第十二章集成運算放大器及其應用(2課時)

1、112-1 差動放大電路差動放大電路12-2 運算放大器的工作原理及主要參數(shù)運算放大器的工作原理及主要參數(shù)12-3 運算放大器的線性應用運算放大器的線性應用12-4 運算放大器的非線性應用運算放大器的非線性應用在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上基片上( (厚約厚約0.2-0.250.2-0.25毫米，面積約零點幾平方毫米毫米，面積約零點幾平方毫米) ) ，構(gòu)成特定功能的，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為電子電路，稱為集成電路。集成電路。由于由于具有體積小、重量輕、耗電省、成本低、具有體積小、重量輕、耗電省、成本

2、低、可靠性高和電性能優(yōu)良等突出優(yōu)點，可靠性高和電性能優(yōu)良等突出優(yōu)點，所以隨著微電子技術的進步，集成所以隨著微電子技術的進步，集成電路得到了飛速的發(fā)展。從電路得到了飛速的發(fā)展。從6060年代以來，集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了小規(guī)模年代以來，集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了小規(guī)模集成電路（集成電路（SSISSI）、）、中規(guī)模集成電路（中規(guī)模集成電路（MSIMSI）、）、大規(guī)模集成電路（大規(guī)模集成電路（LSILSI）和和超大規(guī)模集成電路（超大規(guī)模集成電路（VLSIVLSI）四個階段，目前已能在一小塊硅基片上制作四個階段，目前已能在一小塊硅基片上制作（光刻光刻）出上億個元器件。）出上億個元器件。3一、集成電路的分類一、集

3、成電路的分類1、按集成度分為：、按集成度分為： 小規(guī)模：小規(guī)模：(0100)個元件個元件/基片基片 中規(guī)模：中規(guī)模：(1001000)個元件個元件/基片基片 大規(guī)模：大規(guī)模：(10001萬萬)個元件個元件/基片基片 超大規(guī)模：超大規(guī)模：(1萬以上萬以上)個元件個元件/基片基片2、按功能分為：按功能分為： 模擬模擬集成電路集成電路 數(shù)字數(shù)字集成電路集成電路線性集成電路線性集成電路非線性集成電路非線性集成電路 在模擬集成電路中，在模擬集成電路中，集成運算放大器（簡稱集集成運算放大器（簡稱集成運放或運放）成運放或運放）是應用極為廣泛的一種是應用極為廣泛的一種。該電路為。該電路為本章討論的重點。本章討

4、論的重點。 線性集成電路中的器件工作在線性放大狀態(tài)，輸出信號線性集成電路中的器件工作在線性放大狀態(tài)，輸出信號和輸入信號成線性關系。和輸入信號成線性關系。集成運放屬于線性集成電路。集成運放屬于線性集成電路。二、集成電路的封裝形式二、集成電路的封裝形式 圓殼式 雙列直插式 扁平式 單列直插式 菱形式6運算放大器外形圖運算放大器外形圖三、模擬集成電路的特點三、模擬集成電路的特點12電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對稱性 各元件在同一塊硅片上，經(jīng)相同工藝制造出各元件在同一塊硅片上，經(jīng)相同工藝制造出來，元件參數(shù)絕對值有同向的偏差，溫度勻一性來，元件參數(shù)絕對值有同向的偏差，溫度勻一性好，

5、特性相同。好，特性相同。用有源器件代替無源器件用有源器件代替無源器件 電路中的電阻元件是由硅半導體中的體電阻構(gòu)電路中的電阻元件是由硅半導體中的體電阻構(gòu)成，電阻值的范圍一般為幾十歐到成，電阻值的范圍一般為幾十歐到2020千歐左右，范千歐左右，范圍不大，且電阻值精度不易控制，誤差可達圍不大，且電阻值精度不易控制，誤差可達10%-20%10%-20%左右。故左右。故在集成電路中，高阻值的電阻多用在集成電路中，高阻值的電阻多用BJT或或FET等有源器件組成的恒流源電路代替。等有源器件組成的恒流源電路代替。34采用復合結(jié)構(gòu)的電路采用復合結(jié)構(gòu)的電路 復合結(jié)構(gòu)電路的性能較佳，制作并不困難，復合結(jié)構(gòu)電路的性能

6、較佳，制作并不困難，故集成電路中故集成電路中多用復合管、共射多用復合管、共射- -共基、共集共基、共集- -共共基等組合電路?；冉M合電路。級間采用直接耦合方式級間采用直接耦合方式 電路中的電容量不大，約在幾十皮法以下，常電路中的電容量不大，約在幾十皮法以下，常用結(jié)結(jié)電容構(gòu)成，誤差較大。而電感的制造非常困用結(jié)結(jié)電容構(gòu)成，誤差較大。而電感的制造非常困難。故在集成電路中，難。故在集成電路中，級間都采用直接耦合方式。級間都采用直接耦合方式。5二極管由二極管由BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成的發(fā)射結(jié)構(gòu)成 電路中的二極管多用作溫度補償元件或電位移動電路。電路中的二極管多用作溫度補償元件或電位移動電路。9一、一、直接耦

7、合放大電路的零點漂移問題直接耦合放大電路的零點漂移問題可以放大直流、交流信號可以放大直流、交流信號零漂：零漂： 輸入短路時，輸出輸入短路時，輸出仍有緩慢變化的電仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。壓產(chǎn)生。即輸出電即輸出電壓偏離原來的起始壓偏離原來的起始點而上下漂動。點而上下漂動。主要原因：主要原因：主要由于溫度變化引起，也稱主要由于溫度變化引起，也稱溫漂溫漂。直流電源波動，器件老化也是原因之一。直流電源波動，器件老化也是原因之一。12-1 差動放大電路差動放大電路10 100,=V1A 若第一級漂移了若第一級漂移了100 uV，則輸出漂移則輸出漂移 100m V。若第二級漂移了若第二級漂移了100 uV，

8、則輸出漂移則輸出漂移 10 mV。假設假設 可見，克服零漂可見，克服零漂第一級是關鍵！第一級是關鍵！。 1= 100,=V3V2AA 減小零漂的措施減小零漂的措施 采用采用差動放大電路差動放大電路 若第三級漂移了若第三級漂移了100 uV，則輸出漂移則輸出漂移 0.1 mV。11二、二、差動（差分）放大電路差動（差分）放大電路 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 1 1、電路組成、電路組成結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點:對稱性結(jié)構(gòu)對稱性結(jié)構(gòu)即：即： 1= 2= VBE

9、1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb 差動放大電路差動放大電路一般有兩個輸入端：一般有兩個輸入端： 從兩輸入端同時加信號從兩輸入端同時加信號雙端雙端輸入輸入 從一個輸入端從一個輸入端對地對地加信號加信號單端單端輸入輸入12 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE + - - Rb1 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE iC2 Rc2 +VCC vo2 T2 Re2 - -VEE + - - Rb1 vi2 + - - Rb2 (2)有有公共的射極電阻公共的射極電阻R

10、e vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 組成特點：組成特點：(1)直接耦合的共射極電路直接

11、耦合的共射極電路從集電極從集電極C1 和和C2輸出輸出 雙端輸出雙端輸出差動放大電路可以有兩個輸出端：差動放大電路可以有兩個輸出端：從集電極從集電極C1或或C2 對地輸出對地輸出 單端輸出單端輸出13 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 注意：注意： vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 （1）靜態(tài)分析）靜態(tài)分析電路

12、對稱電路對稱T放大的條件：放大的條件：Je正偏正偏、Jc反偏反偏vi1 = vi2 = 0（靜態(tài)靜態(tài)）BEEEB1B2be0()(1)2VVIIRR C1B1C2IIICE1C1ECE2VVVVC1CCC1cC2=VVIRV0.7V-=BEB1E VVV Je正偏正偏 T放大放大 Jc反偏反偏vo = VC1 - - VC2 = 0 0 實現(xiàn)：實現(xiàn)： 0輸入輸入 0輸出輸出 克服零漂克服零漂2 2、電路分析、電路分析14 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T

13、2 （2）動態(tài)定性分析）動態(tài)定性分析 輸入輸入差模信號差模信號vi1 0 vi2 0 vo2 0 VC2 vo1 0 VC1 vo 0 大小相等，方向相反大小相等，方向相反 iE1 0 IE1 iE2 0 IE2 另外：另外：Re相當于相當于短路短路 iE = 015（2）動態(tài)定性分析）動態(tài)定性分析 輸入輸入共模信號共模信號大小相等，方向也相同大小相等，方向也相同 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 vi1 0 vi2 0 另外：另外：Re相當于相當于2

14、Re iE = 2 iE1 = 2 iE2 vo 0 vo1 0 VC1 vo1 0 VC1 iE1 0 IE1 iE1 0 IE1 16（3）動態(tài)定量分析）動態(tài)定量分析 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 小信號等效（微變等效）小信號等效（微變等效）電路法電路法利用利用對稱特點對稱特點，轉(zhuǎn)化為單邊轉(zhuǎn)化為單邊電路電路求解。求解。四種接法四種接法a. 雙端輸入、雙端輸出雙端輸入、雙端輸出b. 雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出c. 單端輸入、雙端輸出單端

15、輸入、雙端輸出d. 單端輸入、單端輸出單端輸入、單端輸出注意：注意：電阻電阻Re 和和RL的處理的處理17雙端輸入雙端輸入 差模增益差模增益 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 雙入雙出雙入雙出V1i1o1i2i1o2o1idoVD=Av2v2vvvvvv

16、A beLcVD)21/(=rRRRAb 雙入雙出雙入雙出 雙入單出雙入單出V1i1o1i2i1o1idoVD121=Av2vvvvvvA beLcVD1)/(21=rRRRAb beLcVD2)/(21=rRRRAb RL各分一半各分一半RL由由T1單獨負擔單獨負擔 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - 雙入單出雙入單出Re短路短路18雙端輸入雙端輸入 共模增益共模增益 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re

17、 - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 雙入雙出雙入雙出0=ico2o1icoVC vvvvvA雙入雙出雙入雙出 雙入單出雙入單出V1i1o1icoVC1=AvvvvA ebR21rRRRA)()/(=beLcVC1 RL開路開路RL由由T1單獨負擔單獨負擔雙入單出雙入單出Re對單邊相當于對單邊相當于2Re19雙端輸入雙端輸

18、入 共模抑制比共模抑制比 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 + - - vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 雙入雙出雙入雙出雙入單出雙入單出beLcidoVD)21/(=rRRRvvAb beLcido1VD1)/(21=rRRRvvAb 0=ico2o1icoVC vvvvvAebR21rRRRvv

19、A)()/(=beLcico1VC1 VCVDCMRAAKbebebebebebrRR1rR2R21rRK )()()(CMR 雙入雙出雙入雙出 雙入單出雙入單出 公共電阻公共電阻Re KCMR 抑制零漂能力增強抑制零漂能力增強2012-2 12-2 運算放大器的工作原理及主要參數(shù)運算放大器的工作原理及主要參數(shù)集成電路集成電路 運算放大器運算放大器直接耦合直接耦合 多級放大電路多級放大電路符號：符號：特點：特點： 電壓增益高（差模）電壓增益高（差模）輸入電阻大輸入電阻大輸出電阻小輸出電阻小21UEE+UCC u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS 一、原理

20、框圖一、原理框圖輸輸入入級級中中間間級級輸輸出出級級與與uo反相反相與與uo同相同相22對輸入級的要求：對輸入級的要求：盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移, ,盡量提高盡量提高 KCMRR , , 輸入阻抗輸入阻抗 ri 盡可能大盡可能大。對中間級的要求：對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級的要求：對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，給出足主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流夠的輸出電流io 。即輸出阻抗即輸出阻抗 ro小。小。集成運放的結(jié)構(gòu)集成運放的結(jié)構(gòu)（1）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用差動放大器。級

21、一般采用差動放大器。（2）輸入級常采用復合三極管或場效應管，以減）輸入級常采用復合三極管或場效應管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。小輸入電流，增加輸入電阻。（3）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行功率放大，提高帶負載的能力。功率放大，提高帶負載的能力。231、開環(huán)電壓放大倍數(shù)、開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運放的之間。理想運放的Auo為為 。2、共模抑制比、共模抑制比KCMMR常用分貝作單位，一般常用分貝作單位，一般100dB以上。以上。二、主要參數(shù)二、主要參數(shù)2

22、4 ri 大大: 幾十幾十k 幾百幾百 k 運放的特點運放的特點KCMRR 很大很大 ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 A uo很很大大: 104 107理想運放：理想運放： ri KCMRR ro 0 0Auouo 運放符號：運放符號：uu+ uo u u+ uoAuo三、理想運算放大器及其分析依據(jù)三、理想運算放大器及其分析依據(jù)25uiuo+UOM-UOMAuo越大，運放的線性范圍越小，必須越大，運放的線性范圍越小，必須在在輸出與輸入輸出與輸入之間之間加負反饋加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。才能使其擴大輸入信號的線性范圍。uiuo_+AuoCoOMEuUmax例：若例：若UOM=12

23、V，Auo=106，則則|ui| UR時時 , uo = +Uom當當ui UR時時 , uo = -Uom 1、ui從同相端輸入從同相端輸入50+uouiURuoui0+Uom-UomUR當當ui UR時時 , uo = -Uom 2、 ui從反相端輸入從反相端輸入51uoui0+UOM-UOM+uoui3、過零比較器、過零比較器: (UR =0時時)+uouiuoui0+UOM-UOM52+uouitui例：例：利用電壓比較器將正利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。弦波變?yōu)榉讲āot+Uom-Uom53電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)ZURRRUf11T ZURRRUf11T 上下限上下限:二、波形發(fā)生器二、波形發(fā)生器u+A+-u