1、(4-1)電子技術(shù)電子技術(shù)第六章第六章 集成電路運(yùn)算集成電路運(yùn)算放大器放大器模擬電路部分模擬電路部分(4-2) 第六章第六章 差動(dòng)放大器與差動(dòng)放大器與集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器6.1 集集成運(yùn)算放大器中的電流源成運(yùn)算放大器中的電流源6.2 差分式放大電路差分式放大電路6.3 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器6.4 集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)Integrated operational amaplifier(4-3)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多級(jí)放大器。的多級(jí)放大器。線性集成電路線性集成電路 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器 功率

2、放大器功率放大器一、特點(diǎn)一、特點(diǎn): :1.1.直接耦合直接耦合 2. 2.偏置電流較小偏置電流較小 3. 3.幾十幾十RR幾十千幾十千 4. 4.有源負(fù)載代替大電阻、恒流源、有源負(fù)載代替大電阻、恒流源、T T代替代替D D 5. 5.對(duì)稱性好、差動(dòng)、對(duì)稱性好、差動(dòng)、 電流源電流源 6. 6.用復(fù)合管改進(jìn)單管性能用復(fù)合管改進(jìn)單管性能Integrated operational amaplifier(4-4)集成電路的工藝特點(diǎn)：集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。

3、（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。）不能制造電感，如需電感，也只能外接。(4-5)二、集成運(yùn)放的基本組成單元二、集成運(yùn)放的基本組成單元 輸入級(jí)的作用輸入級(jí)的作用：提供與輸出端成同相和反

4、相關(guān)系的：提供與輸出端成同相和反相關(guān)系的兩個(gè)輸入端，對(duì)其要求是溫度漂移要盡可能地小。兩個(gè)輸入端，對(duì)其要求是溫度漂移要盡可能地小。中間級(jí)中間級(jí)：主要完成電壓放大。：主要完成電壓放大。輸出級(jí)輸出級(jí)：向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大。：向負(fù)載提供一定的功率，屬于功率放大。偏置電路偏置電路:向各級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。向各級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。輔助環(huán)節(jié)輔助環(huán)節(jié)：電平偏移電路、調(diào)零電路、過流保護(hù)電：電平偏移電路、調(diào)零電路、過流保護(hù)電路。路。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路 uiu0(4-6) 多極放大電路多極放大電路Multistage amplifier 一、概述輸出級(jí)負(fù)載中間級(jí)輸入級(jí)信號(hào)源多極放大

5、電路三種耦合方式：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合三種耦合方式：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)變壓器耦合 耦合電路的形式(4-7)三種耦合方式的特點(diǎn)三種耦合方式的特點(diǎn)1.1.阻容耦合阻容耦合1)1)各級(jí)各級(jí)Q Q獨(dú)立獨(dú)立2 2）選擇較大的耦合電容可以不衰減傳遞的信號(hào)。）選擇較大的耦合電容可以不衰減傳遞的信號(hào)。3 3）不適于放大緩慢變化和直流信號(hào)）不適于放大緩慢變化和直流信號(hào)4 4）不易集成）不易集成2 .2 .直接耦合直接耦合1 1）可放大交、直流信號(hào)）可放大交、直流信號(hào)2 2）便于集成）便于集成3 3）Q Q不獨(dú)立不獨(dú)立4 4）有零點(diǎn)漂移和電平偏移現(xiàn)象）

6、有零點(diǎn)漂移和電平偏移現(xiàn)象(4-8) 3 .變壓器耦合變壓器耦合transformer-coupled 1）各級(jí)各級(jí)Q獨(dú)立獨(dú)立 2）利用變壓器原邊、次邊不同的變化，提高放大作用和輸出功率）利用變壓器原邊、次邊不同的變化，提高放大作用和輸出功率 3）不能反映緩慢變化和直流信號(hào)）不能反映緩慢變化和直流信號(hào),對(duì)高、低頻信號(hào)產(chǎn)生附加相移。對(duì)高、低頻信號(hào)產(chǎn)生附加相移。 4）不易集成、笨重）不易集成、笨重二、動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算二、動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算1.電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Au21iOUU111iOuUUA222iOuUUA121122122212uuiOiOiiiOiOuAAUUUUUUUUUUAr0101U2

7、01iUUri221iLrR前級(jí)后級(jí)(4-9)6.1 集成運(yùn)放中的電流源集成運(yùn)放中的電流源為了加強(qiáng)電路的集成度，電路中的電阻不宜太多，所為了加強(qiáng)電路的集成度，電路中的電阻不宜太多，所以在集成電路中常用以下幾種恒流源電路：以在集成電路中常用以下幾種恒流源電路：1. 鏡像電流源鏡像電流源BCRIII21BCII1RCII21RCCIII211設(shè)設(shè)RVVIBECCR 無論無論Rc2的值如的值如何，何， IC2的電流的電流值將保持不變。值將保持不變。CCV RIBI21BI2BI1CI2CI鏡像電流源鏡像電流源1V2VR(4-10)電路優(yōu)點(diǎn)電路優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有一定的溫度補(bǔ)償作用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有一

8、定的溫度補(bǔ)償作用。電路缺點(diǎn)電路缺點(diǎn)受受VCC影響大，當(dāng)影響大，當(dāng)VCC變化時(shí)，變化時(shí)，IC2幾乎同樣隨之變，幾乎同樣隨之變，不適應(yīng)電源電壓在大幅度變動(dòng)下運(yùn)行。不適應(yīng)電源電壓在大幅度變動(dòng)下運(yùn)行。要求小電流時(shí)，如微安級(jí)，要求要求小電流時(shí)，如微安級(jí)，要求R大；大；當(dāng)當(dāng) 值不夠大時(shí)，值不夠大時(shí)，IC2與與IR相差大。相差大。(4-11)2. 微電流源微電流源Micro-current source為了使為了使IC2為弱電流時(shí)為弱電流時(shí),R值仍然值仍然不大，我們可以在鏡像電流電不大，我們可以在鏡像電流電流源的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)電阻流源的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)電阻RE到到T2的發(fā)射極如圖所示。的發(fā)射極如圖所示。C

9、CV RIBI21CI2CI微電流源微電流源1T2TER1BEV2BEVREBE2BE1RVV E2C2II EBERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小也很小RE引入電流負(fù)反饋，也提高引入電流負(fù)反饋，也提高T2的集電極輸出電阻，它更接近的集電極輸出電阻，它更接近于理想的恒流源于理想的恒流源(4-12)3. 多路電流源多路電流源RBRCIIII /CCV RICI1CI多路電流源多路電流源T1T1eRR2T2eR3CI2CI3T3eR0T BIeR因?yàn)楦鱾€(gè)管子的因?yàn)楦鱾€(gè)管子的和和VBE相同，所以：相同，所以：321EEEEVVVV 33221e1eEeEEeERIRIRIRI3

10、33222111eeRECeeRECeeRECRRIIIRRIIIRRIII (4-13)4. 電流源用作有源負(fù)載電流源用作有源負(fù)載Active load ioV=VVA共射電路的電壓增益為：共射電路的電壓增益為：beLc)/(rRR 對(duì)于此電路對(duì)于此電路Rc就是鏡就是鏡像電流源的交流電阻，像電流源的交流電阻，因此增益為因此增益為beLV=rRA 比用電阻比用電阻Rc就作負(fù)載時(shí)提高了。就作負(fù)載時(shí)提高了。放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(4-14)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i2i1id=vvv 差模信號(hào)差模信號(hào))(21=i2i1i

11、cvvv 共模信號(hào)共模信號(hào)idodvvA=VD差模電壓增益差模電壓增益icocvvA=VC共模電壓增益共模電壓增益差模信號(hào)輸出差模信號(hào)輸出共模信號(hào)輸出共模信號(hào)輸出差分式放大電路結(jié)構(gòu)示意圖差分式放大電路結(jié)構(gòu)示意圖vi2線性放大線性放大線路線路vi1vo6.2 差分放大電路差分放大電路differential amplifier所謂差分，意思就是兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分式放所謂差分，意思就是兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分式放大電路是集成運(yùn)放的主要組成單元。大電路是集成運(yùn)放的主要組成單元。2=idici1vvv 2=idici2vvv (4-15)viRC1R1T1增加增加R2 、RE2 : 用于設(shè)置合適的用

12、于設(shè)置合適的Q點(diǎn)。點(diǎn)。問題問題 1 :前后級(jí)前后級(jí)Q點(diǎn)相互影響。點(diǎn)相互影響。+VCCvoRC2T2R2RE2直接耦合電路的特殊問題直接耦合電路的特殊問題6.2.1 基本差分放大電路基本差分放大電路(4-16)問題問題 2 :零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移。前一級(jí)的溫漂將作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，使得前一級(jí)的溫漂將作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，使得當(dāng)當(dāng) vi 等于零時(shí)，等于零時(shí)， vo不等于零。不等于零。viRC1R1T1+VCCvoRC2T2R2RE2vot0有時(shí)會(huì)將有時(shí)會(huì)將信號(hào)淹沒信號(hào)淹沒(4-17)零漂現(xiàn)象零漂現(xiàn)象：輸入輸入Vi=0時(shí)，輸出有時(shí)，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。緩慢變化的電壓產(chǎn)生。6.2差分式放大電路d

13、ifferential amplifier1 直耦放大電路的特殊問題直耦放大電路的特殊問題零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移(4-18)產(chǎn)生零漂的原因產(chǎn)生零漂的原因：溫漂是影響直接耦合放大電路性能的主要因素之一。溫漂是影響直接耦合放大電路性能的主要因素之一。0t這種輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化稱這種輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化稱零點(diǎn)漂零點(diǎn)漂移移-零漂。嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒有用信號(hào)。零漂。嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒有用信號(hào)。衡量衡量：將輸出漂移電壓折合到輸入端來衡量。：將輸出漂移電壓折合到輸入端來衡量。當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)，這種變化量會(huì)被后點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí)

14、，這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大，最終在輸出端產(chǎn)生面的電路逐級(jí)放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫溫漂漂。當(dāng)輸入端短路時(shí)輸出將隨當(dāng)輸入端短路時(shí)輸出將隨t緩慢變化，如圖緩慢變化，如圖(4-19) 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)也漂若第二級(jí)也漂了了100 uV，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 采用差分式放大電路采用差分式放大電

15、路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV例如例如解決方法：解決方法：(4-20)一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)對(duì)稱。結(jié)構(gòu)對(duì)稱。vi1vi2voRCRBT1RSRCRBT2RS1、 工作原理工作原理+VCC(4-21)二、二、 抑制零漂的原理抑制零漂的原理vo= VC1 - VC2 = 0vo= (VC1 + vC1 ) - (VC2 + vC2 ) = 0當(dāng)當(dāng) vi1 = vi2 =0 時(shí)：時(shí)：當(dāng)溫度變化時(shí)：當(dāng)溫度變化時(shí)：+VCCvovi1RCRBT1RSRCRBT2RSvi2(4-22)三、三、 共模電壓放大倍數(shù)

16、共模電壓放大倍數(shù)AC+VCCvovi1RCRBT1RSRCRBT2RSvi2共模輸入信號(hào)：共模輸入信號(hào)： vi1 = vi2 = vC （大小相等，極性相同）（大小相等，極性相同）理想情況：理想情況：vi1 = vi2 vC1 = vC2 vo= 0 共模電壓放大倍數(shù)：共模電壓放大倍數(shù)：（很小，（很小，1M , 有的可達(dá)有的可達(dá)100M 以上。以上。四、輸出電阻四、輸出電阻roro =幾幾 -幾十幾十 。6.4 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)(4-48)五、最大共模輸入電壓五、最大共模輸入電壓UIcmax六、最大差模輸入電壓六、最大差模輸入電壓UIdmax七、七、-3dB帶寬帶寬

17、fH運(yùn)放是直流放大器，運(yùn)放是直流放大器， 也可放大低頻信號(hào)，也可放大低頻信號(hào)，不適用于高頻信號(hào)。不適用于高頻信號(hào)。還有其他一些反映運(yùn)放對(duì)成性、零漂等的參還有其他一些反映運(yùn)放對(duì)成性、零漂等的參數(shù)。不再一一介紹。數(shù)。不再一一介紹。關(guān)于集成運(yùn)放的應(yīng)用下面分三個(gè)章節(jié)介紹。其中關(guān)于集成運(yùn)放的應(yīng)用下面分三個(gè)章節(jié)介紹。其中運(yùn)放都是作為理想運(yùn)放來處理。運(yùn)放都是作為理想運(yùn)放來處理。(4-49)運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖(4-50)運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖(4-51)6.5集成運(yùn)放應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)放應(yīng)用基礎(chǔ) 一、低頻等效電路UidridrOAudUidUO(4-52)1. 運(yùn)放的電壓傳輸特性：運(yùn)放的電

18、壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的運(yùn)放的AVO=104Ui1mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。AVO越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)AVO時(shí)，線性區(qū)時(shí)，線性區(qū)0 運(yùn)算放大器的兩個(gè)工作區(qū)域（狀態(tài)）運(yùn)算放大器的兩個(gè)工作區(qū)域（狀態(tài)）(4-53)1.Aod=2.rid=3.輸入偏置電流 iB1=iB2=04.CMRR=5.rod=0三、理想運(yùn)放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)。1.工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，其輸出與輸入 之間應(yīng)滿足以下線性關(guān)系: UO=Aod(U+-U-) 1）AOd， 可得U+=U- UUUAOod非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)OUOPP（+）UOPP（-）u+-u-二、理