器

一個(gè)理想的乘法器，輸出電壓正比于兩個(gè)輸入電壓的乘積乘法器符號(hào)2/3/2023765.5.6.2模擬乘法器的應(yīng)用

1.

平方運(yùn)算電路

將乘法器的兩個(gè)輸入端合并作為一個(gè)輸入信號(hào)，即為平方運(yùn)算電路

（5-46）2.弦波倍頻電路

當(dāng)平方運(yùn)算的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)

則輸出為：

（5-47）2/3/2023773.除法運(yùn)算電路

用乘法器組成的除法電路如圖5-46所示。由圖有

根據(jù)理想運(yùn)算放大器的虛斷、虛短概念（5-48）2/3/2023784.開平方運(yùn)算電路

若將除法電路中的乘法器的兩個(gè)輸入端合并，再與運(yùn)放輸出端相連，如圖5-41所示，就構(gòu)成了負(fù)壓開方運(yùn)算電路。則（5-49）為負(fù)值時(shí)，運(yùn)放輸出為正，二極管導(dǎo)通，電路正常工作；當(dāng)為正值時(shí)，運(yùn)放輸出為負(fù)，二極管截止，電路不工作。

2/3/2023795.5.7集成運(yùn)算放大器接成交流放大器

雙電源同相輸入式交流放大電路

2/3/202380雙電源反相輸入式交流放大電路

2/3/202381單電源反相輸入式交流放大電路

2/3/202382交流信號(hào)分配放大器

2/3/2023835.6有源濾波器

5.6.1濾波器的作用和分類

濾波器的分類a.根據(jù)處理的信號(hào)不同分為

數(shù)字濾波器模擬濾波器b.根據(jù)使用的濾波元件不同分為RC型LC型RLC型c.根據(jù)工作頻率不同分為低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器全通濾波器2/3/202384功能:允許信號(hào)中某一部分頻率的分量通過。通帶:能夠通過信號(hào)的頻率范圍。阻帶:不能夠通過信號(hào)的頻率范圍。截止頻率:通帶和阻帶之間的分界頻率。低通濾波器:低頻信號(hào)能順利通過而高頻信號(hào)不能通過的濾波器

。高通濾波器:高頻信號(hào)能順利通過而低頻信號(hào)不能通過的濾波器

。帶通濾波器:只允許某一頻段內(nèi)的信號(hào)通過，而將這一頻段之外的信號(hào)阻斷

。帶阻濾波器:在規(guī)定的某一頻段內(nèi)，信號(hào)被阻斷，而在這頻段外的信號(hào)，可以順利通過

。2/3/202385理想濾波器的幅頻特性高通帶通通帶fA0fA0通帶通帶通帶Af0fA0通帶帶阻低通2/3/2023865.6.2有源低通濾波器(LPF)

由圖5-47a有

2/3/202387其中(5-53)

(5-54)為濾波器的截止頻率，為通帶電壓增益。

（5-52）時(shí)，幅頻特性下降了3分貝，這時(shí)即為由通帶轉(zhuǎn)為阻帶的截止頻率。

2/3/202388通帶過渡帶阻帶2/3/2023896.6.3有源高通濾波器(HPF)

(6-59)（6-60）2/3/2023902/3/2023916.6.3有源帶通濾波器(BPF)

圖2/3/202392電路及幅頻特性如圖6-49

(5-64)（5-65）幅頻特性中心頻率為

時(shí)

2/3/2023932/3/2023946.6.4有源帶阻濾波器(BEF)

2/3/202395圖5-65(a)所示為典型的雙T帶阻濾波器(5-66)（5-67）2/3/2023966.7電壓比較器

電壓比較器是對(duì)輸入