集成电路运算放大器
集成电路运算放大器(差放电路复合管)
实现复杂信号处理
集成电路运算放大器具有多种功能， 如加减法、积分、微分等，可以实现 复杂信号的处理。
集成电路运算放大器的历史与发展
历史
集成电路运算放大器的出现可以追溯到20世纪60年代，随着半导体技术和集成电路工艺的发展，集成电路运算放 大器的性能不断提高，应用领域不断扩大。
发展
目前，集成电路运算放大器已经发展到了纳米级别，性能更加优异，同时出现了许多新型的集成电路运算放大器， 如低噪声、低失真、高速等类型，满足了不同领域的需求。未来，集成电路运算放大器将继续朝着高性能、低功 耗、小型化的方向发展。
差放电路复合管的工
02
作原理
差放电路复合管的结构与组成
输入级
01
差放电路复合管的输入级通常由两个对称的晶体管组成，用于
接收输入信号并进行差分放大。
输出级
02
输出级通常由一个或多个晶体管组成，用于将差分路
03
偏置电路用于为各级提供稳定的直流偏置，确保放大器正常工
作。
差放电路复合管的工作原理
采用低功耗设计技术，如降低工作电压、优化电路结构、使 用低功耗器件等。此外，还可以采用动态功耗管理技术，根 据实际需求调整运算放大器的工作状态，降低功耗。
噪声问题
挑战
集成电路运算放大器在放大信号时， 会引入噪声，影响信号质量。噪声问 题对于高精度、高灵敏度的应用场景 尤为突出。
解决方案
采用低噪声设计技术，如优化电路结 构、选用低噪声器件、合理布线等。 此外，还可以采用差分放大电路、加 装滤波器等方式降低噪声干扰。
时序电路
集成电路运算放大器可以用于时序电路的设计，实现不同时序的控制 和同步操作。
在信号处理系统中的应用
集成电路运算放大器的定义
集成电路运算放大器的定义1. 引言集成电路运算放大器是当今电子电路中最重要的基本器件之一。
它是一种高增益、差分放大器，广泛应用于模拟电路、信号处理、自动控制等领域。
本文将介绍集成电路运算放大器的定义、基本原理、特性以及应用。
2. 定义集成电路运算放大器，简称运放(Op-Amp, Operational Amplifier)，是一种差分放大器，它能够将输入信号放大到较高的增益水平。
运放通常由差动输入级、差动放大级、输出级和电源级组成。
它的输入有两个端口：非反馈输入端(inverting input)和反馈输入端(non-inverting input)，输出端则以电压方式输出。
3. 基本原理3.1 差分放大器运放的核心是差分放大器，它是由两个晶体管组成的差分对(differential pair)。
差分放大器具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。
当在非反馈输入端和反馈输入端施加电压时，差分放大器将两个输入信号进行差分放大，并输出差分放大的结果。
3.2 负反馈运放的一个重要特点是负反馈(negative feedback)。
负反馈通过将输出信号的一部分反馈到输入端，使得运放的输出与输入之间达到稳定的关系。
负反馈降低了运放的增益，但提高了稳定性和线性度。
4.1 增益运放具有非常高的开环增益，通常在105到106范围内。
通过负反馈可以调节运放的增益，使其适应不同的应用需求。
4.2 输入阻抗和输出阻抗运放的输入阻抗非常高，通常在105到1012欧姆之间，使其能够接受较小的输入信号。
输出阻抗通常比输入阻抗小得多，可以提供较低的输出阻抗。
4.3 带宽运放的带宽指的是它能够工作的最大频率范围。
通常，在低频时运放的增益较高，而在高频时增益会逐渐降低。
带宽取决于运放的内部结构和电容等元件。
运放的工作温度和环境温度对其性能有一定影响。
温度变化会引起运放增益的变化，这种现象称为温漂。
通过合适的补偿电路和工艺可以减小温漂的影响。
电工电子学_集成运算放大器
24
9.3 集成运放在信号运算方面的应用
由于开环电压放大倍数Auo很高，集成运放开环工作时线性区很 窄。因此，为了保证运放处于线性工作区，通常都要引入深度负反馈。 集成运放引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间满足某种特定的 函数关系，实现特定的模拟运算。当反馈电路为线性电路时，可以实 现比例、加法、减法、积分、微分等运算。
图9.2.1 反馈放大电路框图
电路中的反馈是指将电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部 通过一定的电路（反馈电路）送回到输入回路，与输入信号一同控制 电路的输出。可用图9.2.1所示的方框图来表示。
16
2. 反馈的分类
（1）正反馈和负反馈 根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。 （2）直流反馈和交流反馈 根据反馈信号的交直流性质，可以将反馈分为直流反馈和交流反馈。 （3）电压反馈和电流反馈 根据输出端反馈采样信息的不同，可以将反馈分为电压反馈和电流反 馈。 （4）串联反馈和并联反馈 根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端联结方式的不同，可以将 反馈分为串联反馈和并联反馈。
9
3. 输入和输出方式
差放电路有双端输入和单端输入两种输入方式。同样也有双端 输出和单端输出两种输出方式。因此，差动放大电路共有四种输入输 出方式。 （1）双端输入双端输出 （2）双端输入单端输出 （3）单端输入双端输出 （4）单端输入单端输出
10
4. 共模抑制比
差动放大电路对差模信号和共模信号都有放大作用，但对差动 放大电路来说，差模信号是有用信号，共模信号则是需要抑制的。因 此要求差放电路的差模放大倍数尽可能大，而共模放大倍数尽可能小。 为了衡量差放电路放大差模信号和抑制共模干扰的能力，引入共模抑 制比作为技术指标，用KCMR表示。其定义为差模电压放大倍数与共 模电压放大倍数之比，即 A （9.1.11） K ud
集成电路运算放大器的术语
集成电路运算放大器的术语引言集成电路运算放大器（Operational Amplifier，简称Op Amp）是一种广泛应用于电子电路中的基本器件。
它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，能够在模拟电路中起到放大、滤波、比较等作用。
本文将介绍一些与集成电路运算放大器相关的术语，帮助读者更好地理解和应用该器件。
1. 基本术语•运算放大器（Operational Amplifier）：是一种具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点的电子放大器，可用于放大、滤波、比较、积分、微分等各种功能。
•输入端（Input）：运算放大器的输入端包括非反馈输入端（非反相输入端）和反馈输入端（反相输入端）。
•输出端（Output）：运算放大器的输出端是放大的信号输出端。
•开环增益（Open-loop Gain）：运算放大器在无反馈情况下的增益。
•反馈（Feedback）：将输出信号的一部分馈入到输入端的过程，用来控制运放的放大特性。
•共模电压（Common Mode Voltage）：在运放的非反向和反向输入端之间的电压差。
•差模电压（Differential Mode Voltage）：在运放的非反向和反向输入端之间的电压差。
•共模信号（Common Mode Signal）：施加在运放输入端的电压信号。
•差模信号（Differential Mode Signal）：施加在运放输入端的差分电压信号。
2. 输入和输出特性•输入偏置电压（Input Offset Voltage）：在输入端没有任何输入信号时，输出电压不为零的电压差。
•输入偏置电流（Input Bias Current）：在输入端没有任何输入信号时，进入输入端的漏电流。
•输入失调电流（Input Offset Current）：在输入端没有任何输入信号时，进入输入端的漏电流之间的差异。
•输入电压范围（Input Voltage Range）：运算放大器正常工作的输入电压范围。
集成运算放大器
A/D转换方法
– 计数法 速度慢 – 双积分式A/D转换器 精度高、干扰小 速度慢 – 逐次逼近式A/D转换器 原理同计数式相似，只是从最高位开始，通过试探值来计数。
例1：ADC0804 （8位,100us,转换精度 ±1LSB,内带可控三态门）。
例2：ADC570 (输入电压：0~10V 或 -5V~+5V）
例3. 8位以上A/D转换器和系统连接。 ADC1210：12位，100us，启动端SC，结束转换CC。
例4. ADC0809: 逐次逼近式8通道8位ADC。
同时有模拟电路和数字电路的系统中地 线的连接
模拟电路 ADC DAC 数字电路
模拟电路 AGND
数字电路 DGND
模拟地
公共接地点
if RF
R1 R2
R3 RP
－ ＋
u0
ui 1 ui 2 ui 3 uo R1 R2 R3 Rf 可得： uo R f ( ui 1 ui 2 ui 3 ) R1 R2 R3 若R1=R2=R3=R，则 u R f ( u u u ) o i1 i2 i3 R
集成运算放大器
1．集成运算放大器概述
集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出 电阻的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成：
输入级：一般是差动放大 器，利用其对称特性可以 提高整个电路的共模抑制 比和电路性能，输入级有 反相输入端“-”、同相 输入端“+”两个输入端； 中间级：的主要作用是
3、差动比例运算电路
R1=R2，R’=RF Uo=-RF/R1(Ui1-Ui2)
差动比例运算电路 又称减法运算电路
集成运算放大器简介
集成运算放大器简介集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。
运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。
3.1.1 集成运放概述集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。
3.1.2 集成电路的特点1. 元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。
++UoU + U-u0+u0mu i-u0m集成运放电压传输特性3.3.4.1 集成运放的理想化模型运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。
等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。
1. 开环电压放大倍数 Auo→∞2. 开环差模输入电阻 rid →∞3. 开环输出电阻 ro → 04. 共模抑制比 KCMRR →∞5. 通频带 BW →∞2. 理想运放线性工作的分析依据(1)“虚断路”原则相当于两输入端之间断路.流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。
(2)“虚短路”原则集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。
∴ u–≈ u+ 相当于两输入端之间短路(3) “虚地”的概念当同相输入端接地时，当u＋＝0 （接地） u －≈ u ＋≈ 0 称此时的反相输入端为“虚地点”。
反之，也成立。
由“虚断路”原则 ii = 0 , 有 u+=0由“虚短路”原则 u_ ≈ u+ = 0结论：反相输入端为“虚地”。
当反相输入端接地时, 因为存在负反馈信号, 同相输入端不是“虚地”！(2)LM324工作原理（管脚功能如图9所示）图9 LM324管脚图LM324时四运放集成电路，它采用14脚双烈直插塑料封袋，外形如图1所示。
他的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
电子技术基础第五章集成运算放大器
2.差模交流信号分析 :
2.差模交流信号分析 : 画出对差模交流信号的交流通路
理想的直流电压源短路 关键是此处对Ree的处理。 在以前画交流通路时，线性电阻在交流通路中保留，阻值 为线性电阻的交流电阻，因为是线性的，所以交流电阻与 直流电阻相等。
A u c(单 u u o ic ） c 1 1 (b R rb )e 2 R c ()1 e R e2 -R R e ce
4 对任意信号的分析方法
ui1=uic+uid/2 ui2=uic-uid/2 uic = (ui1+ui2)/2 uid=ui1-ui2 uid1= -uid2= uid /2
差模信号和共模信号
• 差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行 放大的。
• 共模信号：人为引入的一个信号，不是要放大 的，而是用来描述零漂的大小。直接描述、测 量零漂很麻烦，要先后测量两种不同的环境温 度下的静态工作点，求取它们的差值。从另外 一个角度：在同样的环境温度下，在输入端施 加共模信号，测量输出端的信号，求取共模放 大倍数。
2.1差模输入双端输出
某瞬间的真实方向
uid = uid1-uid2 uid1= -uid2
Ree上交流压降为0。 因此，画差模交流信号交流通路时，Ree可视为短路，
即两管的发射极直接接地。
由uc1= -uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应 是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2.
（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
（6）一般无二极管，用三极管代替(B、C 极接在一起)。
集成运放的组成：输入级
集成电路与运算放大器低频.pptx
值
双端输出时的差模电压增益与单 个共发射极放大电路的增益相同
第20页/共94页
差分放大电路的基本性能分析
2. 差分放大器的差模性能分析
(2).差分放大器的差模性能分 析
差模
单A端d
电
输
压v增od 出2vi时d1
益：
2(rbe
RL' Rs
)
单端输出时的差模电压增益 为单个共发射极放大电路的 增益的一半
的电若压不增接益R为L则单端输出时
Atd
Atd1 2
Rc
2(rbe Rs )
第21页/共94页
差分放大电路的基本性能分析
1、差分放大器的等效电路与半电路分析法
（3）差分放大器的共模性能分析 流经REE的电流等于原静态电流Io与2倍的增量电流ΔiC
之和;
半边电路三极管发射极相 当于接入2REE；
用非线性元件进行温度补偿
采用差分式放大电路
第7页/共94页
1、差分放大器的基本信号
实际加到放大器两输入端的信号：电压往往为任意
号，
vi1
vi1
vi2 2
vi1 vi2 2
vic
vid 2
vi 2
vi1 vi2 2
vi1 vi2 2
vic
vid 2
实际加到放大器两输入端的信号
电压可分解为一对大小相等、极性相
第6页/共94页
例如
假设
漂移
10 mV+100 uV
漂移 1 V+ 10 mV
AV1 = 100,
AV2 = 100, AV3 = 1 。
若第一级漂移100 uV，
则输出漂移 10m V
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.电流源用作有源负载
由于电流源具有直流电阻小而
交流电阻很大的特点，在模拟
集成电路中，广泛的把它作为
负载使用，称为有源负载。
T3
如图所示电流源作为集电极负 I R E F R 载。电流 C2 = C1 等于基准电 流C3(REF)。同时，电流源常用 作射极负载。
V cc
T2
Vo Vi
T1
IC2= 2• IC2 = 50 0.147mA = 7.35mA
U0 Ucc RC2IC1 12 500 7.35mA 8.325V
Uo= 8.325－7.75V = 0.575V 提高了7.42% 可见，当输入信号为零时，由于温度的变化，输出电压发
生了变化即有零点漂移现象。
零点漂移的危害： 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压
–
已知：UZ=4V， UBE=0.6V， RC1=3k，RC2=500
， 1= 2=50。
温度升高前， IC1=2.3mA， Uo=7.75V。
若由于温度的升高 IC1增加 1%， = 2.31.01 mA = 2.323 mA UC1= UZ + UBE2 = 4 + 0.6 V = 4.6 V
还需了解集成运放中的电流源。
在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制 作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电 路。集成电路具有以下特点：
a.电路结构与元件参数具有对称性； b.有源器件代替无源器件； c.采用复合结构的电路； d.级间采用直接耦合方式； e.电路中的二极管多用于温度补偿或电位移动电路，大都 采用BJT的发射结构成。
O
t
产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电
路元件参数的变化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要
原因，故也称零漂为温漂。
克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路
例：
R2 + ui=0 –
R1 RC1 R RC2
T1UC1
T2
u+IZB2 DZ –
+UCC 12V
+ uo
第六章 集成电路运算放大器
6.1 集成运算放大器中的电流源 6.2 差分式放大电路 6.3 集成电路运算放大器 6.4 集成电路运算放大器的主要参数
教学内容： 本章首先讨论组成集成运放的基本单元电路、典型集
成运放电路基其性能指标，接着简述了几种专用型运放。
教学要求： 本章需要重点掌握差分式放大电路的分析计算；另外
还是漂移电压。
一般把温度升高10C时，输出漂移电压折合到输入端的等效漂 移电压作为衡量零点漂移的指标。
ui
输入端等效
uo AV T
漂移电压
输出端 漂移电压
电压 放大倍数
只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有
用信号才能被很好地区分出来。
抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重 要的问题。
由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低 频特性。
|Au |
| Auo | 0.707| Auo |
通频带
O
f
幅频特性
fH
适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接
耦合。
二、 差动放大电路
差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。
一、 差动放大电路的工作情况
RB2 RB1
+ ui1
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
电流源是提供恒定电流的电子线路，在模拟集成电路 中，广泛的使用电流源为放大器提供稳定的偏置电路或作 为放大电路的有源负载。
1.镜像电流源
电路如图所示，设 T1、T2的参
v cc
数完全相同。
即 VBE1 = VBE2, E1 = E2, CEO1 = CEO2, C1 = C2, 1 = 2，
当 较大时，B 可以忽略，所以 C2 近似等于基准电流 REF,
IR E F
R
2 IB
IC 1 T1
Rc IC 2 T2
C2
REF
VCC
VBE R
VCC R
镜像电流源电路适用于较大工作电流(毫安数量级)的场
合，若需减小C2的值，必要求R的值很大，而这在集成电路 中难以实现。因此需要研究改进型的电流源。
例：
R2 + ui=0 –
R1 RC1 UC1 T1
R RC2
IB2 T2
+ uZ
DZ
–
+UCC1 2V
+
已知：UZ=4V， UBE=0.6V， RC1=3k，RC2=500
， 1= 2=50。
温度升高前，
uo
IC1=2.3mA，
Uo=7.75V。
–
12 4.6 IB2 IRC1 IC1 3 2.32mA 0.147mA
IC2
6.2 差分式放大电路
直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。
R1 RC1
R2
+
T1
ui
–
RC2 T2
RE2
+UCC
+ uo –
一、 零点漂移现象
零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。
uo 即ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。
2.微电流源
在T2的射极电路接入电阻 Re2,当基准电流REF一定时,
C2可确定如下：
IR EF IC 1
VBE1 VBE2 VBE E 2 Re2
C2
E2
VBE Re2
v cc
R 2 IB IC 2
T1
T2
V BE1 V BE2
R e2
利用两管基-射极电压差VBE可以控制输出电流C2 。 由于VBE的数值小, 故用阻值不大的Re2即可获得微小的 工作电流由于T1对T2 有温度补偿作用，所以C2 的温度稳
RC
+ uo –
RC
T1
T2
+UCC
RB2
两个输入、两
RB1
个输出
+ 两管静态工作
ui2
点相同
–
–
差动放大原理电路
电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元 件的参数值都相等。
1. 零点漂移的抑制
RB2 RB1
+ ui1
RC VC1 +
T1
uo –
RC VC2
T2
–
+UCC RB2 RB1
–
RC
+ uo –
RC
T1
+ ui2
–
静态时，ui1 = ui2 = 0
uo= VC1 － VC2 = 0
当温度升高时ICVC （两管变化量相等）
uo= (VC1 + VC1 ) － (VC2 + VC2 ) = 0
对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用 。
2. 有信号输入时的工作情况
RB2
RB1
+ 共模信号 ui1 需要抑制