集成电路运算放大器-模电讲义
模电第五章集成运算放大器及其应用
同相输入放大电路的特例 ——电压跟随器
Auf 1＋RF R1
Auf=1
电压跟随器 a) 基本电路 b)降低输入电阻的电路
图5-14
uuu R R R R Ru R Ru o o 1 o2 2 33 1 F 1 I1 1 F I2
即ii
运放只有在线性工作区时，才存在“虚短” 运放线性应用时的“虚短”和“虚断” 图5-14
5.3.2 线性运放的三种基本电路 反相输入式放大电路 同相输入式放大电路 双端输入式放大电路
1、反相输入式放大电路 虚地
虚短
uo= – uF= – iFRF
虚地
iId=0 iI=iF
反相输入式放大电路 a）电路图 b）等效电路
理想运放工作在饱和区(非线性区)的特点
电压传输特性 uo
+UOM
饱和区
uP– uN O
–UOM
(1) 输出只有两种可能, +UOM 或–UOM
当 uP> uN 时， uO = + UOM uP< uN 时， uO = – UOM 不存在 “虚短”现象
(2) iP= iN 0,仍存在“虚断”现象
理想运放工作在非线性区 必要条件之一： 1、开环状态 2、引入正反馈
RL RC //RL
2
差模输出电阻 ：RO=2RC
两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。
共模信号 共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电流 同时等量增大，结果输出电压ΔUOC =0
模电第02章 运算放大器(康华光)
vp
vn
- ri ro + &#传输特性(vo~vi关系) 例如反相比例器：
vo
+Vom
传输特性
vo
Rf R1
vi
-vim
－Vom
vim
vi
vo 变化范围：
－ Vom
~ + Vom
线性工作区
当vo = Vom时： vim = - +Vom R1/Rf 可见：加入负反馈(闭环使用时)使线性工作区变宽。
vn
in
ro
ri +
vp ip +
vo
- A(vp-vn)
可见： 当vp-vn> 0 时, vo=+Vom 运放工作在正向饱和区 当vp-vn<0时, vo=-Vom 运放工作在反向饱和区
∵实际运算放大器≈理想运算放大器 ∴分析实际运算放大器≈分析理想运算放大器
(5-11)
五.含理想运算放大器电路的分析依据
RL
+ vo -
2.指标计算 虚地 (1)电压增益 “虚短”: vn≈vp ＝0 “虚断”: ip＝in≈0 ∴i1 ＝ i2+in≈ i2
1.结构特点 负反馈引到反相输入端, 信号从反相端输入。
v i v n v n vo R1 R2 v i vo R1 R2
vo R2 Av vi R1
当(vp- vn)<0时, vo=-Vom ——负饱和值
饱和值Vom的绝对值略低于正负电源的绝对值。
(5-13)
§2.3 §2.4 线性运放电路
运放外部接若干元件(R、C 等)，即可组成多种线 性运放电路。线性运放电路工作在闭环状态。
模电基础 集成运算放大电路
T2
IC2
Rb
+ u- i
+ IC1
（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。
(4-9)
运放的特点：
ri 大:几十k 几百 k KCMR 很大 ro 小：几十 几百 A o 很大:104 107
运放符号：
理想运放：
ri KCMR ro 0 Ao
u－ u+
IC1
UT Re
ln IR IC1
可用图解法或累试法求解
例：P177
(4-16)
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
+VCC
IR R
IB
IC0
T0
ห้องสมุดไป่ตู้
2
T2
IE2 IB1
IB0
Re2
特点：利用T2管的电流放大 作用，减小了基极电流IB0 IC1 和IB1对基准电流IR的分流。
IC1 IC0 IR IB2
IR
IB2
IC
2 2 2 2 2
IC2
则即使在β很小时，也可认为IC2近似等于IR。
(4-18)
4.2.3 多路电流源电路
+VCC
IR R
IC1
IC2
IC3
IC0
T0
T1
T2
T3
Re0 IE0
Re1 IE1 Re2 IE2 Re3 IE3
特点：利用一个 基准电源可以获 得多个不同的输 出电流。
模拟电子技术基础
第四章
集成运算放大 电路
模拟电子电路基础课件：第2章3(第四讲)运算放大器运算电路
0 s 0
sC
( 1 )
o RC
令s=jω，则有：
A( j) A( j) ej()
19
A( j) 1
1 j ω ωo
A( j)
1
1 ( )2 o
Uo 1 Ui
0.707
此电路的缺点：
1. 带负载能力差。 2. 无放大作用。
3. 特性不理想，边沿不陡。
0
o
截止频率处：
Uo 1
截止频率
R2 R1
2R RW RW
ui
R2 R1
2R RW RW
Rt R 2(Rt R)
E
5
2. 电压源、电流源
(1) 电压源
电压源的要求：输出电阻小。 所以，要有电压负反馈。
R2
电路组成：比例放大器。
_ Uo
Us
R1
+
+
RP
反向比例放大器组成的电压源
6
电路特点:
1. 输出电压的大小调节方便。 2. 同相比例放大器组成的电压源的输出
b0
二阶带阻
A(s)
s2
s2 b0 b1s
b0
21
低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器
22
图示二阶低通滤波器
1
A(s)
LC
s2 1 s 1
RC LC
令
0
1 LC
,Q
0CR
则有：
A(s)
02
s2
0
Q
s 02
23
将两级一阶低通滤波器串接
？ A( jω) A1( jω)A2 ( jω)
12
第2章 运算放大器及其线性应用
模电 第5讲集成运算放大电路
F007典型值
106dB 2MΩ
1mV 几μV/ ℃ 20nA 几nA/ ℃
±13V ±30V 10Hz 0.5V/μS
理想值 ∞ ∞
0 0 0 0
∞ ∞
讨论：
根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。 已知现有集成运放的类型是：
①通用型 ②高阻型 ③高速型 ④低功耗型 ⑤高压型 ⑥大功率型 ⑦高精度型
Ad
uOd uId
Ad
( Rc
∥
RL 2
)
Rb rbe
Ri 2(Rb rbe ) ，Ro 2Rc
4. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR
共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大 差模信号的能力和抑制共模信号的能力。
K CMR
Ad Ac
在参数理想对称的情况下，KCMR 。
（1）作低频放大器，应选用 。 （2）作宽频带放大器，应选用 。 （3）作幅值为1μV以下微弱信号的测量放大器，应选用 。 （4）作内阻为100kΩ信号源的放大器，应选用 。 （5）负载需5A电流驱动的放大器，应选用 。 （6）要求输出电压幅值为±80V的放大器，应选用 。 （7）宇航仪器中所用的放大器，应选用 。
根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种
接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入
双端输出、单端输入单端输出。
5.差分放大电路的改进
1) RW取值应大些？还是小 些？
2) RW对动态参数的影响？ 3) 若RW滑动端在中点，写 出Ad、Ri的表达式。
Ad
Rb
Hale Waihona Puke rbeRc
模电课件第3章集成运放
2、差动放大电路的组成与原理
（1）典型差放电路组成
差动放大电路是由两个 结构对称、参数完全相同 的共射放大电路组成。
8
（2）差放抑制零点漂移的原理
静态时：
IC 1 IC 2 IC VC 1 VC 2 VCC I C RC
输出电压
UO VC 1 VC 2 0
温度发生变化时
1 单端输出时， Aud Au1 2
（RL=∞）
3、差模输入电阻不论双端输入还是单端输入方式， rid 2ri1
单端输出电阻是双端输出电阻的一半。
ro单
26
1 ro双 2
输出方式
输入方式 电路
双端输出
双端输入 单端输入
单端输出
双端输入 单端输入
差模电压增 益 共模电压增 益
Aud
1 ric [ Rb rbe (1 )2 Re ] 2
roc Rc
24
4 共模抑制比 KCMR
差动放大电路能够放大差模信号，抑制共模信号。 Aud是有用信号的放大倍数，越大越好；Auc表明零漂 的程度，越小越好。引入共模抑制比综合衡量。 共模抑制比
K CMR Aud Auc
uo Aud uid Auc uic ＝103 2 10－3＝2V
12
3 差动放大电路的分析计算
(1)差放的静态分析
(2)差放的动态分析
13
（1）差放的静态分析 静态时：ui1= ui2= 0 设电路完全对称。 由0VEE回路得
VEE=IBRb+UBE+2IERe
通常，β>>1，UBE<<VEE， IBRb<<IERe
模电16(运算放大器)
模电16(运算放大器)模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.1 集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器2.3 基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.1 集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.2 运算放大器的代表符号(a)国家标准规定的符号(b)国内外常用符号模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2. 运算放大器的电路模型通常：开环电压增益Avo的≥105 (很高) 输入电阻ri ≥ 106Ω (很大) 输出电阻ro ≤100Ω (很小)图2.1.3 运算放大器的电路模型vO=Avo(vP-vN)( V- vO V+ )注意输入输出的相位关系模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2. 运算放大器的电路模型当Avo(vP-vN) ≥V+ 时vO= V+ 当Avo(vP-vN) ≤ V-时vO= V-电压传输特性vO= f (vP-vN)线性范围内vO=Avo(vP-vN) Avo――斜率模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.2 理想运算放大器1. vO的饱和极限值等于运放的电源电压V+和V-2. 运放的开环电压增益很高若(vP-vN)0 则vO= +Vom=V+ 若(vP-vN)0 则vO= CVom=V-3. 若V- vO V+ 则(vP-vN) 04. 输入电阻ri的阻值很高使iP≈ 0、iN≈ 05. 输出电阻很小，ro ≈ 0图2.2.1 运放的简化电路模型理想：ri≈∞ ro≈0 Avo→∞ vO=Avo(vN-vP)模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3 基本线性运放电路2.3.1 同相放大电路2.3.2 反相放大电路均属负反馈电路，工作在线性区模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3.1 同相放大电路1. 基本电路(a)电路图(b)小信号电路模型图2.3.1 同相放大电路模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3.1 同相放大电路2. 电压增益vo R1 R2 R2 Av 1 vi R1 R1同相输入端输入电压增益为正3. 输入电阻Rivi Ri ii4. 输出电阻RoRo→0模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3.1 同相放大电路 5. 电压跟随器根据虚短和虚断有vo=vn≈ vp= viAv vo 1 vi模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压RL vo vs Rs RL1 vs 0.01vs 100 1电压跟随器时ip≈0,vp=vs 根据虚短和虚断有vo=vn≈ vp= vs模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3.2 反相放大电路1. 基本电路(a)电路图(b)由虚短引出虚地vn≈0 图2.3.5 反相放大电路模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.3.2 反相放大电路2. 几项技术指标的近似计算(1)电压增益Avvo R2 Av vi R1(2)输入电阻Rivi vi Ri R1 ii vi / R1(3)输出电阻Ro Ro→0模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程例 2.3.3直流毫伏表电路当R2 R3时，(1)试证明VS=( R3R1/R2 ) IM (2)R1=R2=150k ,R3=1k , 输入信号电压VS=100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)=? 解:(1)根据虚断有II =0 所以I2 = IS = VS / R1 又根据虚短有VP = VN =0 R2和R3相当于并联，所以CI2R2 = R3 (I2 - IM ) 当R2 R3时，VS=( R3R1/R2 ) IM所以I ( MR2 R3 VS ) R3 R1(2)代入数据计算即可模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2.4.1 求差电路 2.4.2 仪用放大器2.4.3 求和电路2.4.4 积分电路和微分电路模拟电子技术课件,康华光第五版,北京化工大学模拟电子技术课程2.4.1 求差电路从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。
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6.1 集成运放中的电流源
电流源在电路中的主要作用是为放大电路提供稳定的偏置 电流或作为有源负载。
镜像电流源 T1、 T2 的参数完全相同. Ic2 近似等于基准电流 IREF ，
即
1.
I C 2 I REF
VCC VBE VCC R R
由于 T1 对 T2 具有温度补偿作用， Ic2 的温度稳定性也较好。
例 6.1.1 定性分析图 6.1.6 所示电路，说明 T1 、 T2 在
电路中的作用。
解：电路为一共集电极电路； T1 管为放大管； T2 管与 Rb21 和 Rb22
构成电流源电路，作为放大 电路的有源负载（代替电阻 Re ）。
6.2 差分式放大电路
差分式放大电路： 放大两输入信号之差的电路。 理想差放的输出电压可表示为 v A (v v
9. 开环带宽 BW ( fH )
10. 单位增益带宽 BWG ( fT ) 11 转换速率
dvo ( t ) SR dt max
是运放在大信号和高频信号下工作时的重要指标， 通常 要求运放的Sr 大于信号变化斜率的绝对值。
作业
6. 1. 1 6. 2. 3 6. 2. 7 6. 2. 8
2 抑制零点漂移的原理
零点漂移（零漂或温漂） — 就是当放大电路输入端短路时， 输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离了原来的 起始点而上下波动。 产生零点漂移的主要原因 — 直接耦合放大电路第一级静态工 作点随温发生波动被逐级放大后，在输出产生较大的漂移电 压 。漂移电压过大将造成放大电路不能正常工作。 电路温漂的大小用 Vi = Vo / AVT 衡量。 差分式电路具有抑制温漂的作用，常作为多级放大电路的输 入级。
VIO (Vo V
I 0
) / AVO
其值越大，说明电路的对称程度越差，一般约为(1~10)mV 2. 输入偏置电流
I IB
I IB ( I BN I BP ) / 2 V
o 0
其值越小，表明由于信号源内阻变化引起的输出电压变化越小。
3. 输入失调电流 I IO
I IO I BP I BN
Vo 0
反映了差分管的不对称程度，其值越小越好。 4 . 温度漂移 (1) 输入失调电压温漂 (2) 输入失调电流温漂 5. 最大差模输入电压
VIO / T
I IO / T
Vid max
6. 最大共模输入电压 Vicmax 7. 最大输出电流 Iomax 8. 开环差模电压增益 AVO
AVD1 AVD 2
1 AVD 2
单端输入的差模电压增益与双端输入近似一致。
(2) 共模电压增益 双端输出
AVC
单端输出 voc1 voc 2 Rc AVC 1 vic v ic rbe (1 )2ro
voc voc1 voc 2 0 v ic v ic
双端输入、双端输出差放在差模输入信号为零时，输出 电压也为零。
(2) 动态分析 当两输入端加上大小相等、性相反的信号电压 则
v id vi1 vi 2 2
vc1 vc 2 , vo vC 1 vC 2 vc1 vc 2 0
即两输出端间有电压输出，对差模信号有放大作用 。
由于VBE很小，用阻值不大的 Re2 即可获得微小的工作 （微安量级）电流。
集成电路中，常采用多路 电流源的形式，见图 6.1.4。
3. 电流源用作有源负载
电流源作为负载具有直流 电阻小（恒定直流），交流 电阻大特点。
IC 1 IC 2 I REF
RC 1
R RL L AV rbe rbe
Rc 2ro
上式说明 ro 越大，AVC1 越小，电路抑制共模信号（温漂） 的能力越强。
(3) 共模抑制比 KCMR 是衡量差分电路抑制共模信号能力的一项技术指标， 其定义为
K CMR
AVD AVC
其值越大，说明电路抑制共模信号的能力越强，电路 性能越好，因此希望 KCMR 值越大越好。 用分贝表示
o VD i1
i2
)
式中 AVD 为差模电压增益。
差模输入信号 ：
vid vi1 vi 2
共模输入信号
1 v ic (v i 1 v i 2 ) 2
v id v i 2 v ic 2
用共模和差模信号表示两个输入电压时，有
v id v i 1 v ic 2
6 集成电路运算放大器
基本要求 — 了解集成运放的组成部分、电流源电路的类 型及特点；掌握差分式放大电路的电路结构、工作原理、 特点及性能指标；熟悉集成运放的主要参数。
• 模拟集成电路的特点
(1) 电路结构与元件参数具有对称性 (2) 用有源器件代替无源器件 (3) 采用复合结构的电路 (4) 级间采用直接耦合 (5) 电路中的二极管大多用 BJT 的发射结构成，多用作 温度补偿元件或电位移动电路 。
K CMR
(4) 频率特性 低频响应好，高频与共射电路相似。 四种典型电路见表 6.2.1。
AVD 20l g dB AVC
6.2.3 差分式放大电路的传输特性
传输特性 ： 描述输出信号随输入信号变化规律的曲线。 差分电路的传输 特性如图 6.2.8所示。
6.3 集成运算放大器
6.3.1 简单的集成运算放大器
在差模信号和共模信号同时存在时，利用叠加原理可 得出总输出电压为
vo AVD vid AVC vic
差模电压增益
AVD vod / vid
共模电压增益
AVC voc / vic
6.2.1 基本差分放大电路
基本差分电路是由两个特 性相同的 BJT 组成对称电路， 电路的参数也对称。
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。 集成运算放大器由四个基本部分组成，见图 6.3.1。
右图为一 简单集成 运放原理 图。
（- ）
+
（ -）
反相输入端
原理电路
同相输入端
代表符号
6 .4 集成运放的主要参数
1. 输入失调电压
VIO
实际运放当输入为零时，输出不为零，为了使输出电压 在室温及标准电源电压下，输入为零它也为零，在输入端加 的补偿电压叫做失调电压 。
1. 工作原理
(1) 静态分析 称，
vi 1 vi 2 0 ，由于电路对
Rc1 Rc 2 Rc , VBE 1 VBE 2 0.7V IC 1 IC 2 I E1 I E 2 I0 2
VCE 1 VCE 2 VCC I C Rc 0.7V VC 1 VC 2 VCC I C Rc v o vC 1 vC 2 0
如 不够大， IC2 与 IREF 存
在一定的差别，为弥Biblioteka 此不足，在电路中接入 T3 。
该电流源适用于较大工作电 流（毫安数量级）的场合。
2. 微电流源
当基准电流 IREF 一定时， IC2 可确定
IC 2 I E 2
VBE 1 VBE 2 VBE Re 2 Re 2
3 主要技术指标的计算
(1) 差模电压增益 双端输入、双端输出：
AVD
v od v o1 v o 2 2v o1 v id v i 1 v i 2 2v i 1 Rc rbe
输出接负载时:
R L AVD rbe
RL R L Rc // 2
双端输入、单端输出：