第3章集成運(yùn)算放大器chd

第3章集成運(yùn)算放大器chd第一頁(yè)，共137頁(yè)。第三版童詩(shī)白第三版童詩(shī)白本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：1、掌握多級(jí)放大電路的耦合方式，為集成電路的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)2、掌握直接耦合放大電路中差分放大電路的組態(tài)及動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算3、了解多級(jí)放大電路中的互補(bǔ)輸出級(jí)

本章教學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)

第二頁(yè)，共137頁(yè)。第三版童詩(shī)白第三版童詩(shī)白第三版童詩(shī)白本章討論的問(wèn)題：1.單管放大電路為什么不能滿足多方面性能的要求？2.如何將多個(gè)單級(jí)放大電路連接成多級(jí)放大電路？各種連接方式有和特點(diǎn)？3.直接耦合放大電路的特殊問(wèn)題是什么？如何解決？4.差分放大電路與其它基本放大電路有什么區(qū)別？為什么它能抑制零點(diǎn)漂移？5.直接耦合放大電路輸出級(jí)的特點(diǎn)是什么？如何根據(jù)要求組成多級(jí)放大電路？第三頁(yè)，共137頁(yè)。3.1集成運(yùn)算放大器電路

1.集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠

性高、價(jià)格低。2.集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能分小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬集成電路簡(jiǎn)稱IC

(IntegratedCircuit)

集成運(yùn)算放大電路，是一種高放大倍數(shù)的直接耦合多級(jí)放大電路的集成器件，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。第四頁(yè)，共137頁(yè)。3.集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式第五頁(yè)，共137頁(yè)。輸入級(jí)差分電路，大大減少溫漂。中間級(jí)采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)偏置電路電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+uouid3.1.1集成運(yùn)放電路的組成實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。1.基本組成第六頁(yè)，共137頁(yè)。2.集成運(yùn)算放大器符號(hào)

LM324的引腳圖:

第七頁(yè)，共137頁(yè)。3.1.2集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.對(duì)稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。

2.用有源器件代替無(wú)源器件。

3.用晶體管代替二極管和電阻(特別是大電阻)。

4.電路通常采用直接耦合電路方式。

5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10。常采用復(fù)合管的形式。第八頁(yè)，共137頁(yè)。3.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性圖集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性u(píng)O=Au(u+-u-)+AodU+u-uOuOu+-u-兩個(gè)輸入端：同相輸入端u+和反向輸入端u-。輸出電壓：第九頁(yè)，共137頁(yè)。輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即集成運(yùn)放的工作區(qū)域線性區(qū)域：Aod為差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMuOuP-uN+UOM-UOM第十頁(yè)，共137頁(yè)。3.2

集成運(yùn)放中的電流源電路集成運(yùn)放電路中的晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級(jí)提供合適的靜態(tài)電流;或作為有源負(fù)載取代高阻值電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。3.2.1基本電流源電路第十一頁(yè)，共137頁(yè)。一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基準(zhǔn)電流由于UBE1=UBE2，T1與T2

參數(shù)基本相同，則IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC第十二頁(yè)，共137頁(yè)。+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以當(dāng)滿足>>2時(shí)，則電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有一定的溫度補(bǔ)償作用第十三頁(yè)，共137頁(yè)。+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源R1R2由圖可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，則忽略基極電流，可得兩個(gè)三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。圖4.2.2比例電流源第十四頁(yè)，共137頁(yè)。三、微電流源

在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關(guān)系因二極管方程第十五頁(yè)，共137頁(yè)。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re圖4.2.3微電流源當(dāng)β>>1時(shí)，有

電路特點(diǎn)：利用較小電阻可獲得微安級(jí)的電流源。

第十六頁(yè)，共137頁(yè)。3.2.2改進(jìn)型電流源電路問(wèn)題：基本電流源電路在很小時(shí)，IR和IC2相差很大。為了減小基極電流的影響，提高傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對(duì)基本電流源電路進(jìn)行改進(jìn)。一、改進(jìn)型鏡像電流源缺點(diǎn)：1.受電源波動(dòng)影響大； 2.電流最低至mA級(jí)。加射極輸出器的電流源第十七頁(yè)，共137頁(yè)。一、改進(jìn)型鏡像電流源第十八頁(yè)，共137頁(yè)。二、威爾遜電流源T1、T2、T3管的特性完全相同，即

由上式可見(jiàn)，IC3更接近IR的值。

當(dāng)β＝10IC2=0.984IR可見(jiàn)，在β很小時(shí)，也可認(rèn)為IC2=IR。IC2受基極電流影響很小。第十九頁(yè)，共137頁(yè)。3.2.3多路電流源1.多路鏡像電流源

多路電流源：利用一個(gè)基準(zhǔn)電流去獲得多個(gè)不同的輸出電流，以適應(yīng)不同的需要，第二十頁(yè)，共137頁(yè)。2.多路微電流源

當(dāng)IR確定后，只要選擇合適的各級(jí)發(fā)射極電阻，即可得到所需要的輸出電流。第二十一頁(yè)，共137頁(yè)。2.多集電極管形成的多路電流源

當(dāng)基極電流一定時(shí)，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。第二十二頁(yè)，共137頁(yè)?！纠侩娐肥荈007的電流源部分。其中T10與T11為縱向NPN管；T12與T13是橫向PNP管，它們的β=5，UBE=0.7V，試求各管的集電極電流。【解】≈0.73mAIC10≈28uAT10和T11構(gòu)成微電流源T12和T13構(gòu)成鏡像電流源第二十三頁(yè)，共137頁(yè)。3.2.4以電流源為有源負(fù)載的放大電路在集成運(yùn)放中，常用電流源電路取代RC或Rd，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可獲得很大的等效RC或Rd的。晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管是有源元件，又可作為負(fù)載，故稱為有源負(fù)載。第二十四頁(yè)，共137頁(yè)。一、有源負(fù)載共射放大電路用電流源替代集負(fù)載電極電阻RC第二十五頁(yè)，共137頁(yè)。第二十六頁(yè)，共137頁(yè)。二、有源負(fù)載差分放大電路第二十七頁(yè)，共137頁(yè)。3.3差動(dòng)放大電路電路形式基本形式長(zhǎng)尾式恒流源式3.3.1基本差分放大電路1.電路對(duì)稱+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2Rb1=Rb2Rc1=Rc2下T1和T2的特性和參數(shù)均完全相同。第二十八頁(yè)，共137頁(yè)。電路以兩只管子集電極電位差為輸出，可克服溫度漂移。共模信號(hào)：uI1和uI2大小相等，極性相同。差模信號(hào)：uI1和uI2大小相等，極性相反。差分放大電路也稱為差動(dòng)放大電路2.輸入信號(hào)當(dāng)uId=0，時(shí)（靜態(tài)）UCQ1=UCQ2UO=0第二十九頁(yè)，共137頁(yè)。3.電壓放大倍數(shù)

VT1

和VT2

基極輸入電壓大小相等，極性相反，——稱為差模輸入電壓(uId)。在差模信號(hào)作用下：差模電壓放大倍數(shù)為第三十頁(yè)，共137頁(yè)。共模輸入電壓uIc

：大小相等，極性相同+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模電壓放大倍數(shù)：Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好電路參數(shù)完全對(duì)稱，Ac=0第三十一頁(yè)，共137頁(yè)。理想情況下，電路參數(shù)完全對(duì)稱，Ac=0，KCMR=∞。(CommonModeRejectionRatio)共模抑制比

KCMR越大，說(shuō)明差放分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。基本形式差放電路每個(gè)三極管的集電極對(duì)地電壓，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒(méi)有改善。第三十二頁(yè)，共137頁(yè)。3.差分放大電路的改進(jìn)圖將發(fā)射極電阻合二為一、對(duì)差模信號(hào)Re相當(dāng)于短路。ReRb1Rb2+uI1-VBB-uI2+圖3.3.2差分放大電路的組成(d)典型差分放大電路圖3.3.2差分放大電路的組成(e)ReRb1Rb2+uI1--VEE-uI2+長(zhǎng)尾式差分放大電路便于調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，電源和信號(hào)源能共地第三章多級(jí)放大電路第三十三頁(yè)，共137頁(yè)。3.3.2長(zhǎng)尾式差分放大電路可減小每個(gè)管子輸出端的溫漂。1.電路組成

Re

稱為“長(zhǎng)尾電阻”。且引入共模負(fù)反饋。

Re愈大，共模負(fù)反饋愈強(qiáng)。Ac愈小。每個(gè)管子的零漂愈小。圖4.2.8長(zhǎng)尾式差分放大電路ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1第三十四頁(yè)，共137頁(yè)。（1）對(duì)共模信號(hào)的抑制作用ReRb1Rb2-VEE+uI1-+uI1-第三章多級(jí)放大電路uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0靜態(tài)時(shí)，ui1

=

ui2

=0當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC（兩管變化量相等）

對(duì)稱差動(dòng)放大電路對(duì)兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。即對(duì)共模信號(hào)沒(méi)有放大能力。2.工作原理第三十五頁(yè)，共137頁(yè)。（2）對(duì)差模信號(hào)的放大作用圖3.3.5差分放大電路加差模信號(hào)（a)分析時(shí)注意二個(gè)“虛地”ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1+uId--++-+uod-EE點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下不變，相當(dāng)于接“地”。負(fù)載電阻的中點(diǎn)電位在差模信號(hào)作用下不變，相當(dāng)于接“地”。第三章多級(jí)放大電路第三十六頁(yè)，共137頁(yè)。圖長(zhǎng)尾式差分放大電路ReRb1Rb2-UEEuI1uI2RC2RC13.靜態(tài)分析IE≈UEE∕2Re

；UCE1=UCE2≈UCC―RCICUo=0IB1=IB2=IE/(1+β)由于IB較小，IBRB1可忽略不計(jì)。第三章多級(jí)放大電路IBRB1

+UBE1+2IERe=UEEIC1=IC2≈IE2IE2IERe

≈

UEE第三十七頁(yè)，共137頁(yè)。4.動(dòng)態(tài)分析RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2則同理第三十八頁(yè)，共137頁(yè)。RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe輸出電壓為差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為第三十九頁(yè)，共137頁(yè)?！纠吭趫D差分放大電路中,已知UCC=12V，EE=12V,=50,RC=10k,RE=10k,RB=20k，

輸出端接負(fù)載RL=20k,試求：電路的靜態(tài)值和差模電壓放大倍數(shù)、Ri、R0。第四十頁(yè)，共137頁(yè)。【解】=2(20+2.41)=44.82kΩ=20kΩ第四十一頁(yè)，共137頁(yè)。5.在任意輸入情況下合成輸出信號(hào)

ui1、ui2大小和極性是任意的。其中：uo僅與差模輸入電壓成正比，而與共模輸入電壓大小無(wú)關(guān)。第四十二頁(yè)，共137頁(yè)。比較輸入：

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號(hào)差模信號(hào)放大器只放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值信號(hào)—差動(dòng)放大電路。這種輸入常作為比較放大來(lái)應(yīng)用，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是常見(jiàn)的。第四十三頁(yè)，共137頁(yè)。3.3.3恒流源式差分放大電路用三極管代替“長(zhǎng)尾式”電路的長(zhǎng)尾電阻，即構(gòu)成恒流源式差分放大電路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.電路組成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2不隨溫度變化，從而抑制共模信號(hào)的變化。圖4.2.13恒流源式差分放大電路第四十四頁(yè)，共137頁(yè)。具有電流源的差分放大電路簡(jiǎn)化畫法ui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEEIui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREFIC4R1第三章多級(jí)放大電路第四十五頁(yè)，共137頁(yè)。2.靜態(tài)分析當(dāng)忽略VT3

的基極電流時(shí)，Rb1上的電壓為RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到圖恒流源式差分放大電路第四十六頁(yè)，共137頁(yè)。3.動(dòng)態(tài)分析由于恒流三極管相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的長(zhǎng)尾電阻，它的作用也是引入一個(gè)共模負(fù)反饋，對(duì)差模電壓放大倍數(shù)沒(méi)有影響，所以與長(zhǎng)尾式交流通路相同。差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為第四十七頁(yè)，共137頁(yè)。3.3.4典型差分放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個(gè)管子的漂移。EE：用于補(bǔ)償RE上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。電位器RP:

起調(diào)零作用。第四十八頁(yè)，共137頁(yè)。1.靜態(tài)分析集電極電流發(fā)射極電位

VE

0基極電流集射極電壓RC+UCCRB1T1RE

-EEIB2IEICIE+UCE+－UBE+－單管直流通路第四十九頁(yè)，共137頁(yè)。2.動(dòng)態(tài)分析單管差模信號(hào)通路

由于差模信號(hào)使兩管的集電極電流一增一減，其變化量相等，通過(guò)RE的電流近于不變，RE上沒(méi)有差模信號(hào)壓降，故RE對(duì)差模信號(hào)不起作用，可得出下圖所示的單管差模信號(hào)通路。單管差模電壓放大倍數(shù)同理可得T1RCibic+uo1RB+ui1第五十頁(yè)，共137頁(yè)。雙端輸入—雙端輸出差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為當(dāng)在兩管的集電極之間接入負(fù)載電阻時(shí)式中兩輸入端之間的差模輸入電阻為兩集電極之間的差模輸出電阻為第五十一頁(yè)，共137頁(yè)。單端輸出時(shí)差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為即：?jiǎn)味溯敵霾罘蛛娐返碾妷悍糯蟊稊?shù)只有雙端輸出差分電路的一半。單端輸入:

即將T1輸入端或T2輸入端接“地”,而另一端接輸入信號(hào)ui

。四種差分放大電路的比較見(jiàn)表15.7.1。第五十二頁(yè)，共137頁(yè)。3.3.5差分放大電路四種接法有四種不同的接法差分輸入、雙端輸出；差分輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。1.差分輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+圖差分輸入、雙端輸出第五十三頁(yè)，共137頁(yè)。2.差分輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo

uO約為雙端輸出的一半，即若由VT2

集電極輸出，uO

為“正”。圖4.2.16(b)

差分輸入、單端輸出第五十四頁(yè)，共137頁(yè)。3.單端輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+單端輸入則當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，三極管仍然基本工作在差分狀態(tài)，所以圖4.2.16(c)單端輸入、雙端輸出第五十五頁(yè)，共137頁(yè)。4.單端輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改從VT2

集電極輸出，則這種接法比一般的單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。圖4.2.16(d)單端輸入、單端輸出第五十六頁(yè)，共137頁(yè)?！静罘址糯箅娐贰繗w納如下：第五十七頁(yè)，共137頁(yè)。第五十八頁(yè)，共137頁(yè)。差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo第五十九頁(yè)，共137頁(yè)。差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出特性

1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號(hào)及負(fù)載的兩端均不接地的情況。

1.Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。

2.由于引入共模負(fù)反饋，仍有較高的KCMR。

3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。

1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。

1.Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。

2.比單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。

3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。

4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。第六十頁(yè)，共137頁(yè)。結(jié)論

(1)

雙端輸出時(shí)，Ad

與單管Au基本相同；單端輸出時(shí)，Ad

約為雙端輸出時(shí)的一半。雙端輸出時(shí)，Ro=2Rc；單端輸出時(shí)，Ro=Rc

。

(2)

雙端輸出時(shí)，理想情況下，KCMR

→

；單端輸出時(shí)，共模抑制比不如雙端輸出高。

(3)

單端輸出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。

(4)

單端輸出時(shí)，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個(gè)管子仍基本工作在差分狀態(tài)。

(5)

單端輸出時(shí)，Rid

2(R+rbe)。第六十一頁(yè)，共137頁(yè)。例3.1

電路如圖，已知：UCC=UEE=12V，

RC=RB=10kΩ，R1=4.6kΩ，R2=4.4kΩ，R3=3.2kΩ，β1=β2=β3=β=50，T1與T2的特性完全相同，UBE=0.7V。試分析：1)電路的靜態(tài)工作電流ICQ1、ICQ2及電壓UCEQ1、UCEQ2；2)差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、輸出電阻、共模電壓放大倍數(shù)、共模抑制比；3)由分析結(jié)果歸納電路的特點(diǎn)。第六十二頁(yè)，共137頁(yè)?！窘狻?）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。

?第六十三頁(yè)，共137頁(yè)?！窘狻?）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。2）動(dòng)態(tài)參數(shù)分析圖3.25電路的差模等效電路第六十四頁(yè)，共137頁(yè)。2）動(dòng)態(tài)參數(shù)分析差模電壓放大倍數(shù)為：

可見(jiàn)單端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)是雙端輸出時(shí)的二分之一第六十五頁(yè)，共137頁(yè)。

差模輸入電阻:

共模放大倍數(shù)為：共模抑制比為：通常情況下，近似認(rèn)為恒流源的等效電阻為無(wú)窮大，此時(shí)，共模抑制比趨于無(wú)窮大。共模輸出電壓為：輸出電阻為：第六十六頁(yè)，共137頁(yè)。綜上所述，①雙入單出時(shí)，其差模放大倍數(shù)是雙端輸入雙端輸出的一半；②單端輸出時(shí)，其共模輸出電壓不能相互抵消，電路依靠恒流源提高對(duì)共模信號(hào)的抑制能力；③單端輸出時(shí)的輸出電阻是雙端輸出的一半。3）電路特點(diǎn)第六十七頁(yè)，共137頁(yè)。例3.2:

電路如圖，已知：UCC=UEE=15V，

RC=RL=10kΩ，RB=3kΩ，RE=3.2kΩ，β1=β2=β=80，rbe1=rbe2=rbe，UBE=0.7V。試分析：1）電路的靜態(tài)工作電流IC1、IC2及電壓UCE2；2）求輸出電壓的表達(dá)式。第六十八頁(yè)，共137頁(yè)?！窘狻侩娐肥菃味溯斎雴味溯敵霾顒?dòng)放大電路

（1）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。第六十九頁(yè)，共137頁(yè)。取UBE=0.7V，代入數(shù)值計(jì)算有：第七十頁(yè)，共137頁(yè)。（2）作交流等效電路，動(dòng)態(tài)分析第七十一頁(yè)，共137頁(yè)。求解上述方程式可得：

第七十二頁(yè)，共137頁(yè)。復(fù)習(xí)1.差分放大電路的類別基本差分放大電路長(zhǎng)尾差分放大電路恒流源式差分放大電路2.差分放大電路的接法+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEEReRcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。FET差分放大電路T2Rg1vidT1RdRdVDD-VEERg2Vo2iD2iD2I0第三章多級(jí)放大電路第七十三頁(yè)，共137頁(yè)。3.4集成運(yùn)算放大電路雙極型集成運(yùn)放F007CMOS集成運(yùn)放C14573一、外形與符號(hào)3.4.1雙極型集成運(yùn)放F00712348765典型的集成運(yùn)放第七十四頁(yè)，共137頁(yè)。二、電路原理圖圖4.3.1F007電路原理圖第七十五頁(yè)，共137頁(yè)。1.偏置電路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級(jí)至中間級(jí)基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級(jí)所需的偏置電流。各路偏置電流的關(guān)系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級(jí)鏡像電流源中間級(jí)輸出級(jí)圖4.3.1-1F007的偏置電路第七十六頁(yè)，共137頁(yè)。2.輸入級(jí)

T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2

基極接收差分輸入信號(hào)。T5、T6

有源負(fù)載；

T4

集電極送出單端輸出信號(hào)至中間級(jí)。uO

RW

調(diào)零電阻，R外接電阻。

T7

與R2組成射極輸出器。+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖4.3.1-2uI2uI1第七十七頁(yè)，共137頁(yè)。若暫不考慮T7

和調(diào)零電路則電路可簡(jiǎn)化為：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負(fù)載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應(yīng)。(4).該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。圖簡(jiǎn)化示意圖第七十八頁(yè)，共137頁(yè)。3.中間級(jí)圖4.3.1-3中間級(jí)示意圖+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來(lái)自T4

和T6集電極；輸出接在輸出級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱放大管的基極。中間級(jí)T16、T17

組成復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。第七十九頁(yè)，共137頁(yè)。4.輸出級(jí)IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2圖4.3.1-4F007輸出級(jí)原理電路

T14、T18、T19

準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路；

D1、D2、R9、R10

過(guò)載保護(hù)電路；

T15、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個(gè)功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

倍增電路。第八十頁(yè)，共137頁(yè)。3.4.2主要性能指標(biāo)及低頻等效電路一、開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod一般用對(duì)數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無(wú)窮大；實(shí)際情況Aod

為100~140dB。第八十一頁(yè)，共137頁(yè)。二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。一般運(yùn)放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運(yùn)放：UIO

為1mV以下。定義：一般運(yùn)放為每度10~20V；高質(zhì)量運(yùn)放低于每度0.5V以下；第八十二頁(yè)，共137頁(yè)。四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差，即定義：一般運(yùn)放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運(yùn)放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。第八十三頁(yè)，共137頁(yè)。六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運(yùn)放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運(yùn)放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。第八十四頁(yè)，共137頁(yè)。九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時(shí)的頻率。一般集成運(yùn)放fH只有幾赫至幾千赫。第八十五頁(yè)，共137頁(yè)。十二、單位增益帶寬

fc

Aod

降至0dB時(shí)的頻率，此時(shí)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的SR

值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。第八十六頁(yè)，共137頁(yè)。3.5理想運(yùn)算放大器3.5.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod=∞；輸出電阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模輸入電阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；輸入偏置電流IIB=0；-3dB帶寬fH=∞，等等。第八十七頁(yè)，共137頁(yè)。3.5.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”圖4.5.1集成運(yùn)放的電壓和電流第八十八頁(yè)，共137頁(yè)。2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即——“虛斷”3.5.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)傳輸特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性圖4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性第八十九頁(yè)，共137頁(yè)。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)u+>u-

時(shí)，uO=+UOPP當(dāng)u+<u-時(shí),uO=-

UOPP

1.uO

的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運(yùn)放的輸入電流等于零第九十頁(yè)，共137頁(yè)。實(shí)際運(yùn)放Aod≠∞，當(dāng)u+與u-

差值比較小時(shí)，仍有Aod(u+

-

u-

)UOPP，運(yùn)放工作在線性區(qū)。例如：F007的Uopp=±14V，Aod

2×105

，線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍uOu+-u-O實(shí)際特性非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)但線性區(qū)范圍很小。圖4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性第九十一頁(yè)，共137頁(yè)。3.5集成運(yùn)放的種類及選擇3.5.1集成運(yùn)放的發(fā)展概況第九十二頁(yè)，共137頁(yè)。3.5集成運(yùn)放的種類及選擇3.5.2集成運(yùn)放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型:F007、F3242.電流放大型:LM3900、F19003.跨導(dǎo)型:LM3080、F30804.互阻型:AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變?cè)鲆孢\(yùn)放2.選通運(yùn)放第九十三頁(yè)，共137頁(yè)。1.高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開(kāi)環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，要求電壓很低，有較高的開(kāi)環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標(biāo)分類3.大功率型性能特點(diǎn)：可提供較高的輸出電壓和較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。第九十四頁(yè)，共137頁(yè)。4.高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測(cè)量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號(hào)源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）5.高速型大信號(hào)工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：第九十五頁(yè)，共137頁(yè)。常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）6.高壓型性能特點(diǎn)：輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。3.5.3運(yùn)放的選擇第九十六頁(yè)，共137頁(yè)。根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運(yùn)放填入空內(nèi)。

①通用型②高阻型③高速型④低功耗型

⑤高壓型⑥大功率型⑦高精度型

（1）作低頻放大器，應(yīng)選用

。

（2）作寬頻帶放大器，應(yīng)選用

。

（3）作幅值為1μV以下微弱信號(hào)的測(cè)量放大器，應(yīng)選用

。

（4）作內(nèi)阻為100kΩ信號(hào)源的放大器，應(yīng)選用

。

（5）負(fù)載需5A電流驅(qū)動(dòng)的放大器，應(yīng)選用

。

（6）要求輸出電壓幅值為±80V的放大器，應(yīng)選用

。

（7）宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用

?！窘狻浚?）①（2）③（3）⑦（4）②（5）⑥（6）⑤（7）④【課堂討論】第九十七頁(yè)，共137頁(yè)。3.6集成運(yùn)放的使用一、集成運(yùn)放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開(kāi)環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號(hào)過(guò)大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因3.6.1使用時(shí)必做的工作第九十八頁(yè)，共137頁(yè)。2.漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動(dòng)端接觸不良集成運(yùn)放本身?yè)p壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯(cuò)避免負(fù)反饋過(guò)強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過(guò)大第九十九頁(yè)，共137頁(yè)。3.6.2保護(hù)措施一、輸入保護(hù)(a)防止輸入差模信號(hào)幅值過(guò)大(b)防止輸入共模信號(hào)幅值過(guò)大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFD1D2uI保護(hù)元件圖4.6.1輸入保護(hù)措施第一百頁(yè)，共137頁(yè)。二、電源極性錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：D1、D2三、輸出端錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI圖4.6.2利用穩(wěn)壓管保護(hù)運(yùn)放圖4.6.3電源接錯(cuò)保護(hù)+UCC-UCC第一百零一頁(yè)，共137頁(yè)。四、輸出限流保護(hù)+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保護(hù)元件：T1、T2(b)保護(hù)管工作特性正常工作時(shí)工作點(diǎn)在

A；工作電流過(guò)大，工作點(diǎn)經(jīng)B

移到C

或D

點(diǎn)。(a)電路圖BCDAICUCEO圖輸出限流保護(hù)第一百零二頁(yè)，共137頁(yè)。3.6.3輸出電壓與輸出電流的擴(kuò)展一、提高輸出電壓采用在運(yùn)放輸出端再接一級(jí)由較高電壓電源供電的電路，來(lái)輸出電壓幅值。+uNuPA圖4.6.4提高輸出電壓的電路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1T2R1R2R3R4b1b2e1e2第一百零三頁(yè)，共137頁(yè)。二、增大輸出電流在運(yùn)放的輸出端加一級(jí)射極輸出器或互補(bǔ)輸出級(jí)。第一百零四頁(yè)，共137頁(yè)。3.直接耦合互補(bǔ)輸出級(jí)RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiT4RL+VCC+uoT1T2T3VEER*1R2R3R4uiIC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2第一百零五頁(yè)，共137頁(yè)。復(fù)習(xí)1.集成電路的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路2.集成電路中的電流源鏡像電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2比例電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB威爾遜電流源RIRIC2+VCCIC0IC多路電流源ICT∑IBRIREFVCCT0ReIET1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3MOS管多路電流源

MOS管多路電流源第一百零六頁(yè)，共137頁(yè)。3.7

集成運(yùn)放的電路分析一、讀圖方法二、原理電路的分析三、集成運(yùn)放的性能指標(biāo)第一百零七頁(yè)，共137頁(yè)。一、讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計(jì)算：必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。第一百零八頁(yè)，共137頁(yè)。二、原理電路的分析

若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。IR微電流源鏡像電流源第一百零九頁(yè)，共137頁(yè)。按信號(hào)流通順序分析放大電路部分雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)第一百一十頁(yè)，共137頁(yè)。三、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值開(kāi)環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞20lg│Aod│使uO為0在輸入端所加的補(bǔ)償電壓超過(guò)此值不能正常放大差模信號(hào)超過(guò)此值輸入級(jí)放大管擊穿第一百一十一頁(yè)，共137頁(yè)?！菊n堂討論】1.輸入級(jí)采用什么措施增大放大倍數(shù)？2.中間級(jí)采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？3.如何消除交越失真？4.uI1、uI2哪個(gè)是同相輸入端？哪個(gè)是反相輸入端？有源負(fù)載有源負(fù)載復(fù)合管共射放大電路增大輸入級(jí)的負(fù)載電阻__+___++反相輸入端同相輸入端積累電流放大系數(shù)超β管第一百一十二頁(yè)，共137頁(yè)。1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)

2）開(kāi)環(huán)輸入電阻3）開(kāi)環(huán)輸出電阻4）共模抑制比6.1理想運(yùn)算放大器1.理想化的主要條件：6.1.1理想運(yùn)算放大器第一百一十三頁(yè)，共137頁(yè)。＋－u－u+uo2.理想運(yùn)算放大器符號(hào)國(guó)際符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：uo++u+u––第一百一十四頁(yè)，共137頁(yè)。3.電壓傳輸特性

uo=f(ui)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)

O理想運(yùn)放工作區(qū)：線性區(qū)和飽和區(qū)（非線性區(qū))第一百一十五頁(yè)，共137頁(yè)。線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

3.電壓傳輸特性

uo=f(ui)uOu+-u-第一百一十六頁(yè)，共137頁(yè)。+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”—“虛地”如2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即——“虛斷”第一百一十七頁(yè)，共137頁(yè)。工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)第一百一十八頁(yè)，共137頁(yè)。【例】F007運(yùn)放的正、負(fù)電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)AU0=2105,輸出最大電壓（即Uo(sat))為±13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：－＋＋

u－

u+

uouOu+-u-第一百一十九頁(yè)，共137頁(yè)?！窘狻枯敵鲭妷狠敵鲭妷狠敵鲭妷狠敵鲭妷汉芎胾Ou+-u-第一百二十頁(yè)，共137頁(yè)。3.6基本運(yùn)算電路在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)，在深度負(fù)反饋條件下，利用反饋網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。基本運(yùn)算電路包括：比例、加減、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)3.6.1比例運(yùn)算電路第一百二十一頁(yè)，共137頁(yè)。1.反相比例運(yùn)算因“虛地”，所以u(píng)–=u+=0因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1if

要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–第一百二十二頁(yè)，共137頁(yè)。

(5)電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：

(1)Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。

(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。

(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。

(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。第一百二十三頁(yè)，共137頁(yè)?！纠?/p>

R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，R2應(yīng)為多大？第一百二十四頁(yè)，共137頁(yè)?！菊n堂練習(xí)】電路如圖，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？uORFuiR2R1++––++–第一百二十五頁(yè)，共137頁(yè)。例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？【解】1.Auf=–RF

R1=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1k第一百二十六頁(yè)，共137頁(yè)。2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=ui

平衡電阻R2=R1//RF第一百二十七頁(yè)，共137頁(yè)。

(5)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高