集成运算放大电路

1、5 集成运算放大电路5.1 教学要求集成运算放大电路是一种应用广泛的模拟集成电路，内部是采用直接耦合的高增益多级放大器。学习本章应达到：1 了解集成电路的基本概念和种类、工艺特点，集成运放的内部结构。2 理解模拟集成电路内部的基本单元电流源偏置电路的分析方法。3 理解运放内部电路的基本工作原理与分析方法。4 掌握运放的符号、主要参数的意义和集成运放应用中的注意事项等。5.2基本概念5.2.1 集成电路概述在半导体制作工艺的基础上，将一个具有特定功能电子电路中的全部或绝大部分元器件制作在一个硅片上，做成一个独立的器件封装，称为集成电路。集成电路由于要将很多元器件做在一个很小的硅片上，其电路中的元

2、器件种类、参数、性能和电路结构设计都将受到集成电路制作工艺的限制，具有如下特点：1 元器件参数准确度不高，但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，例如差分放大电路。2 集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，一般在毫瓦级以下。3 不易制造大电阻，因为在集成电路中制作大电阻需要占用较大的芯片面积，而且电阻的精度和稳定性都不高。所以，在电路中需要大电阻时，往往使用有源器件的等效电阻替代或者外接。4 在集成电路中制作电容器是比较困难的，一般只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器内部一般都采用直接耦合方式。如需大电容，只能外接。5 不能制造电感，如一定要用电感

3、，也只能外接。5.2.2 集成运放内部结构由于要求高增益和高稳定性，集成运放内部电路采用直接耦合的多级放大器结构，电路的结构框图如图5. 1所示。图5.1 集成运放内部结构框图1. 输入级集成运放对输入级的要求是：电路具有很高的输入阻抗、较小的输入偏置电流、较强的静态工作点漂移抑制能力、很高的共模抑制比和一定的电压增益。输入级有一级差分放大器和两级差分放大器等结构。2. 中间级运放对中间级的要求是：具有很高的电压增益和简单的频率响应特性，才能保障整个运放的放大能力和工作稳定性，一般通用型集成运放的中间级都采用单级高增益的共射（源）极放大电路。3. 输出级运放对输出级的要求是：具有较强的带负载能

4、力、高的输入阻抗、大的动态范围和对输出端的过载、短路等保护能力。4. 偏置电路偏置电路是给运放中各级放大电路提供静态偏置电流的，其性能好坏直接影响运放各项参数。一般情况下，前级信号幅度小，静态电流较小；另外随着电源电压的变化，静态工作点也会有一定的变化，使电路的静态工作点始终保持最佳状态。5.2.3 集成运放的电路符号图5.2是集成运放的电路符号，图（a）是现行国家标准规定的符号，（b）是国内外常用符号，符号中有两个输入端和一个输出端。其中，称为反相输入端，因为，以同相输入端为参考点，从端输入信号，经放大后的输出信号与输入信号反相，在符号中标注“”。同理，以为参考点，从端输入信号，放大后的输出

5、信号与输入信号同相，在符号中标注“+”。在实际应用中，目前两种符号都有使用。（a）现行国家标准规定符号 （b）国内外常用符号图5.2 集成运放的电路符号5.2.4 电流源偏置电路集成运放中的偏置电路一般采用电流源偏置，这样可以保证当电源电压在较大范围内波动时放大电路的静态工作点基本稳定，增强电路的电源电压适用性。集成运算放大电路内部偏置电路中常用的电流源电路包括基本镜像电流源、微电流源、多路镜像电流源等几种结构。对于电流源偏置电路，要能够正确识别其电路类型、电流关系和基本分析方法。5.2.5 集成运放的主要参数集成运放的性能参数包括误差特性、放大能力、共模特性、动态特性等现归纳如下：1 误差特

6、性：包括输入偏置电流、输入失调电流及温漂、失调电压及温漂等。2 放大能力：开环增益、差模输入电阻、输出电阻、最大差模输入电压、额定输出电压及最大输出电流、电源电压范围、开环带宽和单位增益带宽等。3 共模特性：共模抑制比、最大共模输入电压、共模输入电阻等。4 动态特性：输出电压转换速率、建立时间、最大功率带宽等。5.3 学习方法指导1 学习模拟集成电路首先要理解其内部结构特点，理解直接耦合、电流源偏置和多级放大等基本概念。2 模拟集成电路其内部结构虽然复杂，但应用时需要的外围元器件并不多。因此，不必在内部电路分析方面花太多精力。3 应掌握集成运算放大电路主要参数的意义。集成运放的参数多，种类、型

7、号繁杂，因此，学会查手册是非常重要的。4 理解理想运放与实际运放的性能差距，在实际应用中选择合适的器件型号、应用电路结构和外围器件参数，是获得良好应用效果的保障。5.4 重点难点分析1 学习本章重点在于学会集成运放的应用，而掌握集成运放主要参数的含义是学会其应用的前提。2 集成运放内部的电流源偏置电路的性能是决定运放性能的重要因素。偏置电路中常包括有温度补偿、电源电压补偿和抑制共模干扰等功能，电路结构看似简单，但实际分析的难度较大，是运放内部电路分析的难点之一。3 在运放应用中，单、双供电电源的选择与转换很重要，在实际应用中也很容易出错，值得高度重视。5.5典型例题分析【例5-1】 试设计一个

8、输入阻抗约50K、增益约30倍的音频前置放大器，输入信号幅度15mV（有效值），频率范围20Hz20KHz；要求选择合适的器件型号和参数。解：（1） 选择运放。根据频率特性要求，F007、A741等通用运放上限频率和电压转换速率太低，虽然加入负反馈后，闭环上限频率会提高，但大信号下仍难以达到要求，应选择音频专用运放，例如NE5532、NE5534等。（2） 选择电路结构。电路结构选择比较简单，同相比例器和反相比例器均可以达到要求。两种电路结构分别如图5.3、图5.4所示。 图5.3 反相比例器电路图 图5.4 同相比例器电路图（3）参数选择。对于图5.3的反相比例器，由于电路的输入阻抗，所以只

9、能取，则，。对于图5.4的同相比例器，也有，并且，即。可选、。（4）对比两种电路：反相比例器的电阻参数选择只有一种可能，且需要1.5M的高阻值电阻；而同相比例器的电阻选择范围就大得多。另外，图5.4中加入电容C后。形成直流全反馈，对抑制静态工作点漂移大有好处。【例5-2】 图5.5是集成运放F007的输入级电路。其中几个PNP三极管的均为4。，。试计算这一级的电压放大倍数和输入电阻Ri。设中间级的输入电阻图5.5 F007输入级电路解：从图中可以看出电路为带有源负载的复合差动放大电路。其中，与，与构成共集电极共基极组态电路，既可以提高电路的输入电阻，又可以扩展放大器的上限频率，和分别为它们的有

10、源等效负载。和又具有输出双端转单端的作用。， ，从输入回路看，接在发射极的等效电阻是的等效输入电阻，且，故电路的输入电阻为而：， ， 且：所以：本级的电压增益不算高，原因就是为了提高输入电阻和降低噪声，第一级电路的静态工作点选得很低，导致三极管的很大，整体增益下降，如果适当提高前级的静态工作点，就可以大幅度提高电压放大倍数，但输入电阻会下降，系统的噪声性能也会恶化。【例5-3】 集成运放的开环增益，单位增益带宽，电压转换速率，运放接成反相比例放大电路，闭环增益。（1）确定小信号开环带宽（2）当输出电压不失真幅度时，求全功率带宽。解：（1）开环带宽与单位增益带宽、开环增益之间有如下关系，所以：。

11、（2）由于运放的输出电压最大速率有限，当要求输出电压幅度大的时候，其放大信号的上限频率将受到限制，具体关系所以，全功率带宽可见，即使是负反馈可以扩展放大器的带宽，但如果集成运放本身的电压转换速率不够高，在大信号下其应用的上限频率也不会很高，且全功率带宽不受负反馈的影响，这类比较低集成运放用于制作音频功率放大器时，在大信号的情况下易出现失真就是这个原因。【例5-4】 电路如图5.6所示，设各三极管的，,。（1）分析放大电路的直流工作状态；（2）计算放大电路总的电压增益。图5.6 例5-4电路图解：（1）放大电路的直流分析当时，（2）电压放大倍数计算电路可分为三级放大器，如图中虚线分隔所示。第一级

12、是、等构成单端输出差动放大器；第二级、构成复合管共射极放大器，第三级为、等构成电压跟随器。其中，是第二级输入电阻。式中：为第三级的输入电阻，因为第三级为复合管电压跟随器，所以极高，且。放大电路总电压增益5.5 习题详解5.4定性分析图5-1电路，说明电路中、的作用。图5-1 习题5.4的电路解：在图5-1电路中，、和构成电流源作为的发射极等效电阻，构成射极跟随器，和为提供基极偏置电压，电路的电压增益：。5.5 某集成运算放大电路内部的局部电路如图5-2所示，T1、T2特性相同，且三极管的足够大。问：（1）T1、T2是什么结构的电路？在电路中起什么作用？（2）写出IR和IC2的表达式。设，VCC

13、和R均已知。图5-2 习题5.5的电路解：（1） T1、T2在电路中构成镜像电流源，；T2的交流等效阻抗作为T3的集电极等效负载。（2） 5.6 电路如图5-3所示，试求输出电流的表达式，设，各管的均忽略不计。图5-3 习题5.6的电路解：设各电流方向如解图5-3所示，由于，各管的均忽略不计，且，；则与、与构成比例电流源，所以有： ，。对于运放有虚短和虚断，即：解图5-3 习题5.6的解图 5.7 某运放的内部简化电路如图5-4所示。（1） 试判断两个输入端哪个是同相端，哪个是反相端？（2） 说明各三极管的工作组态、作用及信号流向。图5-4 习题5.7的电路解：（1） 从输入信号经（共集电极，

14、同相）、（共基极，同相）、（共集电极，同相）、（共发射极，反相）和（共集电极，同相）到达输出端，共反相一次，因此是反相端。从输入信号经（共发射极，反相）、（共集电极，同相）、（共发射极，反相）和（共集电极，同相）到达输出端，共经过两次反相，因此是同相端。（2） 各三极管的组态前面已经列出。和构成双端输入、单端输出的差分放大器；阻抗匹配，电压放大，阻抗匹配，增强负载能力。和汇集到T2集电极后的流经。5.8 德州仪器公司生产的集成CMOS四运放TLC2274内部的一个运放电路如图5-5所示。试分析：（1） 该电路由那几部分组成？（2） 在输入端接入输入信号时，说明信号流经的路径、各个管子的组态和作

15、用。图5-5 习题5.8的电路解：（1） 电路包括： 输入级（T1、T2、T4、T5等）。其中T1和T4构成源极耦合差分放大电路，双端输入、单端输出。T2、T5构成镜像电流源作为T1和T4的等效负载，同时实现输出信号双端转单端。 电压放大级：主要元件是T12和T13等，T12和T13既是放大管，又互为等效负载。 偏置电路（T3、T6、T14、T15、T16、T17等）。（2）当电路输入差模信号 时，信号经由的路径如解图5-5所示。解图5-5 习题5.8电路信号流经路径图各个管子的组态：图中实线路径：T4（共源极）、T13（共源极） 。图中虚线路径：T1（共源极）、T5（共源极）、T7（共源极）、T10（共源极）、T12（共源极） 。5.9 集成运放LM324的，当工作信号频率为10KHz时，输出电