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.

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1 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

2 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

3 集成运放的基本电路组成

4 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。

5 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。

6 2. 微电流源 再由二极管的基本公式 设IES1=IES2

7 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）

8 3. 电流源的作用 1）作直流偏置电路

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

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

15 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

16 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：

17 差模信号： 共模信号： v 2 = id ic i1 + i2 -

18 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

19 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

20 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

21 ①求差模电压放大倍数：

22 Ro单管=Rc Ro=2Rc

23 (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

24 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。

25 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

26 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) = mV

27 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

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29 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

30 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

31 （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

32 求共模电压放大倍数：

33 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：

34 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。

35 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：

36 (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

37 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：

38 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 。

39 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。

40 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？

41 (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

42 (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。

43 5.4 集成运放简介 一. 集成运放的总体结构

44 二. 简单的集成运放 原理电路：

45 图5.4.1 F007型集成运算放大器的原理电路

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47 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=∞

48 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

49 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。

50 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。

51 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:

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