第4章集成运算放大电路

1、第4章集成运算放大电路第第三三版版童童诗诗白白本章重点和考点：本章重点和考点：1.集成电路的特点。集成电路的特点。2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。3.理想集成运算放大电路（理想集成运算放大电路（IC）的性能指标。）的性能指标。本章教学时数：本章教学时数：4学时学时第第三三版版童童诗诗白白本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放大电路做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运大电路做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运放电路结构有什么特点？放电路结构有什么特点？2.集成运放

2、由哪几部分组成？各部分的作用是什么？集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？4.集成运放的电压传输特性有什么特点？集成运放的电压传输特性有什么特点？5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪些问题？些问题？集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路简称集成电路简称 IC ( (Integrated Circuit) )集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成

3、电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数器；集成数/模或模模或模/数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点一一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。对称性好，适用于构成差分放大电路。二二. 集成电

4、路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。三三. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替替电阻电阻( (特别是大电阻特别是大电阻) )。四四. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。电路通常采用直接耦合电路方式。五五. 集成电路中的集成电路中的 NPN 、 PNP管的管的 值差别较大，值差别较大，通常通常 PNP 的的 10 。常采用复合管的

5、形式。常采用复合管的形式。一、输入级一、输入级差分电路，大大减少温漂。差分电路，大大减少温漂。二、中间级二、中间级采用采用有源负载的共发射极电路，增益大。有源负载的共发射极电路，增益大。三、输出级三、输出级 互补对称互补对称 电路，带负载能力强电路，带负载能力强四、偏置电路四、偏置电路 电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+ uo uid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实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电

6、路。图图 集成运算的基本组成集成运算的基本组成集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性图图 集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性uO= f (uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端集成运放的两个输入端电压传输特性电压传输特性反向输入端反向输入端uN N (u-) 。同相输入端同相输入端uP P( (u+ +) )输出电压与其两个输入端的电压输出电压与其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)(odONPuuAuuOuP-uN集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大

7、倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。+UOM-UOM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集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流适的静态电流;或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。大电路的电压放大倍数。基本电流源电路基本电流源电路一、镜像电流源一、镜像电流源 ( (电流镜电流镜 Current Mi

8、rror) )+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2RUVI1BECCREF 基准电流基准电流由于由于 UBE1 = UBE2，T1与与 T2 参数基本相同，则参数基本相同，则IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC C2REFBREF1C2C22IIIIII 所以所以 211REF2C II当满足当满足 2 时，则时，则RUVII1BECCREF2C 图图 +VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例电流源二、比例电流源R1R2由图可得由图可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于

9、由于 UBE1 UBE2 ，则，则22E11ERIRI 忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得REF211C212CIRRIRRI 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。阻值成反比，故称为比例电流源。图图 比例电流源比例电流源三、微电流源三、微电流源 在镜像电流源的基础上在镜像电流源的基础上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe 引入引入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 IC1 ，即在，即在 Re 值不值不大的情况下，得到一个比较大的情况下，得到一个比较小的输出电流小的

10、输出电流 IC2 。图图 4.2.3 微电流源微电流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本关系基本关系e2Ce2E2BE1BERIRIUU 因二极管方程因二极管方程TTUUUUIIIBEBEeeSSC )1(eCSCSCBEBERIIIIIUUUT2221121)ln(ln 2S1SII e2C2C1CTlnRIIIU 若若 IC1和和 IC2 已知，可求出已知，可求出 Re。图图 微电流源微电流源复习：复习：1.集成运放的电路结构特点？集成运放的电路结构特点？2.集成运放的组成部分？集成运放的组成部分？ 输入级常用什么结构？输入级常用什么结构？ 输出级常用什么结构？输出级常用

11、什么结构？3.集成运放的二个工作区域？各自特点？集成运放的二个工作区域？各自特点？4.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路问题：基本电流源电路在问题：基本电流源电路在 很小时，很小时， IR和和 IC2相差相差很大。很大。为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。电流源电路进行改进。一、加射极输出器一、加射极输出器 的电流源的电流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB 由于增加了由于增加了T3，使，使IC2更更加接近加接近IREF（如何证明

12、）（如何证明）缺点：缺点： 1. 受电源波动影响大；受电源波动影响大； 2.电流最低至电流最低至mA级。级。I IC2C2=I=IC1C1=I=IREFREF-I-IB3B3=I=IREFREF-I-IE3E3/(+1)/(+1)REFREFCCREFBIIIIIII) 1(11) 1(212222REF如10 IC2=0.982 IREF 增加电阻Re2目的是使IE3增大。图加射极输出器的电流源图加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源T1管的管的c-e串联在串联在T2管的发管的发射极，其作用与典型的工作射极，其作用与典型的工作

13、点稳定电路中的点稳定电路中的Re相同。相同。图图威尔逊电流源威尔逊电流源RR22CII2221I）（公式推导（略）公式推导（略）当10 IC2=0.984 IR可见，在可见，在很小时，也可认为很小时，也可认为IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。受基极电流影响很小。RIRIC2+VCCIC0IC问题：问题：IR如何计算？如何计算？多路电流源多路电流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3电路图电路图公式推导公式推导IC= IE IREF- IB/(+1)当当较大时较大时IC=IREF由于各管的由于各管的， UBE相同，相同，IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=I

14、E3RE3IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFRE/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以所以ICTIBRIREFVCCT0ReIE图基于图的多路电流源图基于图的多路电流源多集电极管构成的多集电极管构成的多路电流源多路电流源图图4.2.7多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时，集电极当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区电流之比等于它们的集电区面积之比。面积之比。MOS管多路电流源管多路电流源图图4.2.8MOS管多路电流源管多路电流源设沟道宽长比设沟道宽长比W/LS漏极电流之比正比于沟道漏极电流之比正比于沟道的宽长比。的宽长比

15、。例例图所示电路是F007的电流源部分。其中T10与与T11为纵向纵向NPN管； T12与与T13是横向横向PNP管，它们的为5，b-e间电压值约为，试求各管的电电流。图图F007中的电流源电路中的电流源电路解解511BE12BECCCCREFRUUVVI410C10TlnRIIIUCRIC1028uA2R12C13CIII4.2.4 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集成运放中，常用电流源电路取代在集成运放中，常用电流源电路取代RC或或Rd ，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得很大的的静态

16、电流，对于交流信号，又可获得很大的等效等效RC或或Rd的。的。晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。载，故称为有源负载。一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路1.电路图电路图2.静态分析（求参考电流，略）静态分析（求参考电流，略）3.动态分析动态分析UAbe1bLce2ce11)/(rRRrrTR Rb1b1R Rb2b2rce2bebL1rRRUA二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路利用镜像电流源利用镜像电流源 可以使单可以使单端输出差分放大电路的差端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双模放大倍数提高到接近

17、双端输出的情况。端输出的情况。2.静态分析静态分析1.电路图电路图3.动态分析动态分析放大电路采用差分输入、放大电路采用差分输入、单端输出；工作电流由恒单端输出；工作电流由恒流源流源 I 决定；输出电流决定；输出电流 io = ic4 ic2 = 2 ic4 RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图图4.2.11有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路集成运放电路简介集成运放电路简介典型的集成运放典型的集成运放双极型集成运放双极型集成运放 F007CMOS 集成运放集成运放 C14573一、引脚一、引脚双极型集成运放双极型集成运放 F007F007 的引脚及连接示意图的引脚及

18、连接示意图( (a) )( (b) )连连接接示示意意图图12348765二、电路原理图二、电路原理图图图 F007 电路原理图电路原理图1. 偏置电路偏置电路+VCCT8 VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至输入级至输入级至中间级至中间级511BE12BEEECCREFRUUVVI 基准电流：基准电流：基准电流产生各放基准电流产生各放大级所需的偏置电流。大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系：各路偏置电流的关系：IREFI11IC10I3, 4IC9IC8IC12IC13微电流源微电流源镜像电流源镜像电流源输入级输入级镜像电流源镜像电流源中间

19、级中间级输出级输出级图图 F007 的偏置电路的偏置电路2. 输入级输入级T1、T2、T3、T4 组成共集组成共集 - 共基差分放大电路；共基差分放大电路；T1、T2 基极接收差分输入信号。基极接收差分输入信号。T5、T6 有源负载；有源负载； T4 集电极送出单端集电极送出单端输出信号至中间级。输出信号至中间级。 uORW 调零电阻，调零电阻，R 外接电阻。外接电阻。 T7 与与R2 组成射极组成射极输出器。输出器。 +VCC VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9图图 4. 3. 1-2uI2uI1若暂不考虑若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简

20、化为：和调零电路则电路可简化为：+VCC VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1). T1、T2 共集组态，具有共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入较高的差模输入电阻和共模输入电压。电压。(2). 共基组态的共基组态的 T3、T4，与，与有源负载有源负载 T5、T6 组合，可以得到组合，可以得到很高的电压放大倍数。很高的电压放大倍数。(3). T3、T4 共基接法能改善频率响应。共基接法能改善频率响应。(4). 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。抑制比。图图 简化示意图简化示意图 3. 中间级中间级图图 4

21、.3.1-3中间级示意图中间级示意图+VCC VEET15T16IC13R7T17R830pF输入来自输入来自 T4 和和 T6集电集电极；极；输出接在输出级的两个输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。互补对称放大管的基极。中间级中间级 T16、 T17 组成组成复合管，复合管， T13 作为其有源作为其有源负载。负载。8、9两端外接两端外接30pF 校正电容防止产生自激振荡。校正电容防止产生自激振荡。4. 输出级输出级IC13R8uo+VCC VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2图图 F007 输出级原理输出级原理电路电路T14、 T18 、T19 准准互补对称电路；

22、互补对称电路；D1、 D2 、R9、R10 过载保护电路；过载保护电路；T15 、R7、R8 为功为功率管提供静态基流。率管提供静态基流。V7 . 0)1(87BE15887CE15 RRURRRU调节调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。这阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为种电路称为 UBE 倍增电路。倍增电路。4.3.2.单极型集成运放单极型集成运放T2+vDD-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR一、电路结构一、电路结构双

23、入双出差分式放大电路双入双出差分式放大电路耗尽型耗尽型NMOSFET对管对管T1、 T2有源负载有源负载增强型增强型NMOSFET对管对管T3T4偏置电路偏置电路TREF、T5、T6 T7组成。组成。二、工作原理二、工作原理电路的基准电流电路的基准电流IREF ID5 ID6 I0静态分析静态分析 ID1 ID2 I0/2 输出电压输出电压 UoQ UoD1Q- UoD2Q 0动态分析动态分析 uo uoD1- uoD2 差模电压增益差模电压增益 AVD uo / uid - gm (rds1/ rds3). 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路一、开环差模电压增益

24、一、开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为一般用对数表示，定义为 UUUAlg20-Ood单位：分贝单位：分贝理想情况理想情况 Aod 为无穷大；为无穷大； 实际情况实际情况 Aod 为为 100 140 dB。集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标二、输入失调电压二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂三、输入失调电压温漂 UIO 定义：定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。补偿电压。一般运放：一般运放：UIO 为为 1 10 mV；高质量运放：高质量运放：UIO 为为 1 mV 以下。以下。定义：定义：TUUddIOI

25、O 一般运放为一般运放为 每度每度 10 20 V；高质量运放低于每度高质量运放低于每度 0.5 V 以下以下；四、输入失调电流四、输入失调电流 IIO五、输入失调电流温漂五、输入失调电流温漂 IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即之差，即定义：定义：B2B1IOIII 一般运放为一般运放为 几十几十 一百纳安；高质量的低于一百纳安；高质量的低于 1 nA。定义：定义：TIIddIOIO 一般运放为一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流六、输入偏置电流 IIB七、差模输入电阻七、差模输

26、入电阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定义：定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。平均值。)(21B2B1IBIII 定义：定义：IdIdidIUr 一般集成运放为几兆欧。一般集成运放为几兆欧。定义：定义：ocodCMRlg20AAK 多数集成运放在多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达以上，高质量的可达 160 dB。九、最大共模输入电压九、最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压十、最大差模输入电压 UIdm 反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电

27、压。反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、十一、 3 dB带宽带宽 fH表示表示 Aod 下降下降 3 dB 时的频率。一般集成运放时的频率。一般集成运放 fH 只只有几赫至几千赫。有几赫至几千赫。十二、十二、 单位增益带宽单位增益带宽fc Aod 降至降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于数等于 1 。十三、十三、 转换速率转换速率 SR额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。在实际工作中，输入信号的变化率一般不

28、要大于集在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的成运放的 SR 值。值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。出电阻等。集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路考虑各种失考虑各种失调因素时等调因素时等效电路图效电路图不考虑各种失调因素的电路图不考虑各种失调因素的电路图集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择集成运放的发展概况集成运放的发展概况集成运放的种类集成运放的种类一、按工作原理分类一、按工作原理分类1.电压放大型电压放大型F007、F3242.电流放大型电流放大型LM3900、F19003.跨导型跨导型LM308

29、0、F30804.互阻型互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分类二、按可控性分类1.可变增益运放可变增益运放2.选通运放选通运放1.高精度型高精度型性能特点：性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（很高，误差小。（F5037）2.低功耗型低功耗型性能特点：性能特点： 静态功耗一般比通用型低静态功耗一般比通用型低 1 2 个数量级个数量级( (不超过毫瓦级不超过毫瓦级) )，要求电压很低，有较高，要求电压很低，有较高的 开 环 差 模 增 益 和 共 模 抑 制 比 。的 开 环 差 模 增 益 和 共 模 抑 制 比 。（TL

30、C2552）三、按性能指标分类三、按性能指标分类3.高阻型高阻型性能特点：性能特点： 通常利用场效应管组成差分输入级，输入通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达电阻高达 1012 。高阻型运放可用在测量放大器、采样高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（源内阻很高的电路中。（F3130）4.高速型高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达 1 000 V/ s，单位增益带

31、宽可达，单位增益带宽可达 10 MHz，甚，甚至几百兆欧。至几百兆欧。性能特点：性能特点：常用在常用在A / D 和和 D / A 转换器、有源滤波器、转换器、有源滤波器、高速采样高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（较器等电路中。（F3554）5.高压型高压型性能特点：性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高，功耗输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。大。6.大功率型大功率型性能特点：性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。负载上可得到较大的输出功率。运放的选择运放的选择（略

32、）（略）4.高速型高速型集成运放的使用集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）一、集成运放的外引线（管脚）二、使用中可能出现的异常现象二、使用中可能出现的异常现象1. 不能调零不能调零调零电位器故障；调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而重新接通即可恢复为输入信号过大而造成造成“堵塞堵塞”现象现象原因原因使用时必做的工作使用时必做的工作2. 漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成

33、运放靠近发热元件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因3. 产生自激振荡产生自激振荡消振消振措施措施按规定部位和参数接入校正网络按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错防止反馈极性接错避免负反馈过强避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大合理安排接线，防止杂散电容过大保护措施保护措施一、输入保护一、输入保护( (a) )防止输入差模信号防止输入差模信号幅值过大幅值过大 ( (b) )防止输入共模信号防止输入共模信号幅值过大幅值过大 +V+AR1D1D2RFR VuOuI保护元件保护元件保护元件保护元件uO