模电第四章--集成运算放大电路

1、 第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路Integrated operational amplifier 41 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述高性能的高性能的直接耦合多级直接耦合多级放大电路，简称放大电路，简称集成运放集成运放。4 41 11 1 集成运放的电路特点集成运放的电路特点(1) 级间采用级间采用直接耦合直接耦合方式；方式； 用用有源器件有源器件取代电阻；取代电阻；(2) 相邻元件具有良好的对称性，相邻元件具有良好的对称性， 受环境温度和干扰受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，等影响后的变化也相同，所以大量采用各种所以大量采用各种差分放大电路差分放大电路(作输入级

2、作输入级)和和恒流源恒流源电路（作偏置电路或有源负载电路（作偏置电路或有源负载)；(3) 不同形式的集成电路，不同形式的集成电路， 只增加元件不增加工序，只增加元件不增加工序，通常用通常用复杂的电路复杂的电路形式来实现提高各方面性能的目的；形式来实现提高各方面性能的目的；(4) 常采用常采用复合管复合管输入级输入级一般为差分放大电路一般为差分放大电路中间级中间级主放大级，多为主放大级，多为有源负载的共射有源负载的共射(源源)电路电路输出级输出级互补输出电路，带载能力强互补输出电路，带载能力强偏置电路偏置电路电流源电路，为各级提供合适静态工作点电流源电路，为各级提供合适静态工作点输入级输入级偏置

3、电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+ uo uid4.1.2 4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用uP uNuo 减少温漂减少温漂4.1.34.1.3集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性+AoduPuNuO输出电压与两个输入端的电压输出电压与两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即之间存在线性放大关系，即)u(uAuNPodO 线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能：输出电压只有两种可能：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uNU

4、OM-UOM几十万几十万倍倍4.2集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管，还构成管，还构成电流源电路电流源电路，为各级提供合适的静态电流为各级提供合适的静态电流; ;或作为或作为有源负载有源负载取代高阻值电阻取代高阻值电阻，从而增大放大电路的，从而增大放大电路的电压放大倍数。电压放大倍数。+ uo T1 Rc Rb ui1 +VCC T2 Rc Rb R3-VEE ui2 T3 R2R1+VCC IR RL R Rb T3 T2 T1 IC2 IC1 uo ui +4 42 21 1 基本电流源电

5、路基本电流源电路一、镜像电流源IC2+VCCT1T2RIC12IBIR电路特点：电路特点：由一对特性完全相同的管子组成；由一对特性完全相同的管子组成；21 2C1CII 工作原理：工作原理： CCVRIR 1BEU B1CRI2II 1C1CI2I当当足够大时足够大时 1C2CII RI 问题：问题：若要求若要求IC2更大更大, R的功耗增大的功耗增大, 应当避免应当避免; 若要求若要求IC2更小更小, 则则R增大增大, 在集成电路中不易实现在集成电路中不易实现; BI 输输出出电电流流基基准准电电流流二、比例电流源IC2+VCCT1T2RIC1IB1+IB2IRIE1IE2Re1Re2基准电

6、流基准电流 输出电流输出电流 在比例电流源电路中在比例电流源电路中, IC2与与IR成比例关系成比例关系, 使使IC2可以可以大于或小于大于或小于IR。 Re1、Re2是是电流负反馈电流负反馈电阻电阻, 使使IC1、IC2具有更高的温度稳定性。具有更高的温度稳定性。而而 2e2E2BE1e1E1BERIURIU 忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得三、微电流源IC2+VCCT1T2RIC1IB1+IB2IRIE1IE2Re基准电流基准电流 RUVI1BECCR 输出电流输出电流 e2BE1BE2CRUUI 因为因为UBE1-UBE2很小很小, 所以所以IC2 也很小也很小, 微安数量级。微安数

7、量级。 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。4 42 22 2 改进型电流源电路改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源IC2+VCCT1T2RIC1IB3IRT3IE3IB1IB2 在镜像电流源在镜像电流源T1的的集电极与基集电极与基极极之间加一个射极输出的晶体管之间加一个射极输出的晶体管T3, 利用利用T3 的电流放大作用，的电流放大作用，小对小对IR的分流作用，的分流作用，即使即使很很小，小，基准电流基准电流: 输出电流输出电流: 为避免为避免T3 的电流过小而的电流过小而使使3下降下降, 在在T3 的发射极的发射极加一电阻加一电阻Re3, R

8、e3使使IE3增大。增大。也可以认为也可以认为IC2IR。减减二、威尔逊电流源 T2管的管的c-e串联在串联在T3管的发射管的发射 极极, 电路的电路的Re相同。相同。 其作用与典型工作点稳定其作用与典型工作点稳定 因为因为c-e间等效电阻非常大间等效电阻非常大, 可使可使IC3高度稳定。高度稳定。 基准电流基准电流: RUUVI1BE3BECCR 输出电流输出电流: RR23CII )2221(I IE3+VCCT1T2RIC1IRT32IBIC3IC2IB34 42 23 3 多路电流源电路多路电流源电路 利用一个基准电路去获得利用一个基准电路去获得多个不同多个不同的输出电流。的输出电流。

9、 IC1+VCCTT1RICIRReRe1IBIC2T2Re2IC3T3Re3IE1IEIE2IE3输出电流：输出电流： 1E1CII R1eeIRR 2E2CII R2eeIRR 3E3CII R3eeIRR 当当IR确定后，确定后， 改变各电流源射极电阻，改变各电流源射极电阻， 可获得不同比例的输出电流。可获得不同比例的输出电流。 4 42 24 4 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路 在共射在共射(共源共源)放大电路中放大电路中, becurRA dmuRgA 或或增大增大Rc (或或Rd), 可以提高电压可以提高电压但是会影响但是会影响用电流源电路取代用电流源电路

10、取代Rc，在集成运放中在集成运放中, 用电流源取代用电流源取代Rc(或或Rd), 称为有源负载。称为有源负载。 既可获得合适的静态电流，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，对于交流信号， 又可得到很大的等效又可得到很大的等效RC 。放大倍数放大倍数; 放大电路的静态工作点。放大电路的静态工作点。一、有源负载共射放大电路 +VCC IR RL R Rb T3 T2 T1 IC2 IC1 uo ui +T1为为放大管放大管， T2与与T3构成镜像电流源，构成镜像电流源， T2是是T1的的有源负载有源负载。 基准电流基准电流 RUVIEB3CCR 静态空载，静态空载，T1集电极静态电流集电极静态电

11、流 2C1CII RI uCEoiCQ uce iccceceiur Cib cerbe1bLce2ce11urR)Rr(r A 动态时动态时二、有源负载差分放大电路 +VCC RL T4 T3 T1 IC3 IC1 ui +uo +IC4 IC2 I-VEE T2 T1 、T2为为放大管放大管， T3与与T4构成构成镜像电流源镜像电流源， 作作T1和和T2的有源负载。的有源负载。 静态静态: 2C1CII I21 使单端输出电使单端输出电路的差模放大倍路的差模放大倍数近似等于双端数近似等于双端输出时的差模放输出时的差模放大倍数。大倍数。，C1C3II 2C4C4C3CII,II iO动态：动

12、态：输入差模信号输入差模信号uIC2C1ii C1C3C4iii 4.3 集成运放电路分析集成运放电路分析了解电路的应用场合、用途和技术指标。了解电路的应用场合、用途和技术指标。将整个电路分为各自具有一定功能的基将整个电路分为各自具有一定功能的基 本电路。本电路。定性分析每部分电路的基本功能和性能。定性分析每部分电路的基本功能和性能。相互连接关系以及连接后实现的功能和相互连接关系以及连接后实现的功能和 性能。性能。必要时可估算或利用计算机计算电路主必要时可估算或利用计算机计算电路主 要参数。要参数。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. 读图方法二、F00

13、7电路分析 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，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路找出偏置电路双端输入、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

14、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44 集成运放的性能指标集成运放的性能指标1、开环差模电压增益、开环差模电压增益Aod运放工作在线性区，运放工作在线性区，接入规定的负载，接入规定的负载，无负反馈情况无负反馈情况下的下的直流差模电压增益；直流差模电压增益；)uu(uANPood )dB( |A|lg20od或或 通用型集成运放的通用型集成运放的Aod通常通常在在105 (100dB)左右，左右，且具有极好的低频响应；且具有极好的低频响应；)dB(Alg20od)H( fZ40801201001210310410510610710106dB(M741)2、-3dB带宽带

15、宽fH 开环差模电压增益下开环差模电压增益下降降3dB时对应的频率时对应的频率 ；ZHH7f 3、单位增益带宽、单位增益带宽fc 开环差模电压增益下开环差模电压增益下降到降到0dB时对应的频率时对应的频率 ；ZcMH4 . 1f 4、共模抑制比、共模抑制比KCMR: 差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值; ocodCMRAAK )dB(Klg20CMR或或5、差模输入电阻、差模输入电阻rid: 输入差模信号时的输入电阻输入差模信号时的输入电阻; 6、输入失调电压、输入失调电压UIO :在室温及标准电源电压下，在室温及标准电源电压下，为了使集成运放的输出电

16、为了使集成运放的输出电压为零，压为零，在输入端加的补偿电压在输入端加的补偿电压； 7、输入失调电流、输入失调电流IIO :当输出电压为零时，当输出电压为零时， 流入放大器两输入端的流入放大器两输入端的 静态基极静态基极电流之差：电流之差：BNBPIOIII 8、温度漂移、温度漂移:温度漂移是零点漂移的主要来源温度漂移是零点漂移的主要来源;(1) 输入失调电压温漂输入失调电压温漂 UIO/ T在规定温度范围内，在规定温度范围内，UIO的温度系数；的温度系数；(2) 输入失调电流温漂输入失调电流温漂 UIIO/ T在规定温度范围内，在规定温度范围内，IIO的温度系数；的温度系数；UIO/ T和和

17、IIO/ T不能用外接调零装置的办法来补偿；不能用外接调零装置的办法来补偿；9、输入偏置电流、输入偏置电流IIB :集成运放输出电压为零时，集成运放输出电压为零时， 两个输入端静态电流的平两个输入端静态电流的平均值：均值：2/ )II (IBPBNIB 10、最大差模输入电压、最大差模输入电压Uidmax : 两个输入端所能承受的最大电压值，两个输入端所能承受的最大电压值， 超过这个电压值，超过这个电压值，运放输入级某一侧的晶体管将出现发射结反向击穿；运放输入级某一侧的晶体管将出现发射结反向击穿；11、最大共模输入电压、最大共模输入电压Uicmax :运放所能承受的最大共模输入电压，运放所能承

18、受的最大共模输入电压， 超过这个电压值，超过这个电压值，运放的共模抑制比将显著下降；运放的共模抑制比将显著下降；12、最大输出电流、最大输出电流 Iomax :运放所能输出的正向或负向的峰值电流；运放所能输出的正向或负向的峰值电流；13、转换速率、转换速率SR: 表示集成运放对信号变化速度的适应能力表示集成运放对信号变化速度的适应能力,是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数,即：即：dtduSRo max45 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择1、按工作原理分类、按工作原理分类 电压放大型电压放大型 电流放大型电流放大型 跨导型跨导型 互阻型

19、互阻型 2、按可控性分类、按可控性分类 可变增益运放可变增益运放 选通控制运放选通控制运放 3、按性能指标分类、按性能指标分类 高阻型高阻型 高速型高速型 高精度型高精度型 低功耗型低功耗型 高压型高压型4、运放的选择、运放的选择 信号源的性质信号源的性质 负载的性质负载的性质 精度要求精度要求 环境条件环境条件 根据根据:46 集成运放的使用集成运放的使用一、使用时必做的工作 1、集成运放的外引线、集成运放的外引线 金属壳封装金属壳封装 (F007)12345678双列直插式封装双列直插式封装 (LM741)1 2 3 48 7 6 5 LM741 2反相输入端反相输入端3同相输入端同相输入端6输出端输出端4负电源端负电源端7正电源端正电源端1、