清華大學(xué)自動化系2025.08電子電路與微處理器基礎(chǔ)葉朝輝FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor6.1模擬集成電路的特點(diǎn)6.2集成運(yùn)算放大電路6.3反饋基本知識6.4集成運(yùn)放的兩個工作區(qū)第6章集成運(yùn)算放大電路與反饋236.1模擬集成電路的特點(diǎn)為了提高集成度，集成電路應(yīng)避免制造大體積的元件：采用直接耦合方式：不用大容量的耦合電容；采用等效電阻非常大的電流源代替大阻值的電阻。

此外集成電路中由于相鄰元件距離非常近，因此用同樣的工藝制作元件時，很容易制作出一模一樣的元件。因此模擬集成電路中可以利用一對或者多個性能相同（對稱）的管子來設(shè)計(jì)電路。46.2.1

概述6.2.2

集成運(yùn)放的組成6.2.3

差分放大電路簡介6.2.4

互補(bǔ)輸出級電路6.2.5

集成運(yùn)放的符號和電壓傳輸特性6.2.6

集成運(yùn)放的性能指標(biāo)6.2.7

集成運(yùn)放的等效模型6.2集成運(yùn)算放大電路56.2.1概述一、發(fā)展歷史20世紀(jì)30至40年代，電子管運(yùn)算放大器，應(yīng)用于專用模擬計(jì)算系統(tǒng)。1946年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的“求和放大器（SummingAmplifier）”是一個直接耦合的電子管放大器，能夠完成算術(shù)和統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，稱為運(yùn)算放大器（Operationalamplifier，簡稱為Opamp）。第一片單片集成電路運(yùn)算放大器是由仙童公司（FairchildSemiconductorCorporation，簡稱為FSC）的工程師BobWidlar于1963年設(shè)計(jì)的，型號為μA702。1968年FSC設(shè)計(jì)了μA741，并且成為了后來的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并被廣泛應(yīng)用。6

集成運(yùn)算放大電路簡稱為集成運(yùn)放或運(yùn)放，是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻Ri、低輸出電阻Ro的直接耦合多級放大電路。

集成運(yùn)放廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，凡是需要處理微弱信號的應(yīng)用均可以采用集成運(yùn)放。76.2.2集成運(yùn)放的組成集成運(yùn)放通常由輸入級、中間級、輸出級共三級放大電路組成，用于電壓信號的處理。

輸入級：通常采用差分放大電路組成，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的性能；

中間級：通常由共射或者共源放大電路組成，具有較大的電壓放大倍數(shù)；

輸出級：通常由互補(bǔ)輸出級電路組成，帶負(fù)載能力強(qiáng)。86.2.3差分放大電路簡介一、直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象輸入信號為零而輸出信號發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。原因：半導(dǎo)體器件的特性受溫度影響，當(dāng)溫度變化時，Q點(diǎn)將發(fā)生變化，若為直接耦合放大電路，則輸出電壓也將發(fā)生變化。零點(diǎn)漂移現(xiàn)象主要由溫度變化引起，因此也稱為溫度漂移，簡稱為溫漂。Q點(diǎn)發(fā)生變化將影響晶體管的發(fā)射結(jié)電阻rbe（ICQ有關(guān)），而rbe與動態(tài)性能有關(guān)，因此動態(tài)性能將受溫度影響。9二、穩(wěn)定Q點(diǎn)的方法

為了減小或消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，需要穩(wěn)定Q點(diǎn)，特別是穩(wěn)定ICQ和UCEQ。

在晶體管發(fā)射極加入電阻Re，可以起到穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，穩(wěn)定過程如下：若溫度T(℃)↑→IC↑→IE↑→電阻Re上的電壓URe(=Re·IE)↑→UBE↓→IB↓→IC↓Re起到了負(fù)反饋的作用，穩(wěn)定了輸出信號。10

11

簡化：將兩個發(fā)射極電阻合并為一個電阻；將兩個正電源VBB改為一個負(fù)電源-VEE。

該電路稱為差分放大電路，常用于集成運(yùn)放的第一級，用于有效抑制溫漂。12三、差分放大電路

集成運(yùn)放通常采用差分放大電路作為第一級來抑制溫漂。1.組成利用對稱性來設(shè)計(jì)電路：T1、T2相同，Rb1=Rb2，RC1=RC2，Re1=Re2；uO=uC1-uC2=0，當(dāng)溫度變化時，uO將不變，從而可以抑制溫漂。132.靜態(tài)分析uI1=uI2=0IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ

UCQ1=UCQ2因此uO=UCQ1-UCQ2=0143.動態(tài)分析

15（2）差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)

差模電壓放大倍數(shù)：Ad=uOd/

uId

共模電壓放大倍數(shù)：Ac=uOc/uIc為了衡量放大電路放大差模信號、抑制共模信號的綜合能力，定義了共模抑制比，即KCMR=Ad/Ac，通常KCMR越大性能越好。Ac=0，從而達(dá)到抑制共模信號的目的。16

17設(shè)Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，rbe1=rbe2=rbe，β1=β2=β

18差分放大電路接入負(fù)載的仿真電路：測量靜態(tài)工作點(diǎn)19差分放大電路接入負(fù)載的仿真電路：測量差模電壓放大倍數(shù)204.MOS管差分放大電路

采用MOS管同樣可以組成差分放大電路，圖所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管組成的差分放大電路。215.差分放大電路的四種接法雙端輸入雙端輸出差分放大電路單端輸入單端輸出差分放大電路雙端輸入單端輸出差分放大電路單端輸入雙端輸出差分放大電路226.2.4互補(bǔ)輸出級電路

作為輸出級電路的要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)輸出功率較大效率較高，因此要求負(fù)載上靜態(tài)功耗小通常采用互補(bǔ)輸出級電路做直接耦合放大電路的輸出級。236.2.4互補(bǔ)輸出級電路T1和T2性能對稱。

靜態(tài)時ui=0，uo=0，負(fù)載上靜態(tài)功耗為零。

假設(shè)晶體管導(dǎo)通電壓Uon=0，動態(tài)時：ui正半周，T2截止，T1導(dǎo)通并組成共集放大電路，uo跟隨ui變化。ui負(fù)半周，T1截止，T2導(dǎo)通并組成共集放大電路，uo跟隨ui變化。

綜上所述，T1、T2分別在信號的正、負(fù)半周工作在放大狀態(tài)，以互補(bǔ)的方式工作，使uo在整個信號周期內(nèi)都能跟隨ui變化，因而帶負(fù)載能力強(qiáng)，并且負(fù)載上靜態(tài)功耗為零。24交越失真：實(shí)際應(yīng)用時，由于T1、T2的導(dǎo)通電壓Uon不為零，因此互補(bǔ)輸出級電路的輸出信號存在失真。采用二極管消除交越失真，靜態(tài)時，T1、T2發(fā)射結(jié)電壓分別等于兩個二極管的導(dǎo)通電壓，使T1、T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而消除交越失真。圖6-2-11交越失真圖6-2-12采用二極管消除交越失真的互補(bǔ)輸出級電路25圖6-2-13簡單集成運(yùn)放電路T1、T2組成差分放大電路；T3組成共射電路；T4、T5組成互補(bǔ)輸出級電路。266.2.5集成運(yùn)放的符號和電壓傳輸特性一、集成運(yùn)放的符號圖6-2-13集成運(yùn)放符號

集成運(yùn)放有兩個輸入端和一個輸出端：用“＋”表示同相輸入端（簡稱同相端）：該輸入端的電壓uP與輸出端電壓uO相位相同；用“－”表示反相輸入端（簡稱反相端）：該輸入端的電壓uN與輸出端電壓uO相位相反。uP、uN、uO都以“地”為公共端。27二、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性集成運(yùn)放通常采用正、負(fù)雙電源供電。Ad通常為105以上；uO的最大幅值UOM一般為14V左右（設(shè)電源電壓為±15V）；uId=uO/Ad

通常為微伏級或者更小。當(dāng)uId=uP-uN較小，使uO<UOM時，uO與uId成線性關(guān)系；當(dāng)uO>UOM時,uO不再隨uId而變化，成非線性關(guān)系。圖6-2-14集成運(yùn)放的電壓傳輸特性286.2.6集成運(yùn)放的性能指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益G（或Aod）

集成運(yùn)放在沒有外加反饋時的差模電壓放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)或者開環(huán)差模電壓增益，通常用G或者Aod表示；或者用20lg|G|或者20lg|Aod|表示，單位為分貝（dB）。一般運(yùn)放的Aod范圍為80dB至130dB。2.開環(huán)共模電壓增益Aoc

集成運(yùn)放在沒有外加反饋時的共模電壓放大倍數(shù)稱為開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)或者開環(huán)共模電壓增益，通常用Aoc表示；或者用20lg|Aoc|表示，單位為分貝（dB）。296.2.6集成運(yùn)放的性能指標(biāo)3.共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRation)CMRR即KCMRR=|Aod/Aoc|，或者用20lg|Aod/Aoc|表示，單位為分貝（dB）。CMRR反映了運(yùn)放放大差模信號、抑制共模信號的綜合能力。4.差模輸入電阻rid集成運(yùn)放當(dāng)輸入為差模信號時的輸入電阻稱為差模輸入電阻rid，通?？蛇_(dá)幾兆歐姆以上，甚至1011歐姆以上。305.差模輸出電阻rod

集成運(yùn)放當(dāng)輸入為差模信號時的輸出電阻稱為差模輸出電阻rod。一般運(yùn)放的rod通常為歐姆級別。6.帶寬BW（或fbw）

當(dāng)Aod下降3dB即下降到中頻的0.707倍時，對應(yīng)的頻率定義為-3dB帶寬，或稱為帶寬BW(Bandwidth)，也可用fbw表示。7.增益帶寬積GBP

當(dāng)差模輸入信號為小信號且運(yùn)放工作在線性范圍內(nèi)時，其電壓增益與帶寬的乘積Aod*fbw近似為一個常數(shù)，稱為增益帶寬積GBP（GainBandwidthProduct）。316.2.7集成運(yùn)放的等效模型圖6-2-15電壓反饋型集成運(yùn)放簡化的低頻等效模型326.3反饋基本知識6.3.1

反饋的作用6.3.2

反饋的基本概念6.3.3

反饋的判斷6.3.4

反饋放大電路的方塊圖分析6.3.5

深度負(fù)反饋放大電路電壓放大倍數(shù)的分析6.3.6

反饋對放大電路性能的影響336.3.1反饋的作用1927年，美國西部電力公司的年輕工程師HaroldBlack在解決長距離電話通信系統(tǒng)中的真空管放大器的失真和不穩(wěn)定性時發(fā)明了反饋方法。

反饋發(fā)明之后，被廣泛地應(yīng)用于各類需要進(jìn)行控制的系統(tǒng)中。

放大電路引入反饋后，將對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。若引入合適的反饋，將穩(wěn)定放大倍數(shù)、增大帶寬、減小非線性失真等。346.3.2反饋的基本概念一、反饋的定義

反饋是指將輸出量的一部分或者全部通過一定的方式作用到輸入回路，與輸入量疊加，來影響輸入量的方法。輸入量和輸出量可以是電壓或電流。圖6-3-1反饋放大電路的方框圖輸入量凈輸入量反饋量輸出量35二、反饋的效果1.正反饋與負(fù)反饋

使凈輸入量減小的反饋稱為負(fù)反饋，反之則為正反饋。負(fù)反饋使輸出量的變化減小，能穩(wěn)定輸出量，改善放大電路的性能；正反饋則使輸出量的變化增大，使放大電路不穩(wěn)定，因此可利用其組成振蕩電路。2.直流反饋與交流反饋

存在于放大電路直流通路中的反饋稱為直流反饋，存在于交流通路中的反饋稱為交流反饋。

直流反饋影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，而交流反饋則影響其動態(tài)性能。363.電壓反饋與電流反饋

反饋量取自于輸出電壓，則稱為電壓反饋；反饋量取自于輸出電流，則稱為電流反饋。4.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋

若在輸入回路中輸入電壓與反饋電壓疊加產(chǎn)生凈輸入電壓，則輸入回路與反饋網(wǎng)路的連接方式為串聯(lián)連接，稱這種反饋方式為串聯(lián)反饋。

若在輸入回路中輸入電流與反饋電流疊加產(chǎn)生凈輸入電流，則輸入回路與反饋網(wǎng)路的連接方式為并聯(lián)連接，稱這種反饋方式為并聯(lián)反饋。376.3.3反饋的判斷一、反饋有無的判斷

判斷有無反饋的方法：首先判斷輸出信號是否被作用到了輸入回路，再判斷輸出信號是否影響了凈輸入信號。無反饋無反饋有反饋38二、反饋極性的判斷

負(fù)反饋正反饋39三、直流反饋與交流反饋的判斷交流反饋

存在于放大電路直流通路中的反饋稱為直流反饋，存在于交流通路中的反饋稱為交流反饋。40四、交流負(fù)反饋四種組態(tài)的判斷

交流負(fù)反饋分為四種組態(tài)：電壓串聯(lián)，電壓并聯(lián)，電流串聯(lián)，電流并聯(lián)。

Xi與Xf以電壓形式疊加—串聯(lián)反饋，即uI'=uI

-uF

Xi與Xf以電流形式疊加—并聯(lián)反饋，即iI'=iI-iF

Xf取自uO—電壓反饋

Xf取自iO—電流反饋

若將輸出電壓設(shè)為零，若反饋量也隨之為零，則為電壓反饋，否則為電流反饋。41uI'=uId=uI

-uFuF=uOR1/

(R1+R2)電壓串聯(lián)負(fù)反饋iI'=iN=iI

-iFiF=-uO/R2電壓并聯(lián)負(fù)反饋uI'=uId=uI

-uFuF=iOR1電流串聯(lián)負(fù)反饋426.3.4反饋放大電路的方塊圖分析

圖6-3-7反饋放大電路的方塊圖

43

44

456.3.5深度負(fù)反饋放大電路電壓放大倍數(shù)的分析一、深度負(fù)反饋放大電路的特點(diǎn)

深度串聯(lián)負(fù)反饋：ui’

0，此時放大電路輸入端近似短路，具有“虛短”的特點(diǎn)；深度并聯(lián)負(fù)反饋：ii’

0，此時放大電路輸入端近似開路，具有“虛斷”的特點(diǎn)。46二、深度負(fù)反饋放大電路的分析方法

471.分立元件組成的深度負(fù)反饋放大電路兩級放大電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。利用“虛短”可得uf

ui；利用“虛斷”可得T1發(fā)射極電流ie1

0，因此

if

i1；uo

(1+Rf/Re1)uf，則Auf=uo/ui

1+Rf/Re1。（1）電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路48理論分析：Auf=1+Rf/Re1=2仿真測量：Auf=18.976/9.97≈1.9電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路仿真49兩級放大電路引入了電流并聯(lián)負(fù)反饋。

（2）電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路1.分立元件組成的深度負(fù)反饋放大電路502.理想運(yùn)放組成的深度負(fù)反饋放大電路（1）電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路電路通過電阻R1、R2引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。利用“虛短”可得uF≈uI；利用“虛斷”可得運(yùn)放反相端電流i-≈0，則iR1≈iR2；因此uO=(1+R2/R1)?uF，Auf≈uO/uI=1+R2/R1。51（2）電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路

上述兩個電壓負(fù)反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)與負(fù)載RL無關(guān)，說明電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓，電壓負(fù)反饋放大電路輸出電阻Ro近似為零。

52

（3）電流串聯(lián)負(fù)反饋53

上述兩個電流負(fù)反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)與負(fù)載RL成正比，說明輸出電流與負(fù)載無關(guān)，電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流，電流負(fù)反饋放大電路的輸出電阻Ro近似為無窮大。（4）電流并聯(lián)負(fù)反饋546.3.6反饋對放大電路性能的影響一、負(fù)反饋對放大電路性能的影響1.