第五章 模拟集成电路基础 集成电路运算放大器中的电流源 差分式放大电路 集成运算放大器

什么是集成运算放大器？ 5.1 概述 集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器。 集成电路的工艺特点： 5.1 概述 什么是集成运算放大器？ 集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器。 集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）电路结构上采用直接耦合方式 。 （3）为克服直接耦合电路的温漂，常采用具有补偿特性的差分式放大电路 。 （4）采用三极管（或场效应管）代替电容、电阻和二极管等元器件 。 （5）采用复合结构的电路

集成运放的基本电路组成

5.2 集成运算放大器中的电流源 一 . 电流源电路 无论T2的负载如何变化， IC2的电流值将保持不变。 2I + = I = βI = 5.2 集成运算放大器中的电流源 一 . 电流源电路 1. 镜像电流源 基准电流： 因为： 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 B 2I + C1 R = I 所以： 并且： B = βI R = β （β+2） I β>>1 R I » 无论T2的负载如何变化， IC2的电流值将保持不变。

镜像电流源特点 缺点： 优点： 结构简单，且具有一定的温度补偿作用 （1）受电源VCC的影响大。 （2）当要求得到小的电流源时，如微安级电流时，要求较大电阻R，集成工艺难以实现。 （3）当β值不够大时，IC2与基准电流IR间误差较大。

2. 微电流源 再由二极管的基本公式 设IES1=IES2

2. 微电流源 微电流源的特点： （2）电流稳定（电流负反馈） （1）一般△UBE很小(约几十毫伏)，因而采用不大的Re即可获得较小的输出电流IC2(微安数量级)，因而称为微电流源。 （2）电流稳定（电流负反馈）

3. 电流源的作用 1）作直流偏置电路

2). 电流源用作有源负载 电流源的特点： 直流电阻小、交流电阻大

直耦放大电路的特殊问题——零点漂移 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差分放大电路 零漂现象： 产生零漂的原因： 输入ui=0时，，输出有缓慢变化的电压产生。 产生零漂的原因： 由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 采用差分放大电路

5.3 差分放大电路 对称性结构 一.结构: 即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe 5.3 差分放大电路 一.结构: 对称性结构 即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb

抑制零漂的原理: 当温度变化时： 设T   ic1 ,ic2  uc1  , uc2   uo= uc1 - uc2 = 0 当ui1 = ui2 = 0 时， UC1 = UC2 Uo= UC1 - UC2 = 0 当温度变化时： 设T   ic1 ,ic2  uc1  , uc2   uo= uc1 - uc2 = 0

二. 几个基本概念 1. 差动放大电路一般有两个输入端： 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输入——从两输入端同时加信号。 二. 几个基本概念 1. 差动放大电路一般有两个输入端： 双端输入——从两输入端同时加信号。 单端输入——仅从一个输入端对地加信号。 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出——从C1 和C2输出。 单端输出——从C1或C2 对地输出。 2018/11/14

所谓共模信号，是指在T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号 3. 差模信号与共模信号 (1). 共模信号vic与共模电压放大倍数 vc A 所谓共模信号，是指在T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号 UiC1 = UiC2= UiC ic oc vc = u A = 0 常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力

vi1= - vi2 vid= vi1 - vi2 vi1 vi2 - (2). 差模信号vid与差模电压放大倍数 A vd A 所谓差模信号，是指在T1和T2的基极接入幅度相等、极性相反的信号 vi1= - vi2 vid= vi1 - vi2 vi1 id 2 v = vi2 - 设vi1 ,vi2   vo1  ,vo2 。 电路对称│vo1│=│vo2│  vo= vo1 – vo2=2 vo1 差模电压放大倍数

4. 一般输入信号情况 vi1 ≠ vi2 将输入信号分解成一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输入端 差模信号： 共模信号：

差模信号： 共模信号： v 2 = id ic i1 + i2 -

通常情况下，放大对象总是以差模信号的形式体现，而漂移或干扰电压却又总是以共模信号的形式体现。为表示差分式放大电路对差模信号的放大能力 差模电压增益： (一般放大倍数较大) 共模电压增益： (一般放大倍数控制得很小) 总输出电压： 5. 共模抑制比

三.差动放大电路的计算 1. 静态工作点的计算： 忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V

2.电路的动态分析 vic=0。 vi1=-vi2 =vid/2， 若vi1 =vi2 =0  vc1 =vc2 =0, ve =0 (1)加入差模信号 vic=0。 vi1=-vi2 =vid/2， 若vi1 =vi2 =0  vc1 =vc2 =0, ve =0 若vi1 ,vi2   ib1 ,ib2  ie1 ,ie2   iRe= ie1 +ie2 =0  ve=0  vc1 ,vc2   vRL/2=0 所以，对差模信号 Re相当于交流接地。 RL中点视为交流接地. 电源Vcc视为交流接地

①求差模电压放大倍数：

Ro单管=Rc Ro=2Rc

(2)加入共模信号 ui1=ui2 =uic， uid=0。 设ui1 ，ui2   uo1 ， uo2 。 共模电压放大倍数

例5.1：如下图所示的差分式放大电路中，若VCC=VEE=12V，三极管的β1=β2=50，Rc=30kΩ，Re=24kΩ，Rb=1kΩ，调零电位器RP的阻值Rp=200Ω(设RP的活动触头调在中间位置)，在两个集电极之间接入负载电阻RL=20kΩ，输入电压vi1=10mV，vi2=4mV。试求(1)电路的静态工作点；(2)差模电压放大倍数、差模输入电阻与输出电阻；(3)共模放大倍数；(4)共模抑制比；(5)总输出电压。

解：(1)求静态工作点 令vi1=0，vi2=0则VE=－0.7V VCE = VCC－IC Rc － (-0.7)=12－0.25×30＋0.7=5.2V (2)求Avd、Rid、Rod。 Rod =2 Rc =60kΩ

vo=vod + voc =vid Avd + vic Avc=vid Avd =6×(-32.3) = -193.8mV (4)共模抑制比：KCMR=∞ (5)总输出电压vo 将输入信号分解为差模输入成分和共模输入成分： vid=vi1－vi2=10－4=6mV vo=vod + voc =vid Avd + vic Avc=vid Avd =6×(-32.3) = -193.8mV

四.差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 主要讨论的问题有： 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻

1.双端输入双端输出 (1)差模电压放大倍数 （2）共模电压放大倍数 （3）差模输入电阻 （4）输出电阻

2. 双端输入单端输出 (1)差模电压放大倍数 这种方式适用于将差分信号 转换为单端输出的信号。 （3）输出电阻 （2）差模输入电阻

（4）共模电压放大倍数 ui1=ui2 =uic， 设ui1 ，ui2   ie1  ， ie1  。  iRe （=2 ie1 ） 画出共模等效电路

求共模电压放大倍数：

3. 单端输入双端输出 = u 2 i i1 + i2 - uid = ui uic= ui / 2 计算同双端输入双端输出：

4. 单端输入单端输出 计算同双入单出： 注意放大倍数的正负号： 设从T1的基极输入信号，如果从uo1 输出为负号；从uo2 输出为正号。

差动放大器动态参数计算总结 (1)差模电压放大倍数 (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时： 单端输出时： (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时： 单端输出时：

(3)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。 (4)输出电阻 单端输出时 双端输出时

共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 (5)共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 双端输出时KCMR可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：

五. 带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式： 加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源来代替Re 。

恒流源的作用 等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。 恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。

例5.2：如图所示的差分式放大电路中，Rc=10kΩ，ro=50kΩ， Io=1mA， VCC=15V，VEE=－15V，三极管β1=β2=100，输入电压vi1=1mV。试计算总输出电压Vo为多少？

(1)该电路为单端输入、单端输出接法，首先求其静态工作电流IC的值。 (2)求T2集电极输出时的差模增益和共模增益。 (3)将输入信号分解为差模输入成分和共模输入成分。 vid=vi1－vi2=10mV

(4)求T2集电极瞬时输出电压Vo。 根据叠加原理Vo瞬时电压为VC2直流静态电压VCQ2加上瞬时交流输出电压vo 可以看出交流输出vo≈vod，即差分电路极好地抑制了共模信号。

5.4 集成运放简介 一. 集成运放的总体结构

二. 简单的集成运放 原理电路：

图5.4.1 F007型集成运算放大器的原理电路

集成运算放大器符号 u-－ － uo u+ ＋ 国内符号： 集成运放的特点： 国际符号： 电压增益高: Avd=∞ 输入电阻大: Rid=∞ 同相输入P 反相输入N 输出端 集成运放的特点： 国际符号： 电压增益高: Avd=∞ ＋ － u-－ u+ uo 输入电阻大: Rid=∞ 输出电阻小:Ro=0 共模抑制比KCMR=∞

电路如图所示，已知R e1=R e2=100W， b 1=b 2 = 100， VBE1 = VBE2 = VBE3 = 0.7V。求： 1.      r be1，r be2，r be3；2.      差动放大的共模增益AVC2；3.      差动放大的差模增益AVD2；4.      整个电路的增益AV=AVD2·AV3。 图6

电路如图所示，已知b 1=b 2 = 50，b 3 = 50，且b 4 =b 5足够大。 求：1 电路如图所示，已知b 1=b 2 = 50，b 3 = 50，且b 4 =b 5足够大。 求：1. 估算静态电流IC4，IC2，IC3，管压降VCE2，VCE3，r be1，r be2，r be3； 2．求电路总的电压增益AV=AVD2·AV3。

本章小结 1．直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2．电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。 3．集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。

作业 P142 1, 5, 6, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 21 19题中T3和T4形成比例电流源: