第6章集成运算放大器原理及其应用.ppt

1、第 6 章集成运算放大器集成运算放大器原理及其应用原理及其应用6.1 6.1 差分放大器差分放大器6.1.1 6.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析6.1.2 6.1.2 差分放大器大信号输入时的传输特性差分放大器大信号输入时的传输特性6.1.3 6.1.3 举例举例6.1.4 6.1.4 差分放大器的失调和温漂差分放大器的失调和温漂513绪论绪论一一.集成电路（集成电路（Integrated Circuit简称简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅

2、单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。上，形成具有特定电路功能的单元电路。二二.摩尔定律摩尔定律 未来未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）年）514绪论绪论三三.集成电路的特点集成电路的特点（同分立器件电路相比）：（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；电路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，

3、不利于集成；集成电路中的电容是利用集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。路多采用直接耦合的形式。515绪论绪论2.两者的设计思想正好相反两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽

4、量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。有源器件所取代。5166.1 差分放大器差分放大器 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？1.直流信号的放大直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的变化十分缓慢的信号信号进行放大。进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。制中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为认为频率等

5、于零）称为 直流信号直流信号。直流放大器直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。交流信号）。直流信号不同于直流电。直流信号不同于直流电。517 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？2.直流放大器面临的问题直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。变信号。直流放大器常常采用直流放大器常常采用直接耦合直接耦合方式。方式。两个问题：两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移）零点漂

6、移518 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？1）级与级之间的直流工作状态互相影响）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。多不便。519 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？现象：输现象：输入入电压电压为零，输出端电为零，输出端电压压表指表指针偏离针偏离零点或起始值零点或起始值，出现忽大忽小的，出现忽大忽小的不规则摆动。不规则摆动。2）零点漂移）零点漂移定义：定义：输入输入电

7、压电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零零点漂移简称零漂。漂。引起零漂的外界因素：引起零漂的外界因素：时间漂移：时间漂移：由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电 路设计无关。路设计无关。温度漂移：温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。电源电压变化引起的漂移：电源电压变化引起的漂移：当电源电压变化时

8、，电路的直流电平配制当电源电压变化时，电路的直流电平配制 受到某种破坏而导致输出零点的变动。受到某种破坏而导致输出零点的变动。520 引子：引子：为什么引入差分放大器？为什么引入差分放大器？为什么是矛盾？为什么是矛盾？为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力 也减弱了。也减弱了。寻求新方法解决矛盾！寻求新方法解决矛盾！抵消抵消采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。采用特殊形式的电路使漂移电压互

9、相抵消。引入特殊的负反馈引入特殊的负反馈对零点漂移有很强的负反馈，对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。对有用直流信号无负反馈。例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波互相抵消了。载上，偶次谐波互相抵消了。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。矛盾！矛盾！调制型直流放大器（框图）调制型直流放大器（框图）5216.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1.电路形式电路形式 基本形式（长尾电路）基本形式（长尾电路）两个性能完全相同

10、的共发射极电路拼接而成。两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。如何消除零漂？如何消除零漂？输入信号为零，电路对称输入信号为零，电路对称 某种因素产生零漂，如温度升高，某种因素产生零漂，如温度升高，电路对称，晶体管参数相同，电路对称，晶体管参数相同，靠电路对称消除零漂！靠电路对称消除零漂！5226.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1.电路形式电路形式 射极电阻的几种不同形式射极电阻的几种不同形式输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：从单管集电极取从单管集电极取 单端输出单端输出 从两管集电极之间取从两管集电极之间取 双端输出双端输出5236.1

11、.1 差分放大器的分析差分放大器的分析1.电路形式电路形式 差分式差分式放大电路的组态放大电路的组态基于不同的应用场合，有基于不同的应用场合，有双、双、单端输入和单端输入和双、双、单端输出的情况。单端输出的情况。单端输入时，另一端接地。单端输入时，另一端接地。双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出5246.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析1 1）差模输入信号：）差模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相反，称为即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号差模输入信号，记为，记为2 2）共模输入信号：）共

12、模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相同，称为即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号共模输入信号，记为，记为零漂引起的就是共模信号，为有害信号。零漂引起的就是共模信号，为有害信号。5256.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析问题：问题：差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般号，一般 ，即，非差模也非共模，该怎样，即，非差模也非共模，该怎样分析分析？解决方法：解决方法：对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模

13、信号和共模信号的叠加，求出差模信号号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。入信号作用下的性能指标。5266.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析令令具体分解方法：具体分解方法：5276.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 输入信号的分析输入信号的分析例子：例子：差模输入信号差模输入信号（任一端都不（任一端

14、都不接地）接地）共模输入信号共模输入信号5286.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 电阻电阻 的分析的分析1）差模信号作用下：）差模信号作用下：相同相同VT1：VT2：流过流过 的信号电流彼此抵消，在的信号电流彼此抵消，在 上无信号电压上无信号电压两管均为共射放大器，完两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。成放大差模信号的作用。反之亦然。反之亦然。两管各极电流的变化正好相反，当两管各极电流的变化正好相反，当5296.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 电阻电阻 的分析的分析2）共模信号作用下：）共模信号作用下：两管相应电流始终相等，两

15、管相应电流始终相等，流过流过 的信号电流为的信号电流为 ，产生的电压为，产生的电压为引入了电流串连负反馈，使得从每个管子引入了电流串连负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。集电极输出时的共模电压大大减小了。5306.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析2.工作原理工作原理 结论结论 共模等效共模等效差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输入信号（零点漂移）。入信号（零

16、点漂移）。结论结论差模等效差模等效5316.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻差模电压放大倍数和差模输入电阻1）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数单端输出差模电压放大倍数单端输出差模电压放大倍数5326.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析双端输出差模电压放大倍数双端输出差模电压放大倍数双端输出双端输出只要输入电压有差别，输出就变动！只要输入电压有差别，输出就变动！5336.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻差模电压放大倍数和差模输入电阻2）差模输入电阻）差模输入电阻5346.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析4.共模电压放大倍数和共模输入电阻共模电压放大倍数和共模输入电阻1）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数和和 成反比，成反比，越大，越大，越小。越小。5356.1.1 差分放大器的分析差分放大器的分析单端输出共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数单端输出时，射极电阻单端输出时，射极电阻 引入了电流