第4章 集成运放电路

模拟电子技术基础第4章集成运算放大器4.1集成运放与分类4.1.1集成电路采用半导体制造工艺将管子和电阻以及线路都封装在一块半导体的基片上，构成能完成特定功能的电子线路，称集成电路。集成电路起于20世纪50年代末期。(参考P.206-210)概念：集成运算放大器一种集成电路,最初用于模拟信号运算,故称集成运算放大器。4.1.2集成电路的特点（1）元器件具有一致性和同向偏差（2）不易制造大电阻(几KΩ以下)（3）不能制作大电容（100pF以下）（4）不能制造电感体积更小重量更轻功耗更低连接更简◆应用特点可靠性更高成本更低（比分立电路）◆工艺特点4.1.3集成运放分类电压放大型(Uo=AoduI)◆工作原理◆可控性电流放大型(io=AiiI)跨导型(io=AiuuI)互阻型(uo=AuiiI)可变增益运放选通控制运放◆性能指标高阻型（输入电阻大于109Ω）高速型高精度型（低温漂、低噪声、高增益）低功耗型4.2集成运放简介1.集成运算放大器是一个高增益的多级直接耦合放大电路。2.基础运放的内部电路结构4.2.1集成运放的电路构成及特点－＋u-u＋uo输入级输出级中间级偏置电路输入端反相同相＋－负载运放符号A输出级：要求有较低的输出电阻，较强的带负载能力，能提供足够大的输出电压和输出电流。输入级：接收输入信号(采用差动放大电路)。同相端输入信号时，输出信号与输入信号同相；反向端输入信号时，输出信号与输入信号反相。中间级：主要进行电压放大。具有很高的开环电压放大倍数（Aod≈103～107），电压放大倍数主要由中间级提供,中间级一般是由共发射极接法组成的放大电路.偏置电路：为各级放大电路确定静态工作点，提供偏置电流。3.各级任务输入级输出级中间级偏置电路输入端反相同相＋－负载4.2.2集成运放的电压传输特性1.线性区：◆uo＝Aod(uP－uN)◆Aod是开环差模放大倍数。◆Aod高达几十万倍（103～107）◆线性区极窄集成运放的输出2.非线性区：＋UOM－UOM集成运放的运用分两个区+UOM-UOM集成运放的电压传输特性线性区非线性区非线性区uo＝Aod(uP－uN)◆其它线性的和非线性的电路应用。4.2.3集成运放的主要应用◆对模拟信号进行各种数学运算和电路处理。（相加、相减、比例、对数、积分、微分等数学运算）◆对两个输入电压进行大小比较并输出相应的结果信号◆组成各种振荡器，产生各种形状的信号波形如：方波、三角波、锯齿波等4.2.4主要技术指标(自学:P.203～2054.4.1)4.UiO-输入失调电压UiO越小越好，一般为几毫伏5.Ii0-输入失调电流Ii0越小越好，一般是几十nA6.IiB-输入偏置电流IiB越小越好，一般是几百nA运放无外接反馈电路时本身的差模放大倍数。该值越高，所构成的运放电路越稳定，运算精度越高。1.Aod-开环差模电压放大倍数2.Kcmr-共模抑制比运放开环差模电压放大倍数与开环共模放大倍数之比。综合考察反映运放电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。3.rid-差模输入电阻┆反映运放向信号源索取电流的能力4.3集成运放电路的输入单元（P.156-167）1.差动放大电路的结构特点4.3.1差动放大电路的工作原理(1)结构对称(2)参数对应(3)Q点相同(4)若输入相同ui1=ui2，则输出相同uo1=uo2(5)uo=uo1-uo2β1=β2Rb1=Rb2R1=R2Rc1=Rc2最简单的差动放大电路R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uouo1uo2ui1ui2＋＋－－+VCC＋－＋＋－－令:有:ui1=ui2=0IC1=IC2UC1=UC2若:uo=uo1-uo2=UC1-UC2=0tIC1与IC2故:又:RC1=RC2,ΔIC1=ΔIC2Uo=(Uo1+ΔUo1)-(Uo2+ΔUo2)=0Uo1与Uo2ΔUo1=ΔUo2∴2.差放电路抑制零漂的原理R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uouo1uo2ui1ui2＋＋－－+VCC＋－＋＋－－有ΔIC1与ΔIC2;ΔUo1与ΔUo2;(1)共模输入电压◆ui1=ui2=uic◆大小相等，极性相同，称共模输入。◆差放电路对共模输入电压的放大倍数为“0”。ui2t0ui1t03.差放电路输入信号的类型R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uouo1uo2+VCC＋－＋＋－－◆uo=uo1-uo2=0Ac=0(1)共模输入电压◆ui1=ui2=uic◆大小相等，极性相同，称共模输入。◆差放电路对共模输入电压的放大倍数为“0”。变换画法！！R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uouo1uo2+VCC＋－＋＋－－uic＋－◆ui1=-ui2(2)差模输入电压◆大小相等，极性相反，称差模输入。设:ui10,ui20则:Δuc10,Δuc20|Δuc1|=|Δuc2|且:|ui1|=|ui2|有:于是:uo=(uc1–Δuc1)–(uc2+Δuc2)=(uc1–uc2)–(Δuc1+Δuc2)=0–(Δuc1+Δuc2)=–2Δuc1一般地:|uo|=2|Δuc1|R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uo+VCCuid＋－1/2uid1/2uid＋－＋－uo1uo2－＋－＋＋－R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uo+VCCuid＋－1/2uid1/2uid＋－＋－uo1uo2－＋－＋＋－对于单侧:ui2=-(1/2)uid设:每侧单管电路则:uc1=(1/2)uidAu1,uc2=-(1/2)uidAu1得:uo=uc1－uc2=(1/2)uidAu1－[-(1/2)uidAu1]=uidAu1即:Au1=uo/uid=Ad有放大倍数Au1Ad=uo/uid∴差动电路的差模电压放大倍数与单管放大电路相同.◆差模电压放大倍数ui1=(1/2)uid当两个输入电压既非共模电压又非差模电压时,称任意输入电压，或比较输入电压。任意输入电压可以分解为：一对共模电压和一对差模电压的组合。uuu+=221cdicdiuuu+-=22121iiciiduuuuuu+=-=解得：设：式中，±ud：差模输入；uc：共模输入(3)任意输入电压例：21iiuu==9mV-3mV则：22cduu=+=93=6mV9-3=3mV故：21iiuu==6mV3mV3mV+=9mV-6mV+=-3mV定义分解4.3.2结论◆差动电路的所有输入信号，都可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合。◆差动电路只对差模信号进行放大。◆与单管放大电路相比，差动电路的特殊性在于：有效地放大差模信号(放大倍数同单管放大电路)；有效地抑制共模信号。4.4典型的差动放大电路4.4.1电路结构长尾式差放电路1.Rp：调零电位器2.Re：共模反馈电阻3.VEE：负电源(通常取值同Vcc)一般取值：几十~几百Ω。对共模：电流2倍于单管，强烈负反馈。对差模：相当于短路，Re=0。作用：▲补偿Re上的直流压降，拓展输出电压范围;▲使两管静态基极电位接近于零电位；▲可提供静态基流，去掉基极电阻Rb。R2RC2RC1R1T1T2uouo1uo2ui1ui2＋＋－－+VCC-VEERPRe＋＋＋－－－4.4.2.长尾式电路静态分析1.直流通路（如图）2.静态工作点BQBQ2BQ1i2i1III0uu及：令：BQEQReI12I2I）（β+==EQEQ2EQ1III==CQCQ2CQ1III======差动放大电路的直流通路R2RC2RC1R1T1T2+VCC-VEE2Re+VCCRP/2-VEE2ReRP/2ICQ1IEQ1IBQ1R2RC2RC1R1T1T2uouo1uo2ui1ui2＋＋－－+VCC-VEERPRe＋＋＋－－－有：差动放大电路的直流通路R2RC2RC1R1T1T2+VCC-VEE2Re+VCCRP/2-VEE2ReRP/2ICQ1IEQ1IBQ1由直流通路，得：eEQpEQBEQ1BQEE2RIRIURIV+++=21eBEQEERUV+-）（b12ep1BEQEEBQRRRUVI++++-=\）（）（bb12121RRRRPe1e+）（b2/12121ep1BQBEQEERRRIUV++++=-）（）（bb2121[]即：)221()(epcCQEECCCEQRRRIVVU++---=()()()21211eBEQEEeBEQEEBQEQCQRUVRUVIII-=+-+=+=bbb=差动放大电路的直流通路R2RC2RC1R1T1T2+VCC-VEE2Re+VCCRP/2-VEE2ReRP/2ICQ1IEQ1IBQ14.4.3动态分析1.差模信号,双入双出◆带负载RL,对每管折合RL/2;◆调零电阻RP,对每管折合RP/2;◆Re对于差模信号为零(△ie1=-△ie2)R2RC2RC1R1T1T2uoui1ui2＋＋－－+VCC-VEERPReRL＋－（求Ad、Rid、Rod）ib1ic1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2uo1ui1βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2uo2ui2uoib2ic2＋－微变等效电路＋－＋－11iodsuuA=；其中：于是,差模信号双端输出：对于单侧，有：)21()(11'11pbeLiodsRrRRuuAbb++-==得：ib1ic1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2uo1ui1βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2uo2ui2uoib2ic2＋－＋－＋－211)()(11111pBbeBiRirRiub++=)2//('LcLRRR='11LBoRiub-=；dsioiouuuuiioodAuuuuuuuuAiioo===--==-=11112121222121)21()(11'pbeLRrRRbb++-=-)2(2pbe11idRrRRb++=差模信号输入电阻：差模信号输出电阻：=2CRodR=RL∞ui=0ib1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2＋ib2βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2ui＋－uo－ib1ic1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2uo1ui1βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2uo2ui2uoib2ic2＋－＋－＋－2.共模信号,双入双出（求Ac）注意:对于共模信号,Re≠0ib1ic1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2uo1ui1βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2uo2ui2uoib2ic2＋－2Re2Re＋－＋－R2RC2RC1R1T1T2uoui1ui2＋＋－－+VCC-VEERPReRL＋－ii21Ac为输出电压与输入电压之比，而输出电压（=0）为零；故共模双端输出：=0oouu-21Acib1ic1βib1rbe1R1Rp/2Rc1RL/2uo1ui1βib2rbe2R2Rp/2Rc2RL/2uo2ui2uoib2ic2＋－2Re2Re＋－＋－uuuuiiooCuuuuAiioo=--===2121212103.共模抑制比定义：ucudCMRAAKlg20=为共模抑制比。反映差动放大器抑制零漂能力的综合指标。理想情况下，CMRK∞ucudCMRAAK=参考定义：单端输入是双端输入中，当有一端输入的差模与共模之和为零时的特例。4.4.4差动放大器的输出输入接法1.单端输入与双端输入021iii，uuu==时，当：有：222222121121iiiiciiiiduuuuuuuuuu==+===-=uuu0222=+-=+-=iicdiuuu221=+=+=iiicdiuuuuu则：R2RC2RC1R1T1T2uoui＋－+VCC-VEERPReRL＋－R2Rb1Rc2Rc1R1Rb2T1T2uouo1uo2ui1ui2＋＋－－+VCC＋－＋＋－－差放电路的动态参数取决于输出方式。2.单端输出与双端输出R2RC2RC1R1T1T2uoui＋－+VCC-VEERPReRL＋－R2RC2RC1R1T2ui＋－+VCC-VEERPReT1RL＋－uo单端输出双端输出注意:单端输信号的正负取决于负载接在哪一侧。3.差动电路的四种接