第4章差动放大电路及运算放大器
集成运算放大器电路-模拟电子电路-PPT精选全文完整版
第4章 集成运算放大器电路
4―3―2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参
数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接 并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极 耦合差动放大器。
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
第4章 集成运算放大器电路
IC2
R1 R2
Ir
(4―7) (4―8)
第4章 集成运算放大器电路
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
UCC
Ir
UCC U BE1 Rr R1
UCC Rr R1
(4―9)
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
＋
UBE1 －
IE1
R1
IB2 ＋
UBE2 － R2
(4―11)
Ir
IC1
IB3
IC1
IC3
IC1 IC2,
IC3
3 1 3
IE3
IE3
IC2
IC1
1
IC2
2
若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各
式可得
IC3
(1 2ຫໍສະໝຸດ 222)Ir
(4―12)
第4章 集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
Ro 2 rce
4―2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
差动放大电路与集成运算放大器
优缺点的比较
差动放大电路
差动放大电路具有结构简单、性能稳定 、噪声抑制能力强等优点，适用于对信 号质量要求较高的场合。但相对于集成 运算放大器，其增益较低，且对元件参 数对称性要求较高。
VS
集成运算放大器
集成运算放大器具有高精度、低噪声、低 失真等特点，适用于需要进行复杂运算和 处理的场合。但其电路结构较为复杂，且 对电源电压和温度稳定性要求较高。
差动放大电路的性能指标
• 差动放大电路的性能指标包括电压增益、输入电阻、输出电阻、 共模抑制比等。电压增益是指差动放大电路对差分信号的放大 倍数；输入电阻是指差动放大电路对输入信号的阻碍作用；输 出电阻是指差动放大电路的输出端的内阻；共模抑制比是指差 动放大电路对共模信号的抑制能力。
03 集成运算放大器
响应的重要参数。
04 差动放大电路与集成运算 放大器的两个输入信号进行差分输入，通过电路的对称性，将差分信号放大并转换为单端信号输出 的电路。其工作原理主要基于晶体管的共射输入输出特性，通过调整电路参数，实现差分信号的放大。
集成运算放大器
集成运算放大器是一种将多个晶体管、电阻、电容等元件集成在一块芯片上的模拟电路，具有高放大倍数、高输 入电阻、低输出电阻等特点。其工作原理基于负反馈和开环增益，通过反馈网络对输入信号进行比例放大，实现 信号的运算功能。
差动放大电路与集成运算放大器
目录
• 引言 • 差动放大电路 • 集成运算放大器 • 差动放大电路与集成运算放大器的比较 • 差动放大电路与集成运算放大器的应用实
例 • 结论
01 引言
主题简介
差动放大电路
差动放大电路是一种将差分信号转换 为单端信号的电路，具有抑制共模干 扰、提高信号动态范围等优点。
运放基本应用电路
运放基本应用电路运放基本应用电路运算放大器是具有两个输入端，一个输出端的高增益、高输入阻抗的电压放大器。
若在它的输出端和输入端之间加上反馈网络就可以组成具有各种功能的电路。
当反馈网络为线性电路时可实现乘、除等模拟运算等功能。
运算放大器可进行直流放大，也可进行交流放大。
R f使用运算放大器时，调零和相位补偿是必须注意的两个问题，此外应注意同相端和反相端到地的直流电阻等，以减少输入端直流偏流 U I 引起的误差。
U O 1．反相比例放大器 电路如图1所示。
当开环增益为 ∞（大于104以上）时，反相放大器的闭环增益为： 1R R U U A f I O uf -== （1） 图1 反相比例放大器 由上式可知，选用不同的电阻比值R f / R 1，A uf 可以大于1，也可以小于1。
若R 1 = R f ， 则放大器的输出电压等于输入电压的负值，因此也称为反相器。
放大器的输入电阻为：R i ≈R 1直流平衡电阻为：R P = R f // R 1 。
其中，反馈电阻R f 不能取得太大，否则会 产生较大的噪声及漂移，其值一般取几十千欧 到几百千欧之间。
R 1的值应远大于信号源的 O 内阻。
2．同相比例放大器、同相跟随器 同相放大器具有输入电阻很高，输出电阻很低的特点，广泛用于前置放大器。
电路原理图如图2所示。
当开环增益为 ∞（大于104以上 图2 同相比例放大器 ）时，同相放大器的闭环增益为：1111R R R R R U U A f f I O uf +=+== （2） 由上式可知，R 1为有限值，A uf 恒大于1。
同相放大器的输入电阻为：R i = r ic其中： r ic 是运放同相端对地的共模输入电阻，一般为108Ω；放大器同相端的直流平衡电阻为：R P = R f // R 1。
若R 1 ∞（开路），或R f = 0，则A u f 为1，于是同相放大器变为同相跟随器。
此时由于放大器几乎不从信号源吸取电流，因此 U可视作电压源，是比较理想的阻抗变换器。
运算放大器构造及原理
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用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
原理:高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。
按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，运算放大器原理运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图1-1。
一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。
图1-1 通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。
模拟电子技术基础-课程作业
教材 模拟电子技术基础（第四版） 清华大学模拟电子技术课程作业第1章 半导体器件1将PN 结加适当的正向电压，则空间电荷区将( b )。
(a)变宽 (b)变窄 (c)不变2半导体二极管的主要特点是具有( b )。
(a)电流放大作用 (b)单向导电性(c)电压放大作用3二极管导通的条件是加在二极管两端的电压( a )。
(a)正向电压大于PN 结的死区电压 (b)正向电压等于零 (c)必须加反向电压4若将PN 结短接，在外电路将( c )。
(a)产生一定量的恒定电流 (b)产生一冲击电流 (c)不产生电流5电路如图所示，二极管D 1、D 2为理想元件，则在电路中( b )。
(a)D 1起箝位作用，D 2起隔离作用 (b)D 1起隔离作用，D 2起箝位作用 (c)D 1、D 2均起箝位作用 (d)D 1、D 2均起隔离作用D 1V 2V u O6二极管的反向饱和峰值电流随环境温度的升高而( a )。
(a)增大(b)减小 (c)不变7电路如图所示，二极管型号为2CP11，设电压表内阻为无穷大，电阻R =5k Ω，则电压表V 的读数约为( c )。
(a)0.7V (b)0V (c)10VR8电路如图所示，二极管D 为理想元件，输入信号u i 为如图所示的三角波，则输出电压u O的最大值为( c )。
(a)5V (b)10V (c)7VDu O9电路如图所示，二极管为理想元件，u i =6sin ωt V ，U =3V ，当ωt =π2瞬间，输出电压 u O 等于( b )。
(a)0V (b)6V(c)3VDu O10电路如图所示，二极管D 1，D 2，D 3均为理想元件，则输出电压u O ＝( a )。
(a)0V (b)－6V (c)－18V0V3--11电路如图所示，设二极管D1，D2为理想元件，试计算电路中电流I1，I2的值。
23k+-答：D1导通、D2截止.所以：I1=（12V+3V）/ 3k=5mA I2=012电路如图1所示，设输入信号u I1,u I2的波形如图2所示，若忽略二极管的正向压降，试画出输出电压uO的波形，并说明t1,t2时间内二极管D1，D2的工作状态。
运算放大器
运算放大器（英语：Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，减法等模擬运算电路中，因而得名。
通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。
原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。
但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（positive feedback）组态，相反地，在很多需要产生震荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。
运算放大器有许多的规格参数，例如：低频增益、单位增益频率（unity-gain frequency）、相位边限（phase margin）、功耗、输出摆幅、共模抑制比（common-mode rejection ratio）、电源抑制比（PSRR，power-supply rejection ratio）、共模输入范围（input common mode range）、电压摆动率（slew rate）、输入偏移电压（input offset voltage，又译：失调电压）、还有噪声等。
目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。
一般用途的集成电路运算放大器售价不到一美元，而现在运算放大器的设计已经非常可靠，输出端可以直接短路到系统的接地端（ground）而不至于被短路电流（short-circuit current）破坏。
目录[隐藏]∙ 1 运算放大器的历史∙ 2 运算放大器的基础o 2.1 电路符号o 2.2 理想运算放大器的操作原理▪ 2.2.1 开回路组态▪ 2.2.2 负反馈组态▪ 2.2.2.1 反相闭回路放大器▪ 2.2.2.2 非反相闭回路放大器▪ 2.2.3 正反馈组态∙ 3 实际运算放大器的局限o 3.1 直流的非理想问题▪ 3.1.1 有限的开回路增益▪ 3.1.2 有限的输入阻抗▪ 3.1.3 大于零的输出阻抗▪ 3.1.4 大于零的输入偏压电流▪ 3.1.5 大于零的共模增益o 3.2 交流的非理想问题o 3.3 非线性的问题o 3.4 功率损耗的考量∙ 4 在电路设计中的应用∙ 5 直流特性∙ 6 交流特性∙7 运算放大器的应用∙8 741运算放大器的内部结构o8.1 电流镜与偏压电路o8.2 差分输入级o8.3 增益级o8.4 输出级∙9 CMOS运算放大器的内部结构∙10 其他应用∙11 参见∙12 参考资料与附注∙13 外部链接[编辑]运算放大器的历史第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。
第4章 差动放大电路与集成运算放大器
id
图3-3 差动放大电路的输入方式
共模信号 与差模信号
Ui1 Ui2
线性放 大电路
Uo
1 共模信号输入电压： U ic (U i1 U i 2 ) 2
差模信号输入电压：U
id
(U i1 U i 2 )
差模信号：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相反的信号。
共模信号 ：是指在两个输入端加幅度相等， 极性相同的信号。
在放大器的两个输入端分别输入大小相等、 极性相同的信号，即 ui1 ui 2 时，这种输入方 式称为共模输入，所输入的信号称为共模 （输入）信号。共模输入信号常用 uic 来表 示，即 uic ui1 ui 2 。在放大器的两个输入端 分别输入大小相等、极性相反的信号，即 时这种输入方式为差模输入，所输 入的信号称为差模输入信号。差模输入信 号常用 u 来表示，即 ui1 uid / 2 ui 2 uid / 2
输入信号种类
ui1 = ui2 共模输入
(common mode)
uC ud
ui1 = -ui2 差模输入
(differential mode) 任意输入ui1, ui2（既非差模又非共模）
3.2 相关的理论知识
(2)共模输入
如图3-3（a）所示为共模输入方式，由图中可以看出，当差动放大器输 入共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电位变化相同，因而输出 电压 u oc 恒为零。
Rod 2RC
5.共模抑制比 如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路 加上一对共模输入信号。所以差模输入信号反映了要放大的有效信号，而共模输入信号 可以反映由温度等原因而产生的漂移信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差 模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。 共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。
第4章 集成电路运算放大电路
④动态时ΔiO约为多少？
4.3 集成运放电路简介
•电压放大倍数高 集成运放的特点： •输入电阻大 •输出电阻小 已知电路图，分析其原理和功能、性能。 （1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术 指标。 （2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本 电路。 （3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 （4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功 能和性能。 （5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要 参数。
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
T0 和 T1 特性完全相同。
U BE0 = U BE1 U BE I B0 = I B1 I B I C0 = I C1 I C
I R IC 2I B IC 2 IC IC
2
I R 即I C1
当β>>2时， I C1
学习指导 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源 4.3 集成运放电路的简介 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
4.5 集成运放的种类及选择（自学） 4.6 集成运放的使用（自学） 小结
作 业
• 4.3
学习指导
在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元 器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路， 称为集成电路。 其体积小，而性能却很好。 集成电路按其功能分，有模拟集成电路和数字集 成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中集成运算放 大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。 主要内容:(1)集成运放中的电流源;(2)集成运放 电路的分析;(3)集成运放及主要性能指标。 基本要求:(1)熟悉运放的组成及各部分的作用， 理解主要性能指标及其使用注意事项；（2）了解镜 像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途； (3)了解运放F007的基本组成和工作原理。（4）熟悉 LM324集成运放的引脚分布及其应用。
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4.3 集成运算放大器
3. 集成运放的符号
u－ － － ud u＋ ＋ ＋ Ao ＋ uo
反相输入端 同相输入端
输出端
净输入：ud = u＋－ u－ +UCC
u－ u+ 8 7 100 dB 2 6 3 1 5 4
－UEE
集成运算放大器的管脚和外部接线图
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4.3 集成运算放大器
4.电压传输特性 线性区 当－ ≤ud≤＋
uo +UOM －ε O
正饱和区
uo = Ao ud = Ao ( u＋－u－)
饱和区 当 ud＞＋ 时 当 ud＜－ 时
线性区
+ε
ud
－UOM 负饱和区
正饱和电压：uo =＋UOM =＋UCC 负饱和电压：uo =－UOM =－UEE
T1
Rp T2
– +
ui1 ui
–
ui2
RE
因为T1集电极电流IC1增大， 其IE1也要增大。在RE中
VE (I E1 I E2 )RE
EE
若RE足够大，(ΔIE1 + ΔIE2 )0，则RE是开路的， 这样每只晶体管各得到一半输入信号。
单端输出是的电压放大倍数(若同相输出则取+号) 1 RC
1 VT
1
3
＋ uo － uo
RC
VT2 2 ＋ ui2 ＋ ui2 －
4
＋ ui1 － R E －UEE 反相输入
－
ui＞0 →ui1 = ube1＞0 →ic1＞0 →uo＜0
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1. 双端输入—双端输出
RC
– –
uo
+Ucc
+ + –
RC
RB
由R的分压，各晶体管 的差模输入为总信号ui 的一半，但极性相反。 (1) 静态分析
ui2
–
双端输出电压为
uo 2 RC Ad1 d2 ui 2 R B rbe
uo Ad (ui 1 ui 2 ) Ad ui
双入– 双出差放的电压放大倍数：
uo uo1 uo 2 2uo1 RC Ad Ad 1 ui ui 1 ui 2 2ui 1 RB rbe
两输入端之间的差模输 入电阻： ri 2(R B rbe )
ro 2RC
两集电极之间的差模输出电阻：
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2. 单端输入—单端输出
RC
–
– +
uo
uo1 uo2
+
RC
+
–
+Ucc
RB
RB
–
尽管信号由单端输入， 而由于RE的耦合作用使 两管同时取得信号。
++
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
二、 零点漂移
直接耦合电路
ui = 0
有时会将信号淹没 uo
uo
1. 产生零漂的主要原因 ① 温度的变化对半导体管 子的影响。 ② 直流电源的电压不稳定。 2. 零漂与耦合方式的关系 ① 在阻容耦合电路中， 各级的零漂不会传送 到下一级。 ② 在直接耦合电路中， 每一级的零漂被逐级传 送、逐级放大。
一、电路结构
1. 组成: 左右两个结构、参 数完全相同的单管共射 放大电路组成； 2. 两个输入端、两个输出 端， uo = uo1－uo2 ； 3. 两个直流电源UCC和 - UEE 。
＋ ui1 －
＋ uo － ＋ ＋ uo1 uo2 － － RE
－UEE
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二、静态分析
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在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。为了全面 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力， 引入共模抑制比，以KCMRR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：
KCMRR =
或用对数形式表示：
Ad Ac
Ad Ac (dB)
KCMRR = 20 log
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.1 直耦放大电路的特殊问题
一、直接耦合
放大缓慢变化的信号、直流变化的信号； 把前级输出直接接到后级输入。
RB1
RC ＋UCC ＋ ＋ ui1 － RB2 RE ＋ uo1 － ui2 － ＋ uo2 － RB ＋UCC
RE
RL
特点：不仅能传送交流信号、而且还能传送直流变 化的信号。
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4.3 集成运算放大器
2.主要参数 (1) 开环电压放大倍数 Ao uo Ao = u i (2) 输入失调电压和输入失调电流 (3) 共模抑制比 KCMRR
Ad KCMRR = A c (4) 最大输出电压 Up-p
(5) 差模输入电阻 rid
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(6) 最大差模输入电压 UidM
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4.3 集成运算放大器
5. 理想运算放大器 (1) 理想运放的主要条件 开环电压放大倍数：Ao→∞ 开环输入电阻：ri→∞ 开环输出电阻：ro→0 共模抑制比：KCMRR →∞ (2) 理想运放的符号
u－ u＋ － － ud ＋ ＋ ∞ uo
＋
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uo uo1 uo2 2 Ad uid Ad (ui1 ui 2 )
上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关， 而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值 特性。 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对 差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号， 因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放 大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能 力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映 出信号的偏差值。
(2) 动态分析
RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
RE 对差模信号不起作用， 因而单管差模电压放大 倍数：
u ib RC RC Ad1 o1 u i1 i b (R B rbe ) R B rbe
EE R
– +
同理 A
–
+
ui1
ui
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＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
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温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会 下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即： ΔIC1=Δ IC2 ΔUC1= ΔUC2 输出电压： uo＝ (UC1 + ΔUC1)－( UC2 +ΔUC2 )=0 即消除了零点漂移。
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RC
–
–
+
uo uo1 uo2
+
+ –
RC
RB
RB
T1
Rp R
+
T2
RE
当两管集电极之间接入 负载电阻RL 时，差模电 压放大倍数： R L Ad R B rbe 其中
1 R R C // R L L 2
EE R
– +
+
ui1
ui
ui2
–
–
第4章 差动放大电 路及集成运算放大器
if i1 ＋ uC－ ui C R2 u－ － u＋ ＋ Rf ∞ ＋ uo uo
ui +Ui O
O
t 电子技术 t
电子技术
第 4 章 差动放大电路及 集成运算放大器
4.1 直耦放大电路的特殊问题
4.2 差动式放大电路
4.3 集成运算放大器
课堂讨论
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KCMRR 愈大，抑制零点漂移的能力愈强。 理想情况： Ac = 0 KCMRR→∞
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4.2 差动放大电路
四、输入和输出方式
输入方式： 双端输入、 单端输入。 输出方式： 双端输出、 单端输出。 1 ui1=－ui2 = ui 2
RC
ui ＋ ui1 －
＋UCC
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4.1 直耦放大电路的特殊问题
RB1
RC
＋UCC
RB
＋UCC
＋
＋ ui1 － RB2 RE
＋
uo1 ui2 － RE ＋ uo2 － RL
－
缺点： 1 前后级静态工作点相互影响； 2 提高后级T2的发射极电位，是兼顾前、后级 和放大倍数的重要措施。 3 要产生零点漂移现象。
同向漂移
RC T1
＋UCC RC T2 ＋ ui2 －
＋ uo －
＋ ui1 －
RE
－UEE
uo = (uC1＋uC1)－(uC2＋uC2) = 0
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RE 对单管零点漂移的抑制过程
结论 (1) RE 越大抑制零漂 的效果越好。 (2) RE → UEE 为此，用恒流源 代替 RE 。
RE 对单管零点漂移的抑制过程
温度
IC1 IC1 IC2 IC2
2IE →URE
UBE1 → IB1 UBE2 → IB2
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