第四集成运算放大器

1、(4-1)电子技术电子技术第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器模拟电路部分模拟电路部分(4-2) 第四章第四章 差动放大器与差动放大器与集成运算放大器集成运算放大器4.1 集成放大电路集成放大电路的特点的特点4.2 集成运放集成运放的的基本组成部分基本组成部分4.3 集成运放的典型电路集成运放的典型电路4.4 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标4.5 理想运算放大器理想运算放大器(4-3)集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方

2、便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 4.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述(4-4)集成电路内部结构的特点：集成电路内部结构的特点：1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外

3、接。3. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。(4-5)对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高 KCMRR , , 输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的

4、结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。功率放大，提高带负载的能力。(4-6)典型集成运放电路介绍典型集成运放电路介绍 图 4-39 F007电路原理图V8V9V2V1V3V4V7R250 kV61 kR3R11 k外接调零电位器输入级V10R43 kV11R

5、539 kV12V134.5 k7.5 kC 30pFR7R8V16V17V15VD1V14VD2V18V19R9R1025 50 uo UCC UCC偏置电路中间级输出级V5uiRWIR5(4-7) 1. 输入级输入级 在输入级中，V1、V3和V2、V4组成共集-共基差分放大电路， V5V7和电阻R1R3构成改进型电流源电路，作为差放的有源负载， 这种组合电路不但具有高的输入输出电阻，还具有较大的电压增益和电流增益。 输入信号从V1、V2管的基极加入，从V4、V6管的集电极输出，所以输入级是双端输入、单端输出的差分放大电路，同时由于恒流源作为差放的有源负载，其单端输出电流为V4、V6管的集电

6、极电流之和，因此虽然是单端输出，但是其电压放大倍数与双端输出的电压放大倍数相同。换句话说，有源负载使双端输出变为单端输出。 (4-8) 若电路中有共模信号输入，V3管和V4管的集电极电流相等(忽略V7管的基极电流)，V3管和V5管的集电极电流相等，又由于R1=R3，因此V6管的集电极电流和V5管的集电极电流相等， 如此推来，V6管和V4管的集电极电流相等，而V16管的基极电流为V4管和V6管的集电极电流之差，所以V16管的基极电流近似为零，可见共模信号输出为零，电路具有较高的抑制共模信号的能力。 (4-9) 2. 偏置电路偏置电路 偏置电路由V8V13、电阻R4和R5组成。其中V10、V11、

7、 V12和R4、R5构成主偏置电路，该电路中R5上的电流是F007偏置电路的基准电流，由图可知551211522RURUUUICCBEBECCR所以, IR5基本恒定。 主偏置电路中V10、V11和R4构成微电流源，V10的输出电流通过由V8、V9管组成的镜像电流源为输入差放提供偏置电流； V12和V13构成的镜像电流源为中间级和输出级提供静态偏置。 (4-10) 3. 中间级中间级 中间级是由V16、V17复合管组成放大管，以V12、V13组成镜像电流源作为集电极负载的共射放大电路。由于该共射放大电路具有较高的电压放大倍数和输入电阻，因此在V16的基极和V13的集电极之间跨接了一个消振补偿电

8、容，以保证电路稳定工作。 (4-11) 4. 输出级输出级 输出级是准互补对称电路。V18和V19复合而成的PNP管与V14 NPN管构成互补形式； R9、R10以及二极管VD1、VD2组成过流保护电路；三极管V15和电阻7、R8的作用是为功率管提供静态基极电流，使输出级电路工作在甲乙类状态，以减小交越失真。 (4-12)(4-13)一、开环差模电压放大倍数一、开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为 。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般

9、100dB以上。以上。三、差模输入电阻三、差模输入电阻ridri1M , 有的可达有的可达100M 以上。以上。四、输出电阻四、输出电阻roro =几几 -几十几十 。4.4 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标(4-14)五、最大共模输入电压五、最大共模输入电压UIcmax六、最大差模输入电压六、最大差模输入电压UIdmax七、七、-3dB带宽带宽fH运放是直流放大器，运放是直流放大器， 也可放大低频信号，也可放大低频信号，不适用于高频信号。不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。数。不再一一介绍。关于集成运放的

10、应用下面分三个章节介绍。其中关于集成运放的应用下面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。运放都是作为理想运放来处理。(4-15) ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMMRR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+ uo u u+ uoAo国际符号国际符号国内符号国内符号(4-16) 利用理想集成运放的特性来分析实际集成运放组成的各种电路，不但方法简单，而且所得结果与考虑实际集成运放特性时所得的结果十分相近，因此，今后在分析各种集

11、成运放应用电路时，如无特别说明，均将集成运放作为理想运放考虑。 (4-17) 2. 理想运放工作在线性区的特点理想运放工作在线性区的特点 在集成运放的各种应用中，其工作范围可有两种情况，即工作在线性区或非线性区。当工作在线性区时，集成运放的输出电压与输入电压之间为线性放大关系， 即 uo=Aod(u+-u-) 由于uo为有限值，而理想运放的Aod=，因此净输入电压 0odoAuuu(4-18)即 u+=u- （3-56） 式（3-56）表示理想运放的同相输入端电压与反相输入端电压相等， 两个输入端如同短路一样， 但是实际上并未真正短路，只是虚假的短路， 故称两个输入端为 “虚短路虚短路”。 由

12、于理想运放的差模输入电阻rid=，因此两个输入端的输入电流均为零，即在图3-40中, i+=i-=0 （3-57）(4-19) 式（3-57）表示集成运放的两输入端输入电流都为零，如同断路一样，但是又不是真正断路，因此称两个输入端为 “虚虚断路断路”。 “虚短路”和“虚断路”是理想运放工作在线性区的两个重要结论，也是今后分析集成运放线性应用电路的重要依据。 (4-20)图3-40iuuiuiduoA(4-21)3. 理想运放工作在非线性区的特点理想运放工作在非线性区的特点 图 3-41 集成运放的电压传输特性 uiuo理想特性实际特性 UoHOUoL非线性区线性区非线性区(4-22) 当理想运

13、放工作在非线性区时， 也有两个重要特点： （1）输出电压uo的值只有两种可能：或者等于运放的正向最大输出电压UoH，或者等于其负向的最大输出电压UoL，如图3-41中实线所示。当u+u-时，uo=UoH；当u+u-时，uo=UoL。 (4-23) （2） 理想运放的输入电流等于零。 在非线性区，虽然运放的两个输入端电压不等，即u+u-，但由于理想运放的rid=， 故净输入电流仍然等于零，即i+=i-=0。 可见，理想运放工作在非线性区是仍具有“虚断路”的特点， 但是净输入电压不再为零，而是取决于电路的输入电压。 由于集成运放的开环差模电压增益Aod通常很大，如不采取适当的措施，即使在输入端加一个很小的电