浙江大学---模电--课件2-3

1、集成电子技术基础教程,第二篇 模拟电子电路 第三章 集成运算放大器,2.3.1 集成运算放大器概述,通过半导体集成工艺，在很小的硅片上制成的一种 高增益、直接耦合式、多级放大器。,最早应用于模拟信号的运算。,目前广泛应用于信号测量、信号处理、信号产生和变换中， 是现代电子电路中最基本的组成单元。,技术指标有： 电压增益、输入/输出电阻、共模抑制能力、 温度/噪声系数、频率效应等。,在理想条件下，集成运算放大器可以等效成一个 电压控制电压源（VCVS）。,一、集成运放的典型结构,输入级： 差分放大电路,中间级： CE（CS）电路,低温漂、高共模抑制比、高输入电阻,输出级： 互补对称式射极跟随器结构,高电压增益,低输出电阻、较强带负载能力,偏置电路：恒流源电路,静态工作点合适、稳定，功耗低,二、集成运放的主要特点,同一硅片 相同工艺,芯片面积小 功耗很低,无法制造 大容量电容,电路符号,低频小信号模型,2.3.2 集成运放中的电流源偏置电路,一、基本镜像电流源,T1和T2参数和特性完全相同，T1管的VCE=VBE=0.7V，保证不进入饱和区。所以有：,使IC1和IL呈镜像关系镜像电流源,当

2、,该电路具有一定的温度补偿作用,RREF压降增加,二、跟随型镜像电流源,由电阻 RREF 确定参考电流 IREF ；,两只特性完全相同的晶体管 T1、T2组成镜像电流源；,T管作为射极跟随器， 减小输出电流与参考电流的误差；,Re3 用来增大T管的工作电流， 提高T管的电流放大系数；,温度补偿作用。,三、多路电流源,当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射极电阻， 可得到不同的输出电流。,T10、T11微电流源,T5、T6、T7三管电流源,T8、T9镜像电流源,2.3.3 差分放大电路,差分放大器为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出。是集成运算放大器中十分重要的一级放大器。,一、基本电路形式和工作原理,由参数对称的元件 组成对称电路 ；,T1 、 T2管构成 共射极放大电路；,恒流源电路；,两组直流电源；,两个输入端；,两个输出端。,从结构可以看出，该电路有： 两种输入方式 双端输入 两输入端同时对地输入信号。 单端输入： 一端接地，另一端输入信号。 两种输出方式 双端输出： 输出信号取自两个集电极。 单端输出： 输出信号取自一个集电极对地信号。,这一结构的指导思想是能有效地解决

3、温度漂移（零点漂移问题）,IC1QIC2QIE = I0 / 2,VO1QVO2QVCCICQRc,VOQVO1QVO2Q0,VEVBE0.7V,直流分析,由于电路结构对称，元件参数和特性相同，及恒流源作射极偏置， 因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等，VOQ0，有效地抑制温漂和零漂。,若恒流源换成电阻？,差模成分反映被测信号的变化，需要进一步放大。 共模成分反映测量的初始条件或外界干扰，需要加以抑制。,被测信号的输入方式,单端输入方式、双端输入方式,差分放大电路的工作原理,差模信号,两个输入信号之差,共模信号,两个输入信号平均值,输入信号,只考虑差模信号的输入； 差分放大电路的输入端加上两个幅度相同、极性相反的信号。,对差模信号进行放大、对共模信号进行抑制。,差分放大电路的输入,差分放大电路的输出,差模输入方式,共模输入方式,只考虑共模信号的输入； 差分放大电路的输入端加上两个幅度相同、极性相同的信号。,差分电路特点,【例2.3.1】,已知差分放大电路：vI1 = 5.01 V、vI2 = 4.99 V， A vd80，Avc0.01，求vO,解：,二、差分放大电路动态性能指标的

4、计算（A、Ri、Ro）,差模电压放大倍数 ： 输出电压的差模部分与输入电压的差模部分之比。,差模输入时的 交流通路,差模输入电阻 ：,差模输出电阻 ：,共模参数,Avc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力， Avc 越小，则抑制温漂能力越强。,常用分贝表示：,共模抑制比 ： 差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。,理想的差分放大电路双端输出时 KCMR,对T1和T2管影响相同的外界干扰信号,如电源电压波动,环境温度变化等都可以认为是共模信号。,单端输出时，只有增大Re电阻才能减小共模增益，从而增大共模抑制比。,【例2.3.2】,解：,差分放大电路如图所示，已知 = 80，rbe = 2 k。求该电路的： 差模电压放大倍数 Avd、差模输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro。,三、差分放大电路的输入输出方式,差分放大电路有两个输入端和两个输出端。,差分放大电路的输入输出方式： 单端输入单端输出、单端输入双端输出、 双端输入单端输出、双端输入双端输出。,单端输入时：,单端输出时：,【例2.3.3】,已知 = 50，rbb= 300，Rw在中间位置，求： (1) ICQ；

5、 (2) Avd、Ri和Ro；,解1：,解2：,解3：,解4：,(3) KCMR； (4) 若vI1 = 16 mV，vI2 = 10 mV， 求vO1。,【例2.3.4】,已知1=2=3=50，rbb=200， rce=200k，VBE=0.7V。,（1）求静态工作点，计算rbe。,（2）求差模电压增益。,（3）求电流源电路输出电阻RO3,列出两个回路方程联解后得,（4）求共模电压增益,（5）求共模抑制比,（6）求差模输入电阻和输出电阻,四、集成运放输入级的电路形式,FET差分放大电路差模输入电阻很高， 减小了输入偏置电流的不对称性。,场效应管组成的差分放大电路,漏极电流源电路,源极电流源电路,T1、T2差分管,场效应管三极管混合型差分放大电路,电路是双端输入单端输出结构，由于漏极是三管电流源，使得单端输出具有双端输出的效果。,当差模信号输入时,当共模信号输入时,单端输出同样具有双端输出时的共模抑制效果,一、运放中间级电压放大电路,主要任务：具备高电压增益。,Rc以恒流源代替；,采用达林顿复合管，提高；,在输入级与中间级之间，增加一级CC电路进行阻抗变换。,常用电路：共射/共源放大电

6、路。,电压增益：,提高电压增益的措施：,2.3.4 集成运放的中间级和输出级,恒流源+复合管,恒流源+射级跟随器,互补对称式 共集放大电路,二、运放输出级互补对称输出电路,对输出级的要求：,输出电阻小； 输入电阻大； 最大不失真输出电压尽可能大。,基本电路,正半周（vi 0）时， T管导通，T管截止，+VCCT1RLGND。,负半周（vi 0）时， T1管截止，T2管导通， GNDRLT2-VCC 。,静态（vi = 0）时， T、T管均截止， vO0 。,最大输出电压为VCCVCES 。 当电源电压为15V时， 最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V 。,最大输出电压幅度,输入电阻较高：,在输入信号小于三极管的开启电压时， T与T管均截止，产生交越失真。,交越失真,甲乙类互补对称输出电路,741型运放电路图,2.3.5 集成运放的主要性能指标,一、集成运放的电压传输特性和三项基本参数,集成运放的电压传输曲线： 在直流或低频条件下运放的输入、输出关系。,实际运放的传输特性曲线 不通过坐标原点，称为输出失调。 为了弥补输出失调电压， 通常在运放输入级电路中设置了调零端。,在理想条件下，集成运放的 电压传输特性曲线通过坐标原点。 运放的电压既可以用增量（或交流量） 表示，也可以用瞬时量表示。,开环差模电压放大倍数：,差模输入电阻：,输出电阻：,集成运放的低频小信号模型：,二、集成运放的失调参数,输入失调电压VIO ：,集成运放在vId = 0时的输出电压称作输出失调电压，记作VOO。 为使输出电压回零，需在输入端加反向补偿电压，称为输入失调电压。,输入失调电压温漂dVIO/dT ：,输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。,输入失调电流IIO ：,反映集成运放输入端输入电流的不平衡程度。,输入失调电流温漂dIIO/dT ：,反映输入失调电流 IIO 随温度而变化的程度。,分析输出失调模型,三、集成运放的共模参数,共模抑制比：,共模输入电阻：,四、集成运放的频域和时域参数,-3dB带宽 f H ： BWf Hf Lf H,五、集成运放应用时应考虑的几个问题,运放类型：,选择集成运放时需要注意的问题：,应根据输入信号的性质、负载的性质、 对运放精度的要求、环境条件等情况选择。,双端输出,单端输出,

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