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1、第六章 集成电路运算放大器,6.1 集成电路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,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。,1 . 就集成度分：小规模中规模大规模超大规模 （每块芯 片上可有上亿个元件）,2. 就导电类型分：双极型单极型两者兼容型,3. 就功能分：数字集成电路模拟集成电路,集成电路：,由于制造工艺上的原因，模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点：,（1）电阻和电容的值不宜做得太大 电路结构上采用直接耦合方式,由于集成电路中，电阻是利用NPN管的基区体电阻构成，电阻值的范围一般
2、为几十欧10千欧左右，阻值范围不大，且阻值精度不易控制，误差可达10%20%。所以，若需要高阻值电阻，可用BJT或FET等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的方法。,电容则采用PN结的结电容构成，约在100pF以下，误差也较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。,集成电路的特点,电感的制造则更加困难。,（2）为克服直接耦合电路的温度漂移，常采用差分式放大电路作为输入级,（3）尽量采用BJT（或FET）代替电阻电容和二极管等元件,在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用BJT（或FET）构成恒流源作偏置电阻；将BJT的基极和集电极短接构成
3、二极管稳压管等；用复合管共射共基共集共基等组合电阻来改善单管电路的性能。,1. 镜像电流源,2. 微电流源,3. 流源用作有源负载,6.1 集成电路运算放大器中的电流源,1. 镜像电流源,设T1、T2参数完全相同： 1=2，ICEO1 = ICEO2，VBE1=VBE2 IE1 =IE2，IC1 = IC2,存在问题：当不够大时， IC2与IREF 差异较大,IC2 IC1 IREF （VccVBE）/ R Vcc / R,IC2相当于基准电流IREF的镜像,无论RC的值如何， IC2的电流值将保持不变。,IC2 IREF,IC2与IREF互为镜像,改进：带缓冲的镜像电流源：,镜像电流源电路适
4、合用于较大工作电流（mA级）的场合，若需要IC2 R，在集成电路中不易实现。故推出 微电流源（A级）,IREF =,利用T3的电流放大作用，减小IB 对I RFE的分流作用，提高IC3与I RFE 互成镜像的精度,2. 微电流源,IE2Re2 = V BE1VBE2,IE2Re2+ VBE2= VBE1（KVL方程）,IE2 =（VBE1VBE2）/ Re2 = V BE / Re2 IC2,V BE的数值很小, IC2亦很小，故称为微电流源,IREF(VccVBE) / RVcc / R,当电源变化时 IREF变化 V BE变化很小 IC2变化很小 （远小于IREF的变化） IC2较稳定,3
5、. 电流源作有源负载,共射电路的电压增益为：,对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，一般在几百千欧以上,因此增益为,比用电阻Rc作负载时提高了。,放大管, 直接耦合放大电路, 零点漂移, 电路组成及工作原理, 抑制零点漂移原理,6.2.0 概述,6.2.1 基本差分式放大电路,6.2.2 FET差分式放大电路,6.2.3 差分式放大电路的传输特性, 差分式放大电路中的一般概念, 主要指标计算, 几种方式指标比较,6.2 差分式放大电路,6.2.0 概述,1. 直接耦合放大电路,可以放大直流信号,2.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：,主要原因：,温漂指标：,# 为什么一般的集成运算放大器都要
6、采用直接耦合方式？,温度变化引起，也称温漂。,输入短路时，输 出仍有缓慢变化的电压产生。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,电源电压波动也是原因之一,例如,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,共模抑制比,反映抑制零漂能力的指标,4. 差分式放大电路中的一般概念,根据1、2两式又有,差分式放大
7、电路输入输出结构示意图,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,差模信号输出,共模信号输出,6.2.1 基本差分式放大电路,1. 电路组成及工作原理,静态,vi1 = vi2 = 0,动态,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,1. 电路组成及工作原理,2. 抑制零点漂移,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,2. 抑制零点漂移,另一方面,由此看出，温度升高时，引起两集电极电流增加，使得流过Re上的电流增加，发射极电位
8、上升，从而限制了集电极电流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,3. 主要指标计算,（1）差模电压增益,接入负载时：,（双入、双出交流通路）,双入、单出,双入、双出,接入负载时,3. 主要指标计算,（1）差模电压增益,单端输入,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同,（2）共模电压增益,双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化,所以,共模增益,单端输出,抑制零漂能力增强,（3）共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,越强,单端输出时的总输出电压,（4）频率响应,高频响应与共射电路相同，低频
9、可放大直流信号。,4. 几种方式指标比较,4. 几种方式指标比较,与共源电路相同,6.2.2 FET差分式放大电路,1. 电路组成,2. 差模增益,3. 差模输入电阻,思考题,4.3、4.6、4.7、4.8,作业,3.6、3.7、3.9,6.3 集成电路运算放大器,二. 简单的集成电路运算放大器,一. 集成电路运放内部组成原理框图,一. 集成电路运放内部组成原理框图,功放,电压（流）放大,恒流源,差分式输入,二. 简单的运算放大器电路,电路特点: Vid=Vi1-Vi2=0 Vo=0,1.电路分析,2.电路计算, 放大电路的直流计算, 放大电路总电压增益AV的计算,结论：多级放大电路的增益等于
10、各级放大电路的增益之积,其中：, 输入级的电压增益AVD, 电压放大级的电压增益AV2, 输出级的电压增益AV3近似为1,2.电路计算,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,开环差模电压增益 AVO ： 集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无外加反馈时 的差模电压增益。通用型集成运放的AVO通常在 105 左右,2. 共模抑制比 KCMR : 等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值,3. 差模输入电阻 rid ： 集成运放在输入差模信号时的输入电阻，希望越大越好,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,7. 温度漂移:（希望越小越好） 由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起
11、的，表示为： （1）输入失调电压温漂 VIO / T：指在规定温度范围内VIO的温度系数 （2）输入失调电流温漂 IIO / T：指在规定温度范围内IIO 的温度系数,8. 最大差模输入电压Vidmax ： 集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值 （当输入电压大于此值时，输入级将损坏）,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,9. 最大共模输入电压Vicmax ： 运放所能承受的最大共模输入电压 超过此值，集成运放便不能对差模信号进行放大,最大输出电流Iomax ： 运放所能输出的正向或负向的峰值电流。,开环带宽BW（fH）3dB： 开环带宽BW又称3dB带宽fH , 是指开环差模电压增
12、益下降3dB时对应的频率fH,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,12. 单位增益带宽BWG（fT）： 对应于开环电压增益 AVO 频率响应曲线上其增益下降到 AVO=1 时的频率，即 AVO 为 0dB 时的信号频率 fT。 与晶体管特征频率相似,13 . 转换速率SR ： 放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率。一般在大信号和高频信号工作时，要求集成运放的SR也就越大。,一般，在近似分析中常把集成运放理想化。在理想运放中，把AVO 、KCMR 、rid 、BW、SR视为无穷大；把VIO、IIB 、IIO、VIO/T、IIO/T、ro 视
13、为零,6.4 集成电路运算放大器的主要参数,？,思 考 题,答：,1. 两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？,输入端漂移电压为 0.2 mV,输入端漂移电压为 0.002 mV,A1不可以，,A2可以,？,思 考 题,2. 若在基本差分式放大电路中增加两个电阻Re（如图所示）。则动态指标将有何变化？,答：,双端输出差模增益:,差模输入电阻:,单端输出共模增益:,共模输入电阻:,？,思 考 题,3. 差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：,反相,vC1与vi1,同相,vC2与vi1,同相,vC1与vi2,反相,vC2与vi2,反相,vO与vi1,同相,vO与vi2,4. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？,(4)当输出接12k负载时的电压增益.,解：,求:,例,(1)静态,(2)电压增益,(3),(4),思考题,作业（选做）,3.10、3.11,4.1 4.14,