集成运算放大器

1、第五章集成运算放大器集成电路按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。本章主要介绍模拟集成电路中应用最广泛的集成运算放大器（简称集成运放或运放）。运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路。由于最初是用于数学的运算，所以称为运算放大器。现在，运算放大器的用途早已不限于运算，但我们仍沿用此名称。随着性能的改善，集成运放的应用范围也不断扩大，早已超出数学运算的范围，深入到自动控制、自动测量、计算技术和无线电技术等几乎所有的电子技术领域。集成运放是在早期的分立元件的基础上发展起来的，随着半导体技术的发展，把管子、电阻、电容及连线制作在同一硅片上，形成一个不可分割的固体组件，因此，它的体积

2、小、重量轻、接线短、可靠性高。目前，在面积仅为 05 mm2的硅片上，可集成几百万个管子等，线间距离仅为几个微米，集成度达到惊人的地步。现在，集成运放的放大倍数可高达107倍（140dB），集成运放工作在放大区时，输入与输出呈线性关系，所以又称线性集成电路。线性集成电路按其特点可分为运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路以及其它种类的集成电路。也可将几个集成电路和一些元件组合成具有一定功能的功能模块电路。由于集成工艺的特点，集成运算放大电路和分立元件组成的具有同样功能的电路相比，具有如下特点：（l）由于集成工艺不能制作大容量的电容，所以电路中各级间的耦合均采用直接耦合方式。（2）为提高集

3、成度（指在单位硅片面积上所集成的元件数）和集成电路性能，一般集成电路的功耗要小，所以集成运放各级的偏置电流通常较小。（3）集成运放中的电阻元件，是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围有一定限制，一般在几十欧姆到几十千欧姆，太高太低都不易制造。（4）在集成电路中，制造有源器件（三极管、场效应管等）比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不会增加麻烦，因此集成电路中大量使用有源器件代替无源元件（电阻、电容等）。而且二极管也常用集电极与基极短接的三极管代替，其温度特性与三极管的温度特性基本相同，作为补偿元件时，对三极管有较好的温度补偿作用。（5）由于集成电路中所有元件同处在一块硅

4、片上，相互距离非常近，且在同一工艺条件下制造，因此，尽管各元件参数的绝对精度差，但它们的相对精度好，故对称性能好，特别适宜制作对称性要求高的电路，如差动电路、镜像电流源等。（6）集成运算放大电路中，采用复合管的接法以改进单管性能。（7）现在，集成电路中尚不能制作几十微微法以上的大电容，小电容一般用PN结代替。同时，也不能制作电感。下图是典型集成运放的原理框图，它由四个主要环节组成。输入级的作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端，对其要求是温度漂移要尽可能地小。中间级主要是完成电压放大任务。输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大（主要是放大电流）。偏置电路是向各级提供稳定的静态工

5、作电流。除此之外还有一些辅助环节，如电平偏移电路是调节各级工作电压的，且当输入端信号为零时，要求输出对地也为零。短路保护（过流保护）电路是防止输出端短路时损坏内部管子的，等等。第一节 零点漂移运算放大器均是采用直接耦合方式，我们在第二章对直接耦合方式的特点及问题作了介绍，这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。由于直接耦合使得各级Q点互相影响，如前级Q点发生变化，则会影响到后面各级的Q点。由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经多级放大器的放大，使输出端产生很大的变化。最常见的是由于环境温度的变化而引起工作点漂移，称为温漂，它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。当输入短路时，输出将随时

6、间缓慢变化，如图所示。这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化称为“零点漂移”，简称“零漂”。这种输出显然不反映输入信号的输出，造成假象，将会造成测量误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时，将会淹没真正的信号。零漂不能以输出电压的大小来衡量。因为放大电路的放大倍数越高，输出漂移必然愈大，与此同时对输入信号也愈大，所以零漂一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。（即把输出端的漂移电压除以放大器的电压放大倍数）例如两个放大电路A、B，输出端的零漂均为1V，但A放大电路的放大倍数为1000， B放大电路的放大倍数为200，而折合到输入端的零漂电压：A为1V10001mV；B为1V2005mV，显然

7、 A放大电路的零漂小于 B放大电路。也可这样讲：A放大电路输入信号只要大于1 mV，则输出信号就大于零漂；而B需要输入信号大于 5 mV，输出信号才大于零漂。产生零漂的原因，主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响，在第二章已讲过。为了解决零漂，人们采取了多种措施。但最有效的措施之一是采用差动放大电路。第二节 差动放大电路一、基本形式差动放大电路基本形式如图所示：对电路要求是：两个电路的参数完全对称，两个管子的温度特性也完全对称。由于电路对称，当输入信号Ui0时，则两管电流相等，两管集电极电位也相等，所以输出电压UoUc1Uc20。如果温度上升使两管电流均增加，则集电极电位Uc1、Uc2均下降，

8、由于两管处于同一环境温度，因此两管电流的变化量和电压变化量都相等，即Ic1Ic2；Uc1Uc2，其输出电压仍然为零。这说明，尽管每一管子的静态工作点均随温度而变化，但c1、c2两端之间的输出电压却不随温度而变化，且始终为零，故有效地消除了零漂。从以上过程可知，该电路是靠电路的对称消除零漂的。该电路对输入信号的放大作用又如何呢？输入信号可以有两种类型：1共模信号及共模电压放大倍数Auc所谓共模信号，是指在差动放大管T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号，如图所示:即 Uic1Uic2(下标ic表示为共模输入信号)共模信号的作用，对两管的作用是同向的，如Uic1Uic2均为正，将引起两管电流

9、同量增加，而两管集电极电压也将同量减少，故从两管集电极输出共模电压Uoc为零。由上看出共模信号的作用与温度影响相似。所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力，当然共模放大倍数也反映了电路抑制零漂能力。由于该电路从两管集电极共模输出电压为零，所以Auc0说明当差动电路对称时，对共模信号的抑制能力特强。2差模信号及差模电压放大倍数A。差模信号是指在差动放大管T1与T2的基极分别加入幅度相等而极性相反的信号，如图所示：即 Uid1Uid2（下标id表示差模输入信号）如Uid1对地为正，则Uid2对地为负，T1管集电极电压下降，T2管集电极电压上升，且二者变化量的绝对值相等，所以在两管

10、集电极电压变化为每管集电极电压的二倍，即UodUc1Uc22Uc1 （或2Uc2）而此时的两管基极b1、b2的信号为Uid1Uid2Uid 即 Uid2Uid1 （或2Uid2）故这说明，差动放大电路的差模电压放大倍数等于单管电压放大倍数。需指出的是的求出，当RL时，Ro；当输出端c1和c2间接入RL时，由于一管电位下降，另一管电位上升，则负载电阻RL中间点（RL2）的电位不变，相当于接地，故每管的负载为RL/2，所以Ro/(RL/2），这是在求放大倍数时需注意的问题。同时，这个公式也表明，差动放大器是用一个基本放大电路换取了对零漂的抑制。由上看出，输入端信号之差UiUi1Ui2为0（即共模信

11、号时）输出为0；输入端信号之差UiUi1Ui2不为0时，就有输出，故称为差动放大电路。前面已提到，基本差动放大电路靠电路的对称性，在电路的两管集电极c1、c2间输出，将温度的影响抵消，这种输出我们称为双端输出。而电路中每一个管子并没有任何措施消除零漂。所以，基本差动电路存在如下问题：（1）电路难于绝对对称，所以输出仍然存在零漂。（2）由于每一管没采取消除零漂的措施，所以当温度变化范围十分大时，有可能差动放大管进入截止或饱和，使放大电路失去放大能力。（3）在实际工作中，常常需要对地输出，即从c1和c2对地输出（这种输出我们称为单端输出），而这时零漂与单管放大电路一样，仍然十分严重。为此提出长尾式

12、差动放大电路。二、长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路，又称为射极耦合差动放大电路，如图所示，加入公共射极电阻Re，同时，为使输入端工作在零电平输入状态，采用正、负两种电源供电，即射极电阻与UEE相连。1对共模信号的抑制作用共模信号对两管作用引起同向变化，与基本电路相似，但由于长尾电路中射极接入Re，只需讨论一下Re的作用即可。由于是同向变化，流过Re的共模信号电流是Ie1Ie22Ie，对每一管而言，可视为在射极接入电阻为2Re，如下图所示。对双端输出电路，由于电路对称，其共模输出电压仍为零。当从一个管子的集电极对地输出时（即单端输出），由于2Re的作用，将引入很强的负反馈作用，对零漂起到抑制

13、作用。单端输出时，共模放大倍数由于Re的接入，使每一管的共模放大倍数下降很多，即对零漂具有很强的抑制能力。3对差模信号的放大作用差模信号引起两管电流反向变化，即一管电流上升，另一管电流下降。流过射极电阻Re的差模电流为Ie1Ie2，由于电路对称，|Ie1|Ie2|，所以流过Re的差模电流为零，Re上的差模信号电压也为零，故将射极视为地电位，此处“地”称为“虚地”，所以对差模信号，Re不产生任何影响。其等效电路如下图所示。由于Re对差模信号不产生影响，故双端输出的差模放大倍数仍为单管放大倍数，即 4共模抑制比电路中的差模信号是要放大的有用信号，而共模信号一般是有害的干扰信号。一个质量好的差动放大

14、电路，应对差模信号有足够的放大能力，而对共模信号则应给予有效的抑制，即Aud要大，Auc要小。为了反映差放电路这一特性，引入一个新的指标共模抑制比。其含义就是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，用符号CMRR表示，定义如下：CMRR衡量了差动放大电路性能的优劣。这个值越大，表示电路对共模信号的抑制能力越好。在对称电路双端输出时，Auc0，则CMRR。有时还用对数的形式表示共模抑制比，即CMR的单位为分贝（dB）。5一般输入信号情况如果差动放大电路的输入信号，既不是共模信号也不是差模信号，即Ui1Ui2，此时可将输入信号分解成一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动放大电路的输

15、入端。设差模放大电路的输入为Ui1和Ui2，则差模输入电压Uid是二者之差，即 UidUi1Ui2每一管的差动信号输入为 Uid1|Uid2| Uid/2 (Ui1Ui2)/2共模输入电压Uic为二者的平均值Uic(Ui1Ui2)/2则 Ui1UicUid1 Ui2UicUid1按叠加原理，输出电压为UoAudUidAucUic6其它指标（1）差模输入电阻rid在差模输入信号作用下，输入电压Uid与流入电流之比称为差模输入电阻rid，即从两个输入端看进去的差模输入电阻，利用第二章的知识可得rid2（rbeRS）（2）差模输出电阻rod从两管集电极输出的差模输出电阻rod为rod2Ro（3）共模

16、输入电阻ric共模输入电压从Uic与共模输入电流之比。如两个输入端连接一起，接成共模输入信号，如下图（a）所示其输入电阻为如共模信号分别由两个输入端送进，如图（b）所示则从一个输入端看过去的输入电阻为为了克服半导体三极管T1、T2和电路元件参数不对称所造成的输出直流电压Uo0的现象，电路中常增加调零电路，如下图（a）、（b）所示。图（ a）在射极增加电位器RW，图（b）在集电极至电源间接入电位器RW，它们均是利用电位器RW的不对称分配来补偿电路参数的不对称。三、恒流源差动放大电路长尾式差动放大电路，由于接入Re，提高了共模信号的抑制能力，且Re愈大，抑制能力愈强。但是Re增大，则Re上的直流压

17、降增大，为保证管子正常工作，则必须提高UEE值，这是不合算的。为此希望有这样一种器件：交流电阻r要大，而直流电阻R要小。恒流源即有此特性，恒流源的电流、电压特性如下图所示。从图上可分别表示出交流电阻r和直流电阻R，即将长尾式中Re用恒流源代替，即得恒流源差动放大电路，如下图所示。图中恒流源由T1、R1、R2和R3组成，其等效电阻与求放大电路的输出电阻相同，其等效电路如上图（b）所示。按输入短路，输出加电源Uo，求出Io，则恒流源等效电阻为即得恒流源的交流等效电阻为其中rce是管子c、e之间的电阻。设80，rce100k，R1R26k，R35 k，则ro34.5M用如此大的电阻作为Re，当然其对

18、共模信号的抑制能力将得到很大的提高。而此时，恒流源所要求的电源电压却不高：UEEUBE2UCE3IE3Re对应的静态电流为IE1IE2IE3/2恒流源差动放大电路的指标计算，与长尾式完全一样，只需用ro3取代Re即可。四、差动放大电路四种接法差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以信号的输入、输出方式有四种情况：1双端输入、双端输出前面的分析均是以此种形式的电路。如下图（a）所示：2双端输入、单端输出如下图（b）所示：由于输出只从T1的集电极输出，所以输出电压只有双端输出的一半。如果从T2管输出，则输出相位与输入相位相同。3单端输入、双端输出如下图（c）所示：Ui仅加在T1管输入端，T2管输

19、入端接地；或者Ui仅加在T2管输入端，T1管输入端接地。这种输入方式称单端输入，是实际电路中常用的一种。由前面可知所以上述说明，差放电路在单端输入时，输入信号Ui也是平均的加在两个管子上，且极性相反，与双端输入效果一样，故双端输入、双端输出的结论均适用单端输入、双端输出。这种接法的特点是把单端输入的信号转换成双端输出，作为下一级的差动输入，适用于负载两端任何一端不接地，而且输出正负对称性好的情况（如示波管的偏转板）。而实际中常常需要对地输出，所以单端输入、双端输出接法就不适用。4单端输入、单端输出电路如图（d）所示：按前同样方法，可得出它与双端输入、单端输出等效。这种接法的特点是它比单管基本放

20、大电路具有较强的抑制零漂能力，而且可根据不同的输出端，得到同相或反相关系。综上所述，差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同；如为单端输出，它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半，输入电阻都是相同的。第三节 电流源电路由前所述，用恒流源代替Re，使电路作性能得到较大的改善，但是恒流源电路使用电阻较多，且作为恒流源的管子，它的UBE还要受温度的影响，因此抑制零漂不理想，本节我们介绍在集成电路中常用的恒流源电路形式。 一、镜像电流源电路电路如下图所示：它由两个特性相同的T1、T2对管和电阻R构成。图中，IR称为基准电流（或参考电

21、流），Ic2是要输出的电流。现在估算Ic2的值。因为T1与T2的特性相同，所以有12 ， UBE1UBE2UBE ， IB1IB2IB ，Ic1Ic2由图可知 由此得 当2时，有Ic1IR，由上图可得基准电流则 由此可见，Ic2完全由Ucc和R决定，改变Ucc或R值，就可得到所需的Ic2值。由以上分析可知，当参考电流IR一定时，不管T2管集电极支路中的负载如何，Ic2总是等于IR，二者关系像一面镜子，所以称这种电路为镜像电流源。在Ucc和R确定之后，基本镜象电流源的Ic2就固定不变，即为恒流源。它的优点是电路简单，且T1接成二极管形式，对Ic2有较好的温度补偿作用。不足之处是：（1）Ic2受电

22、源Ucc的影响大，两者的变化率基本相同。当Ucc变化100时，Ic2也变化100，因此它不适应电源电压在大幅度变动下运行。（2）当要求得到小的电流源时，如微安级的电流，就要求较大的电阻R，这用集成工艺是难于实现的。（3）由于恒流特性不够理想，管子c、e极间电压变化时，Ic也会作相应的变化，即电流源的输出电阻还不够大。（4）上图电路中，输出电流Ic2与基准电流IR仅仅是近似相等，特别是当值不够大时，二者之间误差更大。为提高镜像电流源的精度，以及进一步提高电路的输出电阻，可采用下面的方法。二、威尔逊电流源在镜象电流源的基础上增加一个放大管T3，则组成威尔逊电流源，如下图所示：图中，T1、T2与T3

23、的特性相同，所以有123 ，IB1IB2IB ，Ic1Ic2，则由上图可得IC1IRIB3IRIc3/Ic2IE32IBIE32Ic2/整理可得Ic2利用Ic1Ic2，可得Ic3IR可见，只要值不是很小，Ic3与IR就非常接近。此外，威尔逊电流源还利用电流负反馈来提高电流的稳定性。假设由于某种因素，使Ic3增加，则Ic2也随之增加，因为T1与T2为基本镜象电流源，所以总有Ic1Ic2，所以Ic2增加时，Ic1也增加，而 IRIc1Ib3固定不变，因此IB3就减少，则Ic3也随之减少，结果维持Ic3基本恒定。由第四章负反馈对放大器性能的影响可知，由于引入了电流负反馈，所以提高了恒流源的输出电阻。

24、三、微电流源为了使Ic2为弱电流时，R值仍不大，我们可以在镜像电流源的基础上，引入一个电阻Re到T2的发射极，如下图所示。此时UBE2UBE1，因此，即使Ic1比较大，但由于Re的存在，将使Ic2Ic1，即在R不太大的情况下，也能满足Ic2较小的要求。此外，Re引入电流负反馈，故也提高了T2管的集电极输出电阻，它更接近于理想的恒流源。与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：（1）当电源电压Ucc变化时，虽然IR和 Ic1也要作相应的变化，但由于Re的负反馈作用，Ic2的变化将要小得多，故提高了恒流源对电源变化的稳定性。（2）当温度上升时，Ic2将要增加，由图可看出，此时UBE1和UBE2均将下

25、降，所以对Ic2的增加有抑制作用，从而提高了恒流源对温度变化的稳定性。（3）由于Re引入电流负反馈，因此微电流的输出电阻比T2本身的输出电阻rce要高得多，更接近理想的恒流源。四、多路偏置电流源前面讨论的电流源都是用一个参考电流去获得另一个固定电流。实际中常用一个参考电流去获得多个电流，而且各个电流的数值可以不相同。下图就是在单电源的基础上得到的多路电流源。由图可知参考电流IR706A，通过T2建立参考电压，然后根据镜像电流源和微电流源的电流分配原则，得出Ic142A，Ic346A ，Ic4698A 。五、作为有源负载的电流源电路恒流源在集成电路中除了设置偏置电流外，还可作为放大器的有源负载，

26、以提高电压放大倍数。在第二章我们求各种放大电路的电压放大倍数时，得出电压放大倍数正比于负载电阻，提高负载有利于放大倍数的提高。而Rc/RL，RL是所要带动的负载，所以提高，可通过提高Rc来达到，但Rc增大，影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替电阻Rc，将有效地提高该级的电压放大倍数，对RL较大的场合，效果更为突出，其电路如下图所示。T1是共射放大电路，T2、T3（PNP管）组成镜像电流源作为T1管的负载电阻Rc。由于恒流源等效电阻为无穷大，可视为开路，则T1管变化的电流Ib全部流向RL，故电压放大倍数得到提高。第四节 集成运放的性能

27、指标1集成运放的符号运算放大器的电路符号如下图所示。它有一个输出端Uo和两个输入端“”、“”。“”号端为反相输入端，表示信号Ui由此端输入时，其输出信号Uo与Ui反相；“”号端为同相输入端，表示信号Uo由此端输入时，其输出信号Uo与Ui同相。2集成运放的性能指标表征集成运放性能与质量的指标有几十个，一般没必要全部了解，我们只把几个主要指标介绍如下：（1）开环差模电压放大倍数Aod这是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数，常用Aod表示，即对于集成运放而言，希望 Aod大，且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140 dB（107倍），理想集成运放认为Aod为无穷大。（2）最大

28、输出电压Uopp最大输出电压是指在一定的电源电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。如某运放的电源电压为 15 V时的最大输出电压为 10 V，按Aod105（即10 0000倍）计算，输出为 10 V时，输入差模电压Uid的峰峰值为 0.1mV。也就是说，当输入信号超过 0.1mV时，输出恒为 10 V，不再随Uid变化，此时集成运放进入非线性工作状态。用集成运放的传输特性曲线表示上述关系，如下图所示。（3）差模输入电阻ridrid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好，一般集成运放的rid为几百千欧至几兆欧，故输入级常采用场效应管来提高输入电阻。

29、理想集成运放的rid为无穷大，因此，不向信号源索取电流。（4）输出电阻roro的大小反映了集成远放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Iomax表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。（5）共模抑制比CMRR共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好，理想集成运放的CMRR为无穷大。（6）最大差模输入电压UidmaxUidmax规定了集成运放两输入端所能承受的最大差模输入电压。从集成运放输入端看进去，一般都有两个或两个以上的发射结相串联，若输入端的差模电压过高，会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏，PNP横向管的e结击穿

30、电压则可达数十伏。（7）最大共模输入电压Uicmax输入端共模信号超过Uicmax，集成运放工作就不正常，失去差模放大能力。因此，集成运算工作时，若有共模信号输入，必须对共模输入信号加以限制，使其不超过Uicmax值。（8）输入失调电压UIO该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压（去掉外接调零电位器），它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时，输出也为零，但实际中往往输出不为零，将此电压折合到集成运放的输入端的电压，称为输入失调电压UIO，其值在110mV范围，要求愈小愈好。（9）输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO输入偏置电流是指输入差放管的

31、基极（栅极）偏置电流，用IIB(IB1IB2) 表示；而将IB1、IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIo，即 IIO|IB1IB2|可见IIB相当于输入电流的共模成分；而IIO相当于输入电流的差模成分。当它们流过信号源电阻RS时，其上的直流压降就相当于在集成运放的两个输入端上引入了直流共模和差模电压，因而也将引起输出电压偏离零值。显然，IIB和IIO愈小，它们的影响也愈小。IIB的数值通常为十分之几微安，IIO则更小。10输入失调电压温漂和输入失调电流温漂它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响，使直流输出电压调至零伏，但却很难补偿其温度漂移。低

32、温漂型集成运放可做到0.9V/以下，可做到0.009A/以下。113db带宽fh在第二章频率特性一节中我们已讲过，随着输入信号频率上升，放大电路的电压放大倍数将下降，当Au下降到中频时的 0.707倍时为截止频率，用分贝表示正好下降了3 dB，对应此时的频率fh称为上限截止频率，又常称为3 dB带宽。当输入信号频率继续增大，Au继续下降，当Au1时，与此对应的频率fc称为单位增益带宽。12转换速率SR频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中，有时需要集成运放工作在大信号情况（输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压Uopp），此时用转换速率表示其特性它是输出电压对时间的变化率，SR愈大的集成运放，其输出电压的变化率愈大，所以SR大的集成运放