模电课件 第四章 集成运算放大电路
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第四章集成运算放大电路
2019/9/28
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二、按可控性分类
1.可变增益运放 2.选通运放 三、按性能指标分类 1.高精度型
性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑 制比很高，误差小。（F5037）
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2.低功耗型
性能特点： 静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量 级(不超过毫瓦级)，要求电压很低， 有较高的开环差模增益和共模抑制比。 （TLC2552）
电路中， >>1时：
IC1
IE1
U BE 0 U BE 1 Re
I
U
IS (e UT
1) 正偏 I
U
ISe UT
UBE 0 UBE1 UT ln(I R IC1 )
IC1
UT Re
ln( IR
IC1 )
其中 ，IR
VCC
U BE 0 R
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对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。
对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输 出电流io 。即输出阻抗 ro小。
偏置电路：为各级设置合适的静态工作点
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4.1.3 集成运放的电压传输特性
集成运放的符号
uP －
同相输入端： uP、u＋
uN
＋Aod
反相输入端：uN、u
uo u－ － A＋o uo
电路增益
Au
uOd uId
iO 2i r B1 be
(rce2
//
rce4
//
RL
)
1
rce1
//
模拟电路-第四章 集成运算放大器电路(2-4)共68页
Ie IbIbUorceUe
+
Rs
RB rbe
βIb
1Ib
IcRL ' IeRE rce
+ Us
Ui
1
RB
考虑Ic≈Ie，则
=0
-- 2
e RE Ue
Ic c Io
rce
+
R RL Uo
C
-
Ie 1Ib1RL ' rceRE
1Ib
rce rceRL ' RE
Ri Ri′
Ro′ Ro
R iU Ib i rb e(1)R Erce R rcEe R L
动态内阻：
ro
2
rce
10/13
串联电流源：
UCC
UBE1+UBE4=UBE2+UCE3
Ir
Rr
IC2
IC2↑→IC3↑→UCE3↑→UBE2↓
IC2 ↓
T1
T2
也可视为UCE3变化范围小，IC3变化小。
UBE2
IC3
参考电流：
T4
IrU CC U R Br1E U B4EU CC R r2U BE
Ir
UCC2UBEUCC
Rr
Rr
IC 1Ir14 I B 15Ir1(4 1I C 1 5)
Ir Rr
IC1 T1
T5 IB1
IC2 T2
IC11(11( 1 5)5)4Ir Ir 与β1 β5的比值有关
IC3
IC4
T3
T4
IC 4 IC 3 IC 2 IC 1 Ir
由于β1(1＋β5)＞＞4 很容易满足，所以受β温度的影响 大大减小，镜像电流更加稳定。
第四章 集成运算放大电路
在输入差模信号时的输入电阻。
rid
U Id II
rid 越大从信号源索取的电流越小
F007:大于2MΩ； OP177:大于45MΩ； 单极性:大于106。
4.输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT
UIO是使输出电压为零时 在输入端所加的补偿电压。
UIO
UO UI 0 Aod
反映UBE的失配
F007:2～ 10mV,OP177:4
4
§4-1．集成运算放大电路概述
三、集成运放的电压传输特性
符号：
电压传输特性：
uo f (uP uN )
5
§4-1．集成运算放大电路概述
三、集成运放的电压传输特性
线性区： uo Aod (u P u N )
Aod—差模开环放大倍数
非线性区：
u
只有两种可能
o
:
UOM或
UOM
6
§4-2．集成运放中的电流源电路
典型产品：uA741;F007 第三代：输入级采用了超β管，版图设计上考虑了热效应的影响 。
典型产品：AD508;F1556
第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术。
典型产品：
HA2900;5G76
50
31
§4-5．集成运放的种类及选择
二、集成运放的种类 1.按工作原理分类 电压放大型、电流放大型、跨导型、互阻型 2.按可控性分类 可变增益运放、选通控制运放 3.按性能指标分类 高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等
第四章 集成运算放大电路
主要内容： §4-1．集成运算放大电路概述 §4-2．集成运放中的电流源电路 §4-3．集成运放电路简介 §4-4．集成运放的性能指标及低频等效电路 §4-5．集成运放的种类及选择 §4-6．集成运放的使用
电子技术精品课程-模拟电路-第4章 差动放大电路和集成运算放大电路 48页
输出电阻：
Ro = 2 RC
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② 双端输入、单端输出
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
RB
B1 C1
ib1
rbe1
ui1 uid
E
ib1
RC
uod1 uod
RB
Ad
u od u id
uod1 2ui1
1 2
Ad
1
1 RC
2 RB rbe
共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的
能力越强。
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③ 单端输入、双端输出
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
RB
B1 C1
ib1
rbe1
ui1
E
ui
ib1
RC
输入信号分解后
具有共模信号分量和差
uOd1 模信号分量， 存在共模电压放
uOd 大倍数AC和差 模电压 放大倍数Ad
4.1.1 直接耦合特殊问题
R
1
R
2
R
C1
T1
u
i
零点漂移:
u
当 ui= 0 时：
o
+V
CC
R
C2
T2
u
o
R
E2
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t
0
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2
4.1.1 典型差动放大电路
第4章 差动放大电路和集成运算放大器
+VCC
1、特点
RC
uo
RC
RB
Tu101
模拟电子技术 第四章 集成运算放大电路
1 R2 R4 R2 // R4 1 1 R2 R4 uo (1 )uI R R R R uI RI R3 3 4 1 2
在电路中电阻的阻值不至太高的情况下，可同时获得较 高的电压放大倍数和较高的输入电阻。
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2.同相比例运算电路
电路中引入了电压串联 负反馈。 根据“虚短”和“虚断” 的特点
6
三、集成运放的符号
(a) (b) 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出 端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端 相同，用符号‘+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入 信号变化的极性与输出端相异，用符号‚-‛表示。输出端一般画 在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放 大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。
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i1 R1i f i u
+
Rf
+
uo
说明
R1
Rf
特例：电压跟随器
当同相比例电路的比例系数为1时则有：
uo
ui R2
uo=ui
Rf
uo (1
Rf R1
)ui
uo
ui R2
ui R2
R1=∞
Rf=0
R1
uo
ui R2
uo
Rf=0 且R1=∞
30
有分压电阻的同相比例运算电路
但线性区范围很小。
uO
例如：F007 的 UoM = ± 14 V，Auo 2 × 105 ， 线性区内输入电压范围
实际特性
在电路中电阻的阻值不至太高的情况下，可同时获得较 高的电压放大倍数和较高的输入电阻。
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2.同相比例运算电路
电路中引入了电压串联 负反馈。 根据“虚短”和“虚断” 的特点
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三、集成运放的符号
(a) (b) 模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出 端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端 相同，用符号‘+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入 信号变化的极性与输出端相异，用符号‚-‛表示。输出端一般画 在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放 大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。
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i1 R1i f i u
+
Rf
+
uo
说明
R1
Rf
特例：电压跟随器
当同相比例电路的比例系数为1时则有：
uo
ui R2
uo=ui
Rf
uo (1
Rf R1
)ui
uo
ui R2
ui R2
R1=∞
Rf=0
R1
uo
ui R2
uo
Rf=0 且R1=∞
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有分压电阻的同相比例运算电路
但线性区范围很小。
uO
例如：F007 的 UoM = ± 14 V，Auo 2 × 105 ， 线性区内输入电压范围
实际特性
模拟电子线路 第四章 集成运算放大电路
模拟电子线路第四章集成运算放大电路第一节学习要求第二节集成运算放大器中的恒流源第三节差分式放大电路第四节集成电路运算放大器第五节集成电路运算放大器的主要参数第六节场效应管简介第一节学习要求1. 掌握基本镜象电流源、比例电流源、微电流源电路结构及基本特性。
2. 掌握差模信号、共模信号的定义与特点。
3. 掌握基本型和恒流源型差分放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉四种电路的连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。
4. 熟练分析差分放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比。
会计算A VD、R id、R ic、R od、R oc、K CMR。
5．熟悉运放的主要技术指标及集成运算放大电路的一般电路结构。
学习重点：掌握集成运放的基本电路的分析方法学习难点：集成运放内部电路的分析集成电路简介集成电路是在一小块P型硅晶片衬底上，制成多个晶体管( 或FET)、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。
集成电路在结构上的特点：1. 采用直接耦合方式。
2. 为克服直接耦合方式带来的温漂现象,采用了温度补偿的手段----输入级是差放电路。
3. 大量采用BJT或FET构成恒流源,代替大阻值R ,或用于设置静态电流。
4. 采用复合管接法以改进单管性能。
集成电路分为数字和模拟两大部分。
返回第二节集成运算放大器中的恒流源一、基本镜象电流源电路如图6.1所示。
T1,T2参数完全相同,即β1=β2,I CEO1=I CEO2 ，从电路中可知V BE1=V BE2，I E1=I E2，I C1=I C2当β>>2时,式中I R=I REF称为基准电流，由上式可以看出，当R确定后，I R就确定，I C2也随之而定，我们把I C2看作是I R的镜像，所以称图6.1为镜像恒流源。
改进电路一：图6.2是带有缓冲级的基本镜象电流源,它是针对基本镜象电流源缺点进行的改进，两者不同之处在于增加了三极管T3，其目的是减少三极管T1、T2的I B对I R的分流作用，提高镜象精度，减少β值不够大带来的影响。
第4章集成运算放大电路 41页
Ri R1rbe
R0 RC1
对于双端输入/双端输出的差分放大电路，由于
u0u01 u022u01 uidui1ui22ui1
此时，差模电压放大倍数为
Auduuiod
2uo1 2ui1
Au1(rR b1 C e1/R /R 12L)
4.3.2 差分放大电路的基本分析方法
第4章 集成运算放大电路
教学内容
• 4.1集成电路概述 • 4.2 集成运放中的电流源 • 4.3差动放大电路 • 4.4集成运算放大器的中间级和输出级 • 4.5集成运放的典型电路 • 4.6集成运算放大器的主要性能指标 • 4.7 理想集成运算放大器及传输特性
教学目标
• 掌握镜像电流源、比例电流源和微电流 源电路特点
R1
uo
R2
VT1 VT2
ui1
ui2
Rc1
RL
Rc2
R1
uo
R2
VT1 VT2
ui1
VCC ui2
VT 3
Re
Rb 2
VEE
VEE
(a) 恒流源式差分放大电路电路
(b)恒流源式差分放大电路等效电路
图4.6
4.3.2 差分放大电路的基本分析方法
VCC
Rc1
RL
Rc 2
IB1 IB2 IB IC1IC2 IB
而 I R I C 1 2 I B I B 2 I B （ 2 ） I B
图4.1 镜像电流源
当β>>2时,
IRIBIC1IC2VR CC
2.比例电流源
VCC R IR
IC2
UB
VT1
I B1
第四章 集成运算放大电路
2. 最大输出电压 op-p 最大输出电压U
Uo / V － 10 Uid ＋ ∞ ＋
－0.4
－0.2 －0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 Uid / mV
－0.3
－10 线性区
集成运放的传输特性
3. 差模输入电阻 id 差模输入电阻r rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号 源索取电流的大小。要求rid愈大愈好, 一般集成运放 rid为几百千欧至几兆欧, 故输入级常采用场效应管来 提高输入电阻rid。 F007的rid=2 M 。认为理想集成运 放的rid为无穷大。
动态时，加入差模信号uid，根据差分放大电路的特点， T1 管的集电极电流在静态电流IC1的基础上增加了∆iC1，T2管的集 电极电流在静态电流IC2的基础上减小了∆iC2，∆iC1=-∆iC2。 由于 iC4 和 iC1 是 镜 像 关 系 ， ∆iC4=∆iC1 ， 因 此 ∆io=∆iC4-∆iC2=∆iC1-(∆iC1)=2∆iC1。 可见这个电流值是单端输出电流的两倍， 即等于 差分放大电路双端输出时的电流值。因此，用电流源作为差分 放大电路的有源负载，可将双端输出信号“无损失”地转换成 单端输出信号。
若电路中有共模信号输入，T3 管和T4 管的集电极电流相等 (忽略T7管的基极电流)，T3管和T5管的集电极电流相等，又由于 R1=R3，因此T6管的集电极电流和T5管的集电极电流相等， 如此 推来，T6管和T4管的集电极电流相等，而T16管的基极电流为T4 管和T6管的集电极电流之差，所以T16管的基极电流近似为零， 可见共模信号输出为零，电路具有较高的抑制共模信号的能力。
2. 偏置电路 偏置电路由T8~T13、电阻R4和R5组成。其中T10、T11、 T12 和R4、R5构成主偏置电路，该电路中R5上的电流是F007偏置电 路的基准电流，由图可知
最新模电课件-4-集成电路运算放大电路教学讲义ppt
以复合管为放大管、 用UBE倍增电路消 恒流源作负载的共 除交越失真的准
射放大电路
互补输出级
输入级的分析
共集-共基形式
T1和T2从基极输入、射极输出
T3和T4从射极输入、集电极输出
共集形式，输入电阻大，允许 的共模输入电压幅值大。共基 形式频带宽。
T5、T6 ,T7分别是T3、T4的有源负载 作用：抑制共模信号, 放大差模信号
7. 最大差模输入电压 UIdmax
±30V
超过此值输入级差分管将损坏。
8. -3dB带宽 fH
10Hz
∞
上限截止频率。
为什么这么低？
9. 转换速率 SR
0.5V/μS
∞
SR duO dt
max
对大信号的反应速度
四、集成运放的主要性能指标
指标参数
F007典型值
开环差模增益 Aod
106dB
差模输入电阻 rid
可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小
按可控性 选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信
号控制那个通道的信号放大
五、集成运放的种类
按性能指标
通常情况下用通用型运放，特 殊情况下才用专用型运放。
高 阻 型：rid，可高于1012Ω。
用于测量放大器、信号发生器。
高 速 型： fH和SR高， fH可达1.7GHz，SR可达 103V/μS。 用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。
4.2.1 基本电流源电路
4.2.2 改进型电流源电路
4.2.3 多路电流源电路 4.2.4 电流源作有源负载
1. 镜像电流源
基准电流 输出电流
T0 和 T1 特性完全相同。 IR(VCC U B)ER
模拟电子技术第4章集成运算放大器
•第四章 集成运算放大器
4.2 集成电流源电路
•4.2.1 镜像电流源
• 镜像电流源如图4-3所示。晶体管VT1、VT2的性能参数具有很好的对称性 ，即IB1=IB2=IB，β1=β2=β，IC1=IC2=IC。由图4-3可知，IC1=IR-2IB=IR-2IC1/β，而基准 电流IR=（VCC-VBE）/R，所以有
的特点可以提高电压增益；在放大电路的直流通路中，利用其静态电阻小的特
点，使直流压降较小，不需要提高电源电压。采用电流源作为集电极负载（或
射极负载）的放大电路称为BJT有源负载放大器。有源负载共射放大电路如图4-
8(b)所示。
•VT2与VT3构成镜像电流源
•VT3为VT1的有源负载
•放大管VT1为基极输入——集电 极输出结构，构成共射放大电路 ，输出电压与输入电压反向。
• 图4-4 3路镜像电流源
•由于参数的一致性，IB1=IB2=IB3=IB4=IB，即IE5=4IB，故 •∴
•第四章 集成运算放大器 •4.2.2 比例电流源
•VCC
4.2 集成电流源电路
•∵ VT1、VT2的基极对地电位相等。
•∴
•(4-5)
•根据发射结电流方程, 有
•(4-6)
•(4-7) •∴
•(4-9)
•第四章 集成运算放大器 •4.2.2 比例电流源
•VCC
4.2 集成电流源电路
•(4-9) •(4-10)
•因为 ≈ IE1 IR，IE2≈IC2，所以
•(4-11)
•图4-5 比例电流源电路
•其中
•(4-12)
•第四章 集成运算放大器
4.2 集成电流源电路
•思考题：多路电流源电路如图所示。已知各BJT的参数、VBE的数值相同，求各电 流源IC1、IC2及IC3与基准电流IR的关系。