第4章集成运算放大电路

1、2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 1 页页第四章 集成运算放大电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3 4.3 电路电路分析及其性能指标分析及其性能指标2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 2 页页4.14.1 概述一、集成运放的特点一、集成运放的特点二、集成运放电路的组成二、集成运放电路的组成三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性 2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 3 页页一、集成运放的特

2、点一、集成运放的特点（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性。一致性。（2 2）采用）采用差分放大电路和电流源电路。差分放大电路和电流源电路。（3 3）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。化并不带来工艺的复杂性。（4 4）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。的大电阻。（5 5）采用复合管。采用复合管。 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接高性能的直接

3、耦合多级放大电路耦合多级放大电路。因首先用于信号的。因首先用于信号的运算（比例、求和、运算（比例、求和、求差、积分、微分等），求差、积分、微分等），故而得名。故而得名。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 4 页页二、集成运放电路的组成二、集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。双端输入、单端输出的差分放大电路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 5 页页集

4、成运放电路四个组成部分的作用输入级输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。中间级中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够足够的放大能力。的放大能力。输出级输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。偏置电路偏置电路：为各：为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。几代产品中输入级的变化最大！几代产品中

5、输入级的变化最大！2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 6 页页三、集成运放的电压传输特性三、集成运放的电压传输特性 由于由于Aod高达高达几十万几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是差是差模开环放大倍数。模开环放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。

6、，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 7 页页4.24.2 集成运放中的电流源一、镜像电流源一、镜像电流源三、三、微电流源微电流源四、四、多路电流源多路电流源五、五、有源负载有源负载二、比例电流源二、比例电流源2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 8 页页一、镜像电流源一、镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。BE1BE0B1B0UUII，CRC0B0B1C2IIIIIICR2 II若，则在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致

7、性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负反电路中有负反馈吗？馈吗？基准电流基准电流RCCBE()IVURCR2IIC1C0CIII特点特点: 电路电路简单，应用广泛。但要求简单，应用广泛。但要求IC1较大时，较大时，R将消将消耗较大功率；要求耗较大功率；要求IC1很小时，很小时，R需很大，在集成电路中需很大，在集成电路中都不允许。都不允许。二、二、比例比例电流源电流源BE0E0e0BE1E1e1UI RUI REBETSlnIUUIE0BE0BE1TE1lnIUUUIE0E1e1E0e0TE1lnII RI RUIe0TRC1e1e112 lnRCRUIIIRRI若时

8、，则忽略对数项，则有：0C11eReRIIR0e0RCCBERVUIR而基准电流：特点特点：IC1具有更高的稳定性。具有更高的稳定性。根据电路，有由于2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 9 页页2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 10 页页三、微电流源三、微电流源E1BE0BE1e()IUURBEBE0BE1TT()E0ESE1e eUUUUUIIII，E0BE0BE1TE1eE1lnIUUUI RIE1 C1CCBE0E0 C0 RIIVUIIIR设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定I

9、E0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 11 页页四、多路电流源四、多路电流源 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。选取发射极电阻的数值。 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来确定集电结面积。确定集电结面积。 根据所需静态电流，根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。来确定沟道尺寸。00e011e122e233e3BEEBEEBEEBEEUIRUI RUIRUIR在比例电流源基础上得

10、到的多路电流源，有0e01e12e23e3EEEEIRI RIRIR由于各管UBE大致相等，所以可得近似关系当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可得到所需的电流。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 12 页页五、有源负载五、有源负载 1ce1ce2Lbbe1 ()urrRARr 用于用于共射放大电路共射放大电路RUVIEBCCR3RCCQIII221基准电流空载时T1管的静态集电极电流 若RL很大，则T1, T2管在h 参数等效电路中的1/h22就不能忽略，根据交流等效图，电压放大倍数为12(/ /),LceceRrr若 则be1bL1 r

11、RRAu2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 13 页页2.2.用于差分放大电路用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？C1C2C4C3C1 iiiii ，OC4C2C1 2iiii 单端单端输出电路的差模放输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。时的差模放大倍数。OC4C2 0iii静态：静态：C1C2C3C1C4C3C4C2IIIIIIII，动态：动态：1111122OCiuIBb

12、ebeiiAuirr所以：所以：11beLurRA当带负载RL时，2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 14 页页4.34.3 集成运放电路简介一、读图一、读图方法方法二、读图举例二、读图举例三、集成运放的三、集成运放的性能指标性能指标从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 15 页页一、读图方法一、读图方法（1）了解用途：）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术了解要分析的电路的应用场合、用途

13、和技术指标。指标。（2）化整为零：）化整为零：将整个电路图分为偏置电路、输入级、中间将整个电路图分为偏置电路、输入级、中间级和输出级四个部分。级和输出级四个部分。（3）分析功能：）分析功能：弄清弄清每一部分电路的结构形式和性能特点。每一部分电路的结构形式和性能特点。（4）统观整体：）统观整体：研究各部分研究各部分相互间的联系，理解电路如何实相互间的联系，理解电路如何实现所具有的功能。现所具有的功能。（5）定量估算：）定量估算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。一些规则：

14、 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级输入级、中间级中间级和输出级输出级电路。 在集成运放电路中若某一支路的电流能够直接估算出来，通常该电流就是偏置电路的基准电流。电路中与之相关联的电流源部分，就是偏置电路偏置电路。 剩下的部分，按信号的流通方向，可将三级分开。为了克服温漂，集成运放的输入级输入级多采用差分差分放大电路；为了增大放大倍数，中间级中间级多采用共射（共源）共射（共源）放大电路；而为了提高带负载能力，且具有尽可能大的不失真输出电压范围，输输出级出级多采用互补式电压跟随互补式电压跟随电路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shando

15、ng University第第 16 页页2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 17 页页二、举例：二、举例：F007F007通用型集成运放通用型集成运放（双极型）（双极型） 对于集成运放电路，应首先找出对于集成运放电路，应首先找出偏置电路偏置电路，然后根据信号流通，然后根据信号流通顺序，将其分为顺序，将其分为输入级输入级、中间级中间级和和输出级输出级电路。电路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 18 页页 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流

16、，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 19 页页双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路分解电路2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 20 页页输入级的分析 T3、T4为为横向横向PNP型管，输型管，输入端

17、入端耐压高耐压高。共集形式，输入。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9，因，因IC10不变不变 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出提高输入电阻，改善频率响应。提高输入电阻，改善频率响应。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 21 页页

18、输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源负的有源负载，而载，而T4又是又是T6的有源负载，增的有源负载，增大电压放大倍数。大电压放大倍数。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点特点：输入电阻：输入电阻大、差模放大倍大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对耐压高，并完成电平转换（即对“地地”输出）。输出）。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 22 页页中间级的分析 中间级是中间级是主放大器主放大器，它，它所采取的一切措施都是为

19、所采取的一切措施都是为了了增大放大倍数增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 23 页页输出级的分析 D1和和D2起过流保护作用，未起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。过流时，两只二极管均截止。7D1BE14O9RUUUi R iO增大到一定程度，增大到一定程度，

20、D1导导通，为通，为T14基极分流，从而保基极分流，从而保护护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点特点：输出电阻小：输出电阻小,最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 24 页页判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。允许的共模输入电压高、输入端耐压高等

21、。4.3.2 单极型集成运放（高输入电阻）（高输入电阻）C14573电路图C14573的放大电路部分 在测量设备中，常需要高输入电阻的集成运放。由于同时制作N沟道和P沟道互补对称管工艺较易实现，所以CMOS技术广泛用于集成运放。C14573是四个独立的运放制作在一个芯片上的器件，其电路原理如图所示。 图中可见，T1、T2和T7管构成多路电流源，利用外接电阻 R可以确定基准电流IR。下图是简化的电路图，由两级放大构成。第一级：T3和T4管构成差分放大，由T5和T6管组成的电流源作为其有源负载。第二级：由T8构成共源放大，以电流源I7为有源负载。电容C起相位补偿作用。2021年年11月月16日星期

22、二日星期二Shandong University第第 25 页页2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 26 页页三、集成运放的主要性能指标三、集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数 F007F007典型值典型值 理想值理想值 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几V/ 0 输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几nA/ 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 20lgAod使使uO为为0在输入端所加的补偿电压在输入端所加的补偿电压超过此