模拟电子技术之集成运算放大电路

1、第第5章章 集成运算放大电路集成运算放大电路本章教学内容本章教学内容5.1 集成放大电路的特点集成放大电路的特点5.2 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标5.3 集成运集成运放的基本组成部分放的基本组成部分5.4 集成运放的典型电路集成运放的典型电路5.5 各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点5.6 集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题 5.1 集成放大电路的特点集成放大电路的特点手手机机主主控控制制芯芯片片手手机机主主板板三星三星i9300 小米手机小米手机 2 特点：特点：体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本，体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本，

2、实现了实现了元件、电路元件、电路和和系统系统的三结合。的三结合。集成电路集成电路IC(integrated circuit)： 将晶体管、电阻、电容等各种电子元器件以相互联将晶体管、电阻、电容等各种电子元器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。完整的、具有一定功能的电路或系统。1904年年电子管问世电子管问世1947年年晶体管诞生晶体管诞生1958年集成年集成电路研制成功电路研制成功双列直插式双列直

3、插式l 数字集成电路数字集成电路l 模拟集成电路模拟集成电路集成运算放大器集成运算放大器： 一种一种高放大倍数高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻高输入电阻、低输出电阻的的直直接耦合放大电路接耦合放大电路。集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。圆壳式圆壳式扁平式扁平式提供合适的静态工作点提供合适的静态工作点u 集成运算放大器的组成及特点集成运算放大器的组成及特点集成运算放大器的组成集成运算

4、放大器的组成5.2 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标同相输同相输入端入端反相输反相输入端入端输出端输出端输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路保护电路保护电路- -+ +减小零点漂移减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大差分放差分放大电路大电路大的电压放大倍数，双端输入变换为单端输出大的电压放大倍数，双端输入变换为单端输出共射放大电路共射放大电路提高带负载能力，足够的输出电流提高带负载能力，足够的输出电流io ，输出阻抗输出阻抗ro小小功率放功率放大电路大电路提供过流、过压保护提供过流、过压保护直流电源直流电源+US US

5、集成运算放大器内部组成特点集成运算放大器内部组成特点 无电感、无大容量电容、无大阻值电阻。无电感、无大容量电容、无大阻值电阻。 集成运算放大器的电路符号集成运算放大器的电路符号AuoAuou- -u+u- -u+uououo=Auo(u+- u-)uo=Auo(u+- u-)Auo开环电压放大倍数开环电压放大倍数反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端u集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标开环差分电压增益开环差分电压增益Aod输出电压与差分输入电压输出电压与差分输入电压之比之比, 一般用对数表示。一般用对数表示。实际集成运放一般实际集成运放一般Aod为为100

6、dB左右，左右，高质量的集成运放高质量的集成运放Aod可达可达140 dB以上。以上。ood20lguAuu单位单位: dB(分贝分贝)输入失调电压输入失调电压UIO为了使输出电压为零，在输入端加的为了使输出电压为零，在输入端加的补偿电压补偿电压。一般运放一般运放UIO的值为的值为110 mV，高质量的在，高质量的在1 mV以下。以下。 表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。衡量运放温漂的重要指标。输入失调电压温漂输入失调电压温漂IOUIOIOddUUT输入失调电流输入失调电流IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差

7、。当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。 用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于运放为几十至一百纳安，高质量的低于1 1nA。输入失调电流温漂输入失调电流温漂IOIIOIOddIIT 代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。安，高质量的只有每度几十皮安。B2B1IOIII 输入偏置电流输入偏置电流IIB 运算放大器静态输出电压为运算放大器静态输出电压为0时流入时流入( (流出流出) )的的电电流平均值流平均值。 IIB 是衡量差分对管输

8、入电流绝对值大小的指标，是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的输入级放大管的值。值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。)(21B2B1IBIII 最大差模输入电压最大差模输入电压UIDM运算放大器输入端之间所能承受的运算放大器输入端之间所能承受的最大电压最大电压。最大共模输入电压最大共模输入电压UICM运算放大器输入端所能承受的运算放大器输入端所能承受的最大共模电压最大共模电压。-3dB带宽带宽fH单位增益带宽单位增益带宽

9、BWG转换速率转换速率SRAod下降下降 3dB 时的频率。时的频率。Aod降至降至 0dB 时的频率。时的频率。 在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。时，输出电压的最大变化率。 单位为单位为V/s。共模抑制比共模抑制比KCMR 综合考察差分放大电路放大差模信号的能力综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。和抑制共模信号的能力。下，在参数理想对称的情况CMRcdCMRKAAK差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数dC M Rc= 20 log db()AKA分 贝愈小愈好愈小愈好 愈大愈好愈

10、大愈好 KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。而抑制共模信号的能力越强。同相输同相输入端入端反相输反相输入端入端输出端输出端输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路保护电路保护电路- -+ +直流电源直流电源+US US差分放差分放大电路大电路共射放大电路共射放大电路功率放功率放大电路大电路5.3 集成运集成运放的基本组成部分放的基本组成部分电流源电路电流源电路u偏置电路偏置电路 镜像电流源镜像电流源12BE1BE2BE,UUU三极管三极管T1、T2匹配匹配RUVI1BECCREF 基准电流基准电流C2C1C2

11、REFREFB22IIIIII+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以所以 211REF2C II当满足当满足 2 时，则时，则RUVII1BECCREF2C 比例电流源比例电流源IB2 IB1 2IBT1 T2 RR1R2+VCCIREF IC2 Ic1 UBE2 UBE1 IE1 IE2 由图可得由图可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于由于UBE1 UBE2，22E11ERIRI 忽略基极电流，忽略基极电流，REF211C212CIRRIRRI IREF IB2 IB1 Ic1 2IBT1 T2 RRe+VCC微电流源微电流源

12、IC2 UBE2 UBE1 IE2 由图可得由图可得BE1BE2E2eC2eUUIRIR二极管方程二极管方程BEBETTCSS(e1)eUUUUIIIC1C2BE1BE2C2eS1S2(lnln)TIIUUUIRIIS1S2IIC1TC2eC2lnIUIRICBETSlnIUUI得得IC13 VT11 VT10 R4+VCCVT13 VT12 R5-VEEIC10 IREF 图示为集成运放图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设偏置电路的一部分，假设VCC =VEE =15V ，所有三极管的，所有三极管的UBE =0.7V ，其中，其中NPN三极管的三极管的2，横向，横向PNP三极管的三

13、极管的= 2 ，电阻，电阻R5 =39k 。估算基准电流估算基准电流IREF；分析电路中各三极管组成何分析电路中各三极管组成何种电流源；种电流源；估算估算VT13的集电极电流的集电极电流IC13；若要求若要求IC10=28A，试估算电，试估算电阻阻R4的阻值。的阻值。【例例】IC13 VT11 VT10 R4+VCCVT13 VT12 R5-VEEIC10 IREF 解：解：由图可得由图可得CCEEBEREFmAmA52151520.7390.73VVUIR VT12与与VT13组成镜像电流源，组成镜像电流源， VT10 、 VT11与与R4组成微电流源。组成微电流源。IC13 VT11 VT

14、10 R4+VCCVT13 VT12 R5-VEEIC10 IREF 不能简单认为不能简单认为Ic13 IREF 。C 13R EFm Am A12110.73210.365II 可认为可认为 IC11 IREFCT4CCk3311661010326 100.73 10lnln28 1028 103 103IURII u差分放大输入级差分放大输入级基本形式差分放大电路基本形式差分放大电路对称结构，差分输出对称结构，差分输出l克服零点漂移；克服零点漂移；l零输入零输出；零输入零输出；l抑制共模信号；抑制共模信号；l放大差模信号；放大差模信号；+- -uo+-+-+-uiduiduid1212+V

15、CCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差分放大电路工作原理差分放大电路工作原理 零点漂移的抑制零点漂移的抑制C1CE1C2CE2IUTIU电路的对称性电路的对称性当当ui1 = ui2 = 0 时，时，uo1 = uo2uo=uo1-uo2=0 uo1= uo2uo=(uo1+ uo1)-(uo2+ uo2)=0+- -uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2共模输入共模输入共模信号共模信号：两输入信号：两输入信号大小相等极性相同。大小相等极性相同。ui1 = ui2= uICo1u1 i1uA uo2u2i2uA uu1u2AA

16、oo1o20uuu0ICocuuA抑制共模信号抑制共模信号+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：+- -uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模输入差模输入差模信号差模信号：两输入信号：两输入信号大小相等极性相反。大小相等极性相反。ui1 = -ui2=0.5 uIdoo1o2u1 i1u2 i2u1i1i2u1 i1o1() 22uuuA uA uA uuA uuo1u1i1uA uo2u2i2uA uu1u2AAodu1IduAAu放大差模信号放大差模信号差模电压放大倍数：差模

17、电压放大倍数：差分输入差分输入差分信号差分信号：两输入信号的：两输入信号的大小、相位任意。大小、相位任意。i1i2i1i2i122uuuuui1i2i1i2i222uuuuu共模共模差模差模差分差分uo=Ad(ui1-ui2)差分放大电路差分放大电路分析差分放大电路时，只需考虑共模输入与差模输入分析差分放大电路时，只需考虑共模输入与差模输入即可。对于任意信号可以分解成这两种输入信号来分析。即可。对于任意信号可以分解成这两种输入信号来分析。长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe补偿补偿Re 上的直流压降，上的

18、直流压降，提供静态基极电流提供静态基极电流引入共模负反馈引入共模负反馈提高了共模抑制比提高了共模抑制比对差模信号无负反馈对差模信号无负反馈+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe- IBQ RIBQ VCC - ICQ Rc静态分析静态分析IBQIBQICQICQUCQUCQ+-UBEQUBEQ+-2IEQUBQ晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：BQBEQEQeEE2-0IRUIR VEEBEQe2(1)VURR+ +- -uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReuc1uc2 动态分析动态分析

19、L12RL12R= Au1Ro=2Rc+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R+-uiuc2uc1L12RL12Rodi=uAubebLcd)2( rRRRA)(2beidrRR +ui1RRcVT1uc1-L12R调零电阻调零电阻Rw确保确保静态时输出为零。静态时输出为零。静态分析：静态分析：UCQ=VCC- -ICQRcICQIBQUBQ=- -IBQR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接接Rw长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路RwRLui1【例例】分析右图所示差分分析右图所示差分放大电路。放大电路。BQBEQwEQeEQEE1+2=2IRURIR IVEEB

20、EQBQwe-=10.5+2VUIRRR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接接R Rw w的长尾式差分放大电路的长尾式差分放大电路RwRLui1动态分析：动态分析：+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R0.5Rw0.5RwL12RL12R+ui1RRcVT1uc1-0.5RwL12Ri1bebw e=+0.5uRriR ic1bcL1=-/ /2uiRRodu1i=uAAuLcdbbew ()2+0.51+RRARrR idbbew2+0.51+RRrRRo=2Rc恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReR

21、b1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLui1I既可有效抑制零既可有效抑制零漂，又便于集成。漂，又便于集成。 静态分析静态分析+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3)(EECC2b1b1b1bVVRRRUR e3BEQEQ3CQ31bRUUIIR CQ3CQ2CQ121III 11CQBQ2BQ1 III RIUU1BQBQ2BQ1 C1CQCCCQ2CQ1RIVUU +-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz【例例】估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数估

22、算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad。UBQ1=-IBQ1RIEQ3ICQ3ICQ1ICQ2IBQ1IBQ1静态工作点静态工作点:UCQ1=VCC -ICQRC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDzCQ1CQ312IIzBEQ3CQ3EQ3e-=U UIIR差模电压放大倍数差模电压放大倍数:+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放恒流源式差放的交流通路与的交流通路与长尾式电路的长尾式电路的交流通路相同交流通路相同二者的差模电二者的差模电压放大倍数、压放大倍数、差模输入电阻差模输入电阻和

23、输出电阻均和输出电阻均相同相同cdbew +0.51+RARrR 差分放大电路的输入、输出接法差分放大电路的输入、输出接法双端输入、双端输出双端输入、双端输出Lcdbe(/ /)2RRARr idbe2()RRroc2RR+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-双端输入、单端输出双端输入、单端输出oc1uuii12uudu112AAcLdbe(/)12RRAR ridbe2()RRrocRR+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo单端输入、双端输出单端输入、双端输出Lcdbe(/ /)2RRARr idbe2()RRroc2RR+-uo+VCCRRRcRcV

24、T1VT2-VEEuiI+-单端输入、单端输出单端输入、单端输出cLdbe(/ /)12RRARr idbe2()RRrocRR抑制零漂能力较强抑制零漂能力较强, ,可使输入、输出电压反相或同相。可使输入、输出电压反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-1. 双端输出时双端输出时Ad Au1Ro = 2 Rc理想情况下理想情况下KCMR= 2. 单端输出时单端输出时Ro = Rc单端输入时单端输入时KCMR不如双端输出时高。可选择从不同的三极管输出，不如双端输出时高。可选择从不同的三极管输出，使使ui与与uo反相或同相。反相或同相。结论：结论：du112AARid

25、 2(R + rbe)+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3iC2-iC4iC3iC4iC1iC3iC1=-iC2放大管放大管 足足够大够大iC3iC1iC2iC4io有源负载有源负载有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路io=iC4-iC2 =2iC4u中间级中间级有源负载有源负载IREFCCBE3REF|VUIRVT2 RVT3 VT1 uI uo -+-+VCC放大管放大管用三极管代替用三极管代替负载电阻负载电阻Rc，组，组成有源负载，成有源负载，获得较高的电获得较高的电压放大倍数压放大倍数复合管复合管VT1VT2VT3 RVT4 uI uo -+-+VCCIREFCCBE

26、4REFVUIR u输出级输出级互补对称电路互补对称电路集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。电路。为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCL或或OTL互补对称电路。互补对称电路。当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动电流太大。电流太大。过载保护电路

27、过载保护电路VD3、VD4和和Re1、Re2组成过载保护电路。组成过载保护电路。工作电流正常时，工作电流正常时，VD3 、VD4 截止。截止。若若VT1正向电流增大，正向电流增大，VD3导通，将导通，将VT1的基流分流，的基流分流，若若VT2 反向电流增大，反向电流增大，VD4导通，将导通，将VT2的基流分流。的基流分流。+VCC-VCCuI+-RLuORb2Rb1VD2VD1VT2VT1二极管过载保护电路二极管过载保护电路 VD3VD4Re2Re1VT3 、VT4 和和 Re1 、 Re2组成过载保护电路。组成过载保护电路。其工作原理与二极管过其工作原理与二极管过载保护电路类似。载保护电路类

28、似。+VCC-VCCuI+-RLuoRb2Rb1VD2VD1VT2VT1 三极管过载保护电路三极管过载保护电路VT3VT4Re2Re1eEmV7 . 0RI Re 愈大，则愈大，则 IEm 愈小；愈小； 温度升高，温度升高， UD、 UBE 降降低，低，IEm 减小。更有利于保护减小。更有利于保护在高温下的集成运放。在高温下的集成运放。5.4 集成运放的典型电路集成运放的典型电路以双极型集成运放以双极型集成运放LM741为例为例VT1VT2R2VT8 VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5

29、R8R10R9R12R1150k1k1k7.5k4.5k50k5k5039k5025C130pF3521467偏置电路偏置电路流过流过R5的基准电流的基准电流CCEEBE12BE11REF5VVUUIR VT11 、 VT10和和R4 组成微电流源，由组成微电流源，由IC10提供提供VT9的集的集电极电流电极电流IC9和和VT3 、 VT4的基流的基流I3,4 。VT8 VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至输入级至输入级至中间级至中间级VT8 VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13I

30、REFI3,4-VEE至输入级至输入级至中间级至中间级横向横向VT8、VT9组成镜像电流源产生组成镜像电流源产生I8，决定输入级，决定输入级VT1、VT2的集电极电流的集电极电流 。横向横向VT12、VT13组成另一组镜像电流源，产生组成另一组镜像电流源，产生IC13，提，提供中间级放大管供中间级放大管VT16、VT17的静态电流的静态电流 。输入级输入级 由由VT1、VT2、VT3和和VT4组成共集组成共集-共基差分放大电共基差分放大电路，路，VT5和和VT6构成有源负载，代替电阻构成有源负载，代替电阻Rc。差分输入。差分输入信号由信号由VT1、VT2的基极送入，从的基极送入，从VT4的集电

31、极送出单的集电极送出单端输出信号至中间级。端输出信号至中间级。+VCCuOVT1VT2VT3VT4RcRc- -VEEuI1uI2I8I3,4中间级中间级+VCC VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF输入来自输入来自VT4和和VT6集电极；集电极；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VT16、VT17组成组成复合管，复合管，VT13作为其有源负作为其有源负载。载。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。输出级输出级 输出级由输出级由NPN三极管三极管VT14 和和PNP三极管三极管 VT20 组组成互补对称电路。成互补对称电路。 VT19 的作用是实现过载保护。的作用是实现过载保护。 三极管三极管 VT15和电阻和电阻R7 、 R8的作用是为功率管提的作用是为功率管提供静态基极电流，使电路工作在