第3章 集成运算放大器 236页 PPT版

1、第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 第第3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.1 概述概述 3.2 差动放大电路差动放大电路 3.3 电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路 3.4 MOS集成运算放大器中的主要单元电路集成运算放大器中的主要单元电路 3.5 多级放大电路多级放大电路 3.6 放大电路的频率特性放大电路的频率特性 3.7 常用集成运算放大器常用集成运算放大器 习题习题 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.1 概概 述述 集成电路是20世纪60年代初发展起来的一种新型器件。 它把整个电路中的各个元器件以及器件之间的连线， 采用半导体集成工艺同时制作

2、在一块半导体芯片上， 再将芯片封装并引出相应管脚， 做成具有特定功能的集成电子线路。 与分立件电路相比， 集成电路实现了器件、 连线和系统的一体化， 外接线少， 具有可靠性高、 性能优良、 重量轻、 造价低廉、 使用方便等优点。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.1.1 集成运算放大器电路设计上的特点 1电路结构与元件参数具有对称性 由于集成电路芯片上的所有元件是在同一块硅片上用相同工艺过程制造的， 因此参数具有同向偏差， 温度特性一致， 特别适用于制造对称性较高的电路， 比如制造两个特性一致的晶体管和两个阻值相同的电阻。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2采用有

3、源电阻代替无源电阻 由于集成度的要求， 由硅半导体体电阻构成的电阻阻值范围受到限制， 一般只能在几十到几十千欧姆之间， 不易制造过高或过低阻值的电阻， 且阻值误差较大。 所以， 集成电路中一般采用晶体管恒流源来代替所需的高阻值电阻， 也就是采用有源电阻形式。 3采用直接耦合的级间连接方式 集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容， 制造电感器件就更加困难。 因此， 集成电路大都采用直接耦合方式， 而不采用阻容耦合或变压器耦合。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 4利用二极管进行温度补偿 集成电路中， 一般把三极管的集电极和基极短接， 利用三极管的发射结作为二极管使用。 这样构成的二

4、极管其正向压降的温度系数与同类型三极管发射结压降的温度系数一致， 作温度补偿效果较好。 5采用复合管的结构 因为复合管的制造十分方便， 性能又好， 所以集成电路中经常使用复合管的电路形式。 模拟集成电路种类繁多， 功能各异， 但电路的内部结构大同小异， 基本上都具有上述电路特点。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.1.2 集成运算放大器的基本结构 各种集成运算放大器的基本结构相似， 主要都是由输入级、 中间级和输出级以及偏置电路组成， 如图3-1所示。 输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成； 中间级的作用是获得较大的电压放大倍数， 可以由我们熟悉的共射极电路承担； 输

5、出级要求有较强的带负载能力， 一般采用射极跟随器； 偏置电路的作用是供给各级电路合理的偏置电流。 本章将对输入级（差动放大电路）、 偏置电路（电流源电路）、 输出级电路的组成和基本原理加以讨论。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-1 集成运算放大器的结构框图 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.2 差动放大电路差动放大电路 差动放大电路是一种具有两个输入端且电路结构对称的放大电路。 其基本特点是只有两个输入端的输入信号间有差值时才能进行放大， 也就是说差动放大电路放大的是两个输入信号的差， 所以称为差动放大电路。 图3-2中的输出电压可以表示为 uo=Aud（u

6、i1-ui2）， 其中， Aud叫做差动放大电路的差模电压放大倍数。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-2 差动放大电路输出与输入的关系 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.2.1 为什么选用“差动”的电路形式 选用电路结构对称的差动放大电路作为集成运算放大器的输入级主要是它能有效地抑制直接耦合电路中的零点漂移， 又具有多种输入、 输出方式， 使用方便。 而且制作对称电路也是集成电路的工艺优势。 集成电路级与级之间大多采用的是直接相连的耦合方式， 这种方式使得放大电路前后级之间的工作点互相联系、 互相影响。 直接耦合多级电路必然会产生“零点漂移”的问题。 第第3

7、 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 所谓零点漂移， 就是放大电路在没有输入信号时， 由于电源波动、 温度变化等原因， 使放大电路的工作点发生变化， 这个变化量会被直接耦合放大电路逐级加以放大并传送到输出端， 使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动， 导致“零入不零出”。 放大器的级数越多， 放大倍数越大， 零点漂移的现象就越严重。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-3 直接耦合放大电路的零点漂移 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.2.2 基本差动放大电路的分析 要想实现“有差能动”， 我们可以构造图3-4所示电路， 这是由两个晶体三极管构成的最简单的差动放大

8、电路。 从图中可以看出： 差动放大电路的基本结构具有完全对称的特点， 并且可以由我们非常熟悉的两个完全相同的共发射极放大电路构成， 其中V1、 V2两管特性相同， 这种对称电路的设计， 在集成电路的制造工艺中是非常容易实现的。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-4 基本差动放大电路构成原理 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-5 典型基本差动放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1静态分析 当ui1=ui2=0时， 由于电路完全对称， 因此电路对称两边的静态参数也应完全相同。 以V1管为例， 其静态基极回路由-UEE、 UBE和Re构成， 但

9、需要注意的是， 流过Re的电流是V1、 V2两管发射极电流之和， 如图3-6所示。 则V1管的输入回路方程为 UEE=UBE+2IE1Re 所以， 静态射极电流为112CeBEEEEIRUUI (3-1) 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 静态基极电流为11CBII(3-2)静态V1管压降为 UCE1=UCC+UEE-IC1Rc-2IE1Re （3-3） 因为电路参数对称， 故V2管的静态参数与V1管相同。 静态时， 两管集电极对地电位UC1=UC2（不为 0）， 而两集电极之间电位差为零， 即输出电压uo= UC1-UC2=0。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3

10、-6 基本差动放大电路的直流通路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2 一对任意输入信号的分解差模信号和共模信号 在实际使用中， 加在差动放大电路两个输入端的输入信号ui1和ui2是任意的， 要想分析有输入信号时差动放大电路的工作情况， 必须了解差模信号和共模信号的概念。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1） 差模输入 如果两个输入信号的大小相同、 极性相反， 即ui1=-ui2， 则这种输入方式叫做差模输入。 假设加在V1管的ui1为正值， 则ui1使V1管的集电极电流增大IC1， V1的集电极电位因而降低了UC1； 和V1相反， 在ui2的作用下， V2的集电极电

11、位升高了UC2。 所以差模输入时， 两管的集电极电位一增一减， 变化的方向相反， 变化的大小相同， 就像是“跷跷板”的两端。 两个集电极电位的差值就是输出电压uo， 即 uo=UC1-UC2第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2）共模输入 如果两个输入信号的大小相同、 极性也相同， 即ui1=ui2， 这种输入方式叫做共模输入。 对于完全对称的差动放大电路来说， 共模输入时两管的集电极电位必然相同， 因此有uo=UC1-UC2=0。 所以在理想情况下， 差动放大电路对共模信号没有放大能力。 实际上， 我们说差动放大电路对零点漂移有抑制作用， 就是对共模信号的抑制作用。 因为引起零点漂

12、移的温度等因素的变化对差动电路来说相当于输入了一对共模信号， 所以差动放大电路对零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一种特例。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3） 任意信号输入 在实际应用中， 加给差动放大电路的一对输入信号的大小和极性往往是任意的， 既不是一对差模信号， 也不是一对共模信号。 为了分析和处理方便， 通常将一对任意输入信号分解为差模信号uid 和共模信号uic 两部分。 定义差模信号为两个输入信号之差， 共模信号是两个输入信号的算术平均值， 即22121iiiciiiduuuuuu（3-4） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 从式（3-4）可以得出，

13、用差模和共模信号表示的两个输入电压信号的表达式： icidiicididuuuuuu21212（3-5） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 因此， 任意的一对输入信号都可以分解成一对大小相等、 方向相反的差模信号和一对大小相等、 方向相同的共模信号的和。 例如ui1=30 mV， ui2=10 mV， 则ui1可以表示为10 mV（差模）+20 mV（共模）， ui2可以表示为-10 mV（差模）+20 mV（共模）。 对于理想差动放大电路， 20 mV的共模信号对于输出信号是没有贡献的。 在实际情况中， 由于差动放大电路不可能完全对称以及其他因素的影响， 输出信号中总会含有一些由

14、共模输入信号所产生的共模输出， 当然这一部分相对较小。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 因此， 根据叠加原理， 在差模和共模输入都存在的情况下， 对于线性的差动放大电路， 可以分别讨论电路在差模输入时的差模输出和共模输入时的共模输出， 叠加之后就可以得到在任意输入信号下总的输出电压， 即 uo=Auduid+Aucuic （3-6）第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 其中， Aud定义为差模电压放大倍数， 为差模输出电压uod与差模输入uid的比值； Auc定义为共模电压放大倍数， 为共模输出电压uoc与共模输入uic的比值。 差模电压放大倍数Aud越大， 电路的差模放

15、大能力越强， 共模电压放大倍数Auc越小， 电路抑制共模信号的能力越强。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3. 差模特性动态分析 图3-7为差模输入时图3-5所示双入双出差动放大电路的交流通路。 差模输入时， 由于 ， 则V1和V2两管的电流和电压变化量总是大小相等、 方向相反的。 流过射极电阻Re的交流电流由两个大小相等、 方向相反的交流电流ie1和ie2组成。 在电路完全对称的情况下， 这两个交流电流之和在Re两端的产生的交流压降为零， 因此， 在图3-7的差模输入交流通路中， 把射极电阻Re短路。 idiiuuu2121第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-7

16、 差模输入时基本差动放大电路的交流通路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1）差模电压放大倍数Aud 差模电压放大倍数定义为差模输出电压uod与差模输入信号uid的比值。 由图3-7可得beciodiodiiododidodudrRuuuuuuuuuuA1111212122（3-7） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-8 带负载的差动放大电路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 可以看出， 差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍数和单边电路的电压放大倍数相同， 差动放大电路为了实现同样的电压放大倍数， 必须使用两倍于单边电路的元器件数， 但是换来了对零点漂移

17、， 或者说共模信号的抑制能力。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 带有负载电阻的差放电路如图3-8所示。 由于电路的对称性， RL的中点始终为零电位， 相当于接地。 因此， 对于单边电路来说， 单边的负载是RL的一半， 即带载的双端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为beLcudrRRA2/（3-8） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2）差模输入电阻rid 差模输入时从差动放大电路的两个输入端看进去的等效电阻定义为差模输入电阻rid， 即 rid=2rbe (3-9) rbe为三极管的等效输入电阻。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3） 差模输出电阻ro

18、d 差模输出电阻rod定义为差模输入时从差动放大电路的两个输出端看进去的等效电阻， 由图3-7可知 rod=2Rc (3-10)第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 4. 共模特性动态分析 输入共模信号时的交流通路如图3-9所示。 当差动放大电路的输入信号为一对大小相等、 方向也相同的共模信号时， 由于ui1=ui2=uic ， 图3-9中V1和V2的电流和电压变化量总是大小相等、 方向相同的， 流过射极电阻Re的交流电流由两个大小相等、 方向相同的交流电流ie1和ie2组成， 流过Re的交流电流为两倍的单管射极电流， 所以共模输入时的射极电阻在交流通路中必须保留。 第第3 3章章 集

19、成运算放大器集成运算放大器 图3-9 共模输入时基本差动放大电路的交流通路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1） 共模电压放大倍数Auc 由于电路对称且输入相同， 图3-9中两管的集电极电位始终相同， 有uoc1=uoc2。 因此从两管的集电极之间取出的输出电压uoc=uoc1-uoc2=0。 理想情况下双端输出时的共模电压放大倍数为0， 即 Auc=0 （3-11）第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2）共模抑制比KCMRR 为了更好地描述差动放大电路放大差模、 抑制共模的特性， 定义放大器差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比为共模抑制比， 即ucudCMRRAAK（

20、3-12） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 差模电压放大倍数越大， 共模电压放大倍数越小， KCMRR越大， 差动放大电路的性能越好。 显然， 理想情况下， 双端输出时差动放大电路的共模抑制比为无穷大， 当电路的对称性较好时， 共模抑制比将是一个很大的数值， 为了方便， 用分贝（dB）的形式表示共模抑制比为ucudCMRAAKlg20（3-13） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.2.3 差动放大电路的输入、 输出形式 根据差动放大电路输入输出形式的不同， 差动放大电路分为双端输入、 双端输出， 双端输入、 单端输出， 单端输入、 单端输出和单端输入、 双端输出四

21、种形式。 1单端输入 单端输入可以看成是双端输入的一种特例： 两个输入信号中的一个为0。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2 单端输出 单端输出的输出信号可以取自差放管V1、 V2任意一管的集电极与地之间的信号电压。 由于所取输出端的位置不同， 输出信号与输入信号之间的相位关系也就不同， 图3-10分别给出了同相和反相两种输出方式。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-10 差动放大电路的两种单端输出形式 （a） 反相输出形式; （b） 同相输出形式 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1） 单端输出时的差模电压放大倍数Aud1 因为单端输出时， 差动放

22、大电路中非输出管的输出电压未被利用， 所以单端输出时的电压放大倍数只有双端输出时的一半。 若带上负载， 由于外接负载电阻RL直接并联于输出管的集电极与地之间， 因此交流等效负载电阻为RL=RcRL， 由此可得单端输出时的差模电压放大倍数为beLudrRA211(3-14) 根据单端输出位置的不同， 差模电压放大倍数可正可负。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2） 单端输出时的共模电压放大倍数Auc1 因为单端输出时， 仅取一管的集电极电压作为输出， 使两管的零点漂移不能在输出端互相抵消， 所以共模抑制比相对较低。 但由于有Re 对共模信号的强烈抑制作用， 因此其输出零漂比普通的单

23、管放大电路还是小得多。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 单端输出时， 射极电阻Re上流过两倍的射极电流， 根据带射极电阻的单管共发射极放大电路的电压放大倍数公式， 可得单端输出时差动放大电路的共模电压放大倍数为ebecucRrRA)1 (21 (3-15) 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3）单端输出时的共模抑制比 由式（3-14）和式（3-15）可得单端输出时的共模抑制比为beeCMRRrRK （3-16） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 4）单端输出时差动放大电路的输出电阻 由于仅从一管的集电极取输出信号， 因此输出电阻是从一管的集电极和接地点之间

24、看进去的等效电阻， 它是双端输出时的一半， 即 rod=Rc （3-17） 为便于比较差动放大电路四种输入输出形式的特点， 将这四种接法电路的基本情况列于表3-1。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 表3-1 差动放大电路的输入输出形式 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.2.4 差动放大电路的改进形式 1带电流源的差动放大电路 从上面的分析中知道， 抑制零点漂移的效果和Re有密切的关系， Re愈大， 效果愈好， 但维持同样的工作电流所需的负电源UEE就愈高， 因而Re的增大将受到限制。 既要使Re较大， 又要使负电源UE

25、E不致增加， 可以用恒流源（理想情况下内阻为无穷大）来替代Re 。 因为恒流源的内阻较大， 可以得到较好的共模抑制效果， 同时利用恒流源的恒流特性， 可给三极管提供更稳定的静态偏置电流。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 当基极电流IB一定时， 工作在放大区的晶体三极管的集电极电流IC基本上是个恒定的数值。 所以， 固定偏流的晶体管， 从集电极看进去就相当于一个恒流源， 这个恒流源的交流等效电阻为rce=UCE/IC， 数值相当大。 图3-11(a) 中的恒流源就是由三极管构成的单管恒流源。 为了使V3管的集电极电流更加稳定， 采用了由Rb31、 Rb32和Re构成的分压式偏置电路

26、。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 电位器Rp是调平衡用的， 又叫做调零电位器。 因为实际的差动放大电路不可能完全对称， 当输入电压为零时(可以将两个输入端接地)， 输出电压不一定为零。 这时为了使输出电压为0， 可以通过调节Rp来改变两管的初始状态， 进行微调。 但由于Rp也参与了负反馈作用， 故不能取的太大， 一般为几十到几百欧姆之间。 Rb为基极偏置电阻。 图3-11(b)为（a）图的简化表示方法。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-11 带恒流源的差动放大电路 （a） 电路原理图; （b） 简化表示方法第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 例3-

27、1 图3-11（a）中双入双出的差动放大电路参数为： 1=2=3=50， UCC=UEE=9 V， Rc=4.7 k， Rb31=10 k， Rb32=3.3 k， Rb1= Rb2=1 k， Re=2 k， Rp=220 且动端在中点， 三极管发射结导通压降为0.7 V。 求： （1） 静态时的集电极电位UC1； （2） 差模电压放大倍数； （3） 差模输入电阻和差模输出电阻。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 解 （1） 静态分析。 因为 VUURRRUEECCbbbRb47. 4183 . 33 . 3)(1032313232所以可得集电极电流为 mARUUIIeBEEC9

28、. 1277. 33Re33由于电路对称， 所以有VUUmAIIICCCCC5 . 495. 07 . 4995. 0221321第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-12 例3-1的交流通路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 （2） 差模电压放大倍数。 由于差模输入时， 一管的射极电流增大， 另一管的射极电流就会减小同样的数值， 所以恒流源上的电流是恒定的， Rp的中点电位为0， 交流通路如图3-12所示。 由带射极电阻的共发射极放大电路的交流分析结果可得差模电压放大倍数为2)1 (1pbebeudRrRRA第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 其中 krb

29、e7 . 195. 026)501 (3001所以 3 .28222. 0)501 (7 . 117 . 450udA第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 （3） 差模输入电阻和差模输出电阻。 由单边电路的交流分析可知kRrkRrRrcodpbebid4 . 926 .16)11. 0517 . 11 (22)1 (2第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2共集共基复合差动放大电路 共集共基复合差动放大电路如图3-13所示。 图中纵向NPN管V1和V2是基极输入、 射极输出， 组成共集电极电路， 可以提高输入阻抗。 横向PNP管V3和V4则组成射极输入、 集电极输出的共基极电路

30、， 有利于提高输入级的电压放大倍数、 最大差模输入电压和最大共模输入电压范围， 同时可以改善频率响应。 在需要PNP管输入级与提高输入电阻时， 可采用此种电路形式。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-13 共集共基复合差动放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 还有利用复合管有关复合管的概念可参见本章3.3.3节。构成的复合管差动放大电路。 图3-14中V1和V3、 V2和V4分别构成了复合管的电路形式。 利用复合管可以获得很高的电流放大系数， 这样基极偏置电流可以适当减小， 并且有助于提高差动放大电路的性能指标。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器

31、 图3-14 复合管差动放大电路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 综上所述， 我们可以得到如下结论： (1）差动放大电路具有放大差模信号、 抑制共模信号的能力， 因此， 在普遍采用直接耦合的集成运算放大器中， 广泛采用差动放大电路作为输入级， 以起到抑制零点漂移的作用。 (2）差动放大电路的射极电阻不影响差模信号的放大， 但射极电阻越大， 抑制共模的能力就越强， 一般采用恒流源电路来替代射极电阻， 以获得较好的共模抑制能力。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 (3）差动放大电路共有两种输入形式和两种输出形式， 可以组合成四种典型电路， 它们具有不同的特点， 在实际应用中

32、可根据需要选择合适的电路形式。第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.3 电流源电路与输出级电路电流源电路与输出级电路 在集成运算放大器中， 电流源电路对提高放大器的性能起着十分重要的作用。 电流源主要有两方面的作用： 一是为各级电路提供稳定的直流偏置电流； 二是利用电流源的大动态电阻作有源负载， 以提高单级放大电路的电压放大倍数， 也可以作为差动放大电路的射极电阻， 提高对共模信号的抑制能力。 我们已经了解了图3-11所示的分立件单管电流源， 本节主要介绍集成电路中常用的电流源形式。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.3.1 基本电流源电路 1 镜像电流源 1） 基

33、本镜像电流源 基本镜像电流源如图3-15所示。 由于V1和V2是特性完全相同的对管， 并且二者的发射结偏置电压相同， 因此可以认为两管的参数完全相同， 例如IB1=IB2， IC1=IC2等。第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-15 基本镜像电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 从图中可得OOCCCCBBCREKIIIIIIIIII2222211211所以 211REFOII（3-18） 式中IREF为参考电流。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 当参考电流 IREF确定后， 该恒流源的输出电流 IO也就确定了。 当足够大时， 输出电流IO近似等于参

34、考电流IREF， 即RUUIIIBECCREFCO1(3-19) 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 由上式可以看出， 当R确定后， IREF就确定了， 输出电流IO也随之确定。 同样， 如电路左边不加固定电压+UCC， 而让该点电位浮动， 则改变电流IO时， IREF也作相应改变， 此时IO为参考电流， IREF为输出电流。 可见， IREF与IO 互为镜像， 所以把这种电流源叫做镜像电流源。 由于V1对V2有温度补偿作用， 因此输出电流的温度稳定性较好。 若希望获得相反方向的输出电流， 可用PNP管构成电流源， 如图3-16所示。 在集成电路制造中， 经常把V1和V2合并制造成一

35、个多集电极晶体管， 此时基本电流源可画成图3-17的形式。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-16 PNP管镜像电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-17 多集电极三极管电流源第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-18 带缓冲级的镜像电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2）带缓冲级的镜像电流源 对于基本镜像电流源来说， 只有在三极管的值较大时， 才能认为输出电流IO和参考电流IREF近似相等， 否则这两个电流间就存在着较大的差别。 为了解决这一问题， 在电路中加入三极管V3， 如图3-18所示。 利用V3的电流放大作用，

36、进一步减小了V1和V2基极电流对IREF的分流作用， 从而提高了IO对IREF的镜像程度。 为避免V3的射极电流过小， 使三极管不能正常工作， 加入电阻Re使IE3增加。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 可以证明RUUUIIBEBECCREFO32 （3-20） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2电流源作有源负载 由于电流源的交流电阻很大， 因此， 集成电路中广泛地使用恒流源作为负载。 因为这种负载是用有源的晶体管构成的， 所以叫做有源负载。 图3-19（a）中， V2和V3以及电阻R构成PNP管镜像电流源， 作为共发射极形式连接的放大管V1的集电极有源负载， 图3

37、-19（b）是它的等效电路， 电流IC2约等于参考电流IC3（IREF）。第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 这里电流源起了两个作用， 一是给放大管提供静态工作电流， 二是以电流源的交流电阻ro替代集电极负载电阻Rc的作用。 由于电流源的交流电阻很大， 在共发射极电路中， 可使每级的电压放大倍数达到103， 甚至更高， 因此电流源也可以作为有源负载使用。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-19 电流源作有源负载 （a） PNP电流源作NPN管的有源负载; （b） 等效电路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.3.2 其他电流源形式 1微电流源 在集成电路

38、中， 有时需要微安级的小电流， 如果利用基本镜像电流源实现， 就必须提高电阻R的阻值， 而大电阻的制作在集成电路中非常困难。 为解决这个问题可以采用图3-20所示的微电流源电路。 与基本镜像电流源相比， 在V2的发射极接入电阻Re2， 由图可知， 当参考电流IREF一定时， 可确定IO。第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-20 微电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 因为 UBE1-UBE2=UBE=IE2Re2 所以2eBEE2C2ORUIII （3-21） 由于两个三极管发射结电压之差UBE是一个较小的数值， 因此利用不大的Re2就可以获得较小的恒流输出，

39、故称为微电流源。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2比例电流源 顾名思义， 比例电流源就是输出电流与参考电流成一特定的比例关系的电流源， 如图3-21所示。 因为 UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2 且 UBE1UBE2， IREFIC1IE1 可得REFeeECOIRRIII2122 （3-22） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-21 比例电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-22 例3-2多路电流源 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 例3-2 图3-22为多路电流源原理电路， 说明三极管V5的作用， 并写出IO

40、1、 IO2和IO3的表达式。 解 多路电流源是用一个偏置电路为多路提供不同偏流的比例电流源。 为减小基极电流IB分流引起的误差， 在基极电路中接入缓冲级V5， 使 ， 减小了IC和IREF之间的偏差。 和比例电流源一样， 电路中的输出（集电极）电流与射极电阻近似成反比， 即REFBREFCIIIICeeOCeeOCeeOIRRIIRRIIRRI343242141, (3-23) 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.3.3 输出级电路 集成运算放大电路的输出级应具有高输入电阻、 低输出电阻的特性。 高输入电阻可以减小输出级对前级的影响， 低输出电阻可以提高整个电路的带负载能力。

41、同时， 输出级还应能向负载输出一定的功率并尽量减少损耗， 从这几点考虑， 一般采用互补对称形式的共集电极电路射极跟随器来做输出级。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1输出级电路 单管射极跟随器静态时必须工作于放大区， 三极管的静态集电极电流不为零， 所以导致管耗增加， 效率降低。 为了解决这一问题， 采用了图3-23所示的互补对称输出级电路。 在这个电路中， 有两个互补的三极管NPN管V1和PNP管V2， V1和V2的特性尽可能相同， 并均接成射极跟随器的形式。 由于没有基极偏置， 静态时两管均处于截止状态， 输出电压uo为零。 此时两管各电极静态电流约为零， 只有很小的穿透电流

42、流过， 因此静态损耗极小， 提高了输出级的效率。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-23 共集电极互补对称输出级 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 当输入正弦信号正半周时， 若忽略V1管的导通压降， 则 V1导通， V2截止， 电源+UCC通过V1管输出电流ic1流过负载电阻RL， 在负载上产生正半周的输出电压； 当输入正弦信号负半周时， V2导通， V1截止， 电源-UCC通过V2管输出电流ic2 ， ic2在RL上的方向与ic1相反， 所以负载上得到负半周的输出电压， 最终在负载上合成了一个完整的正弦波周期。 在这个电路中， V1和V2分别负责正负半周信号的输

43、出， 互相补充又互相对称， 所以该电路被称为互补对称输出级 。第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 需要注意的是， 实际的晶体三极管都有死区电压， 对于硅管来说， 当输入信号较小， 大约在-0.5+0.5 V之间时， 两个三极管全处于截止状态， 没有输出。 只有当输入信号的幅值大于0.5 V以后， 三极管才逐渐导通。 因此输出波形在输入信号零点附近的范围出现失真， 叫做交越失真， 如图3-24所示。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-24 交越失真 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-25 改进型互补对称输出级电路第第3 3章章 集成运算放大器集成运算

44、放大器 2采用复合管的输出级结构 为了对输入正弦信号的正负半周有相同的放大能力， 要求互补的NPN和PNP三极管的参数尽可能对称。 但实际上， 要使一对NPN管和PNP管尽可能的相近， 小功率管还比较容易做到， 而对于大功率管来说， 就相当困难了。 要想解决这一矛盾， 必须采用复合管的形式。 所谓复合管就是由两个或三个三极管复合在一起完成一个三极管的功能， 从而得到较高的电流放大系数或获得其他性能的改善。 复合管通常由一个中小功率管和一个大功率管复合而成。 如图3-26所示。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-26 几种典型复合管复合形式 （a） 、 (d)等效为NPN管;

45、（b）、 (c)等效为PNP管 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-27 错误复合的例子第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 复合管和原来相比， 具有以下的特点（以由第一只管子V1和第二只管子V2复合成的复合管V为例）： (1） 同型或异型的管子都可以参与复合， 但复合管的类型一定和第一只管子V1相同。 因为V1的基极电流决定了复合管的基极电流方向， 基极电流流入复合管的为NPN管， 反之， 就必然是PNP管。 (2） 复合管的电流放大系数约等于V1和V2的电流放大系数之积， 即12 。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 (3） 如果V1的发射极接V2， 则

46、V2相当于V1的射极电阻， 复合管的输入电阻rbe=rbe1+（1+）rbe2； 如果V1的集电极接V2， 此时的V2相当于V1的集电极电阻， 复合管的输入电阻rbe=rbe1。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 例3-3 以图3-26（a）为例， 证明复合管的电流放大系数约为V1、 V2电流放大系数之积， 即 12。 证明 由图3-26（a）的电路结构可知 ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2 =1ib1+2ie1=1ib1+2(1+1)ib1 =(1+2+12)ib1 所以 2121211bcbciiii（3-24） 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.4 M

47、OS集成运算放大器中的主要单元电路集成运算放大器中的主要单元电路 3.4.1 MOS集成运放的主要特点 MOS集成运算放大器的组成和双极型集成运算放大器相同， 各部分电路结构及作用也基本相似， 只不过MOS集成工艺主要适用于制造数字集成电路， 对于模拟集成电路来说， 在性能上和双极型运放相比还有一定的差距。 但由于MOS集成运放具有制造工艺简单、 集成度高、 功耗低以及温度特性好等优点， 随着集成制造工艺的发展， 这些优势已经逐渐显现， 特别在模拟和数字的混合系统中， MOS电路更加显示出它的优越性。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 MOS集成运算放大器主要有NMOS和CMOS两

48、种类型。 NMOS集成运放全部由N沟道MOS管构成， 具有工艺简单、 集成度高的优点。 CMOS集成运放是互补的MOS电路， 由互补的NMOS管和PMOS管构成， 这种CMOS制造工艺具有设计灵活、 低功耗等特点。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.4.2 MOS集成运放中的基本单元电路 MOS集成运算放大器也由差动输入级、 中间级、 输出级和偏置电路几部分组成。 1MOS管差动输入级电路 前述的三极管差动放大电路具有较好的共模抑制特性和差模放大特性， 但由于采用的是双极型器件， 电路的差模输入电阻不高。 采用输入电阻很高的MOS管构成差动放大电路输入级就可以提高输入电阻， 图

49、3-28所示为双入单出的CMOS差动输入级， 其中NMOS管V1和V2为差放工作管； PMOS管V3和V4组成镜像电流源， 作为V1和V2的有源负载； V5为单管电流源， 为差放管提供偏置电流。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 MOS管差动放大电路仍具有放大差模、 抑制共模的特点， 电压放大倍数和单边电路相同， 牺牲了元器件数， 获得了抑制共模信号（零点漂移）的能力。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-28 CMOS差动放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-29 MOS管基本镜像电流源第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2MOS

50、管基本镜像电流源 基本场效应管镜像电流源如图3-29所示。 和双极型三极管基本镜像电流源相似， 我们可以得到电压方程IREFR=UCC-UGS， 根据场效应管的转移特性曲线即可确定IREF。 因为MOS管的栅极不取电流， 在V1和V2对称的条件下， 有IO=IREF。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.5 多级放大电路多级放大电路 一般来说， 单级放大电路并不能同时满足多个性能指标的要求， 比如同时具有高输入电阻、 低输出电阻、 高电压放大倍数以及抑制零点漂移的能力等。 因此， 实际的放大器都是由若干单级放大电路连接而成的多级放大电路， 能对输入信号进行逐级的连续放大， 以获得

51、令人满意的性能指标， 并具有足够的输出功率去推动负载工作。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 接入信号的为第一级， 也叫输入级， 接着为第二级， 直至输出级。 前级是后级的信号源， 后级是前级的负载， 多级放大电路的方框图如图3-30所示。 集成运算放大器实质上就是一个直接耦合的高电压放大倍数的多级放大电路。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-30 多级放大电路的方框图 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 由于不同种类的基本放大电路具有不同的特点， 因此在构成多级放大电路时， 应尽可能地合理匹配， 用最少的级数获得尽可能高的性能。 比如对于电压放大电路来

52、说， 输入级要求尽可能大的输入电阻， 宜采用共集或共漏电路； 如果是直接耦合电路， 还需用抑制零点漂移的差动放大电路； 中间级主要是尽可能地获得高的电压放大倍数， 所以一般采用共射极或共源极电路； 而输出级的主要目的是为了有足够的功率来推动负载并具有较强的带复载能力， 因此一般采用互补对称的射极输出器或源极输出器。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3.5.1 多级放大电路的耦合方式 多级放大电路级与级之间信号的传递叫做耦合， 耦合方式就是级与级之间的连接方式， 一般有阻容耦合、 直接耦合、 变压器耦合、 光电耦合等， 下面分别进行介绍。 1阻容耦合 多级放大电路级与级之间采用耦合

53、电容相连的方式叫做阻容耦合。 “容”即为耦合电容， “阻”是指下一级的输入电阻。 图3-31所示为阻容耦合的两级放大电路， 电路中的信号源、 第一级放大电路、 第二级放大电路和负载之间分别采用三个耦合电容相连， 起到“隔直通交”的作用。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-31 两级阻容耦合放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 阻容耦合结构简单、 体积小、 成本低、 频率特性好， 特别是电容的隔直作用， 可以防止级间静态工作点的互相影响。 当某级放大电路因为温度变化使静态工作点出现漂移时， 由于漂移信号变化缓慢， 基本上不能通过耦合电容传递到下一级， 也就基本

54、上抑制了零点漂移现象的出现。 由于阻容耦合电路各级静态工作点相互独立， 无论是设计、 分析还是使用， 都十分方便， 因此阻容耦合应用十分广泛。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 2直接耦合 把前一级的输出端和后一级的输入端直接相连的级间耦合方式叫做直接耦合， 图3-32所示为两级直接耦合放大电路。 直接耦合方式中信号的传输不经过电抗元件， 所以频率特性较好， 可以放大频率很低的信号或直流信号， 并且便于集成， 因此， 直接耦合方式在集成运算放大器或直流放大器中应用较多。 但需要 注意的是， 直接耦合使各级电路的静态工作点不再相互独立， 而变得互相影响， 不仅使放大器的设计和调试变得

55、相对复杂， 还容易引起漂移。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-32 两级直接耦合放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 例3-4 图3-32两级直接耦合放大电路中， 1 =2=100， （1）试计算V1、 V2的静态工作点； （2） 若V2的发射极直接接地， 试分析该电路能否正常工作。 解 （1） V1的静态工作点： mAIIARRUUIBCbbBECCB330100305 . 01013307 . 012)1 (1111第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 若忽略V2的基极电流， 则V1的管压降为 UCE1=UCC-IC1(Rc1+Re1)=12-

56、3(2+0.5)=4.5 V V2的基极电位由第一级的静态值决定， 所以有 UB1=UCC-IC1Rc1=12-32=6 V 因为mARUIIeBEC65. 227 . 067 . 02111所以 UCE2=UCC-IC2（Rc2+Re2）=12-2.65(1+2)=4.05 V第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 （2） 若V2的发射极直接接地， 则V1的集电极电位就是V2的发射结电压， 约为0.7 V。 这个0.7 V的压降包括V1的管压降和射极电阻Re1的压降， 无论如何分压， V1的管压降一定是小于0.7 V的， 也就是说， V1将处于饱和区， 使整个电路无法正常放大。 第第3

57、 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 从这个例题可以看出， 如果简单地把两个基本放大电路直接连接起来， 放大器将不能正常工作， 必须采取适当的措施保证两级电路都有合适的静态工作点。 V2射极电阻Re2的接入就是为了抬高后级电路的射极电位， 从而抬高V1的集电极电位， 使V1有一个合适的静态工作点。 旁路电容Ce2的作用是不致于降低第二级电路的电压放大倍数。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-33 互补电平移动电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 3其他耦合方式 除阻容耦合和直接耦合以外， 还有变压器耦合和光电耦合等方式。 因为变压器能够通过电磁感应原理将初级的

58、交流信号传递到次级， 而直流电产生的恒磁场不产生电磁感应， 所以直流信号不能在初、 次级线圈中传递。 因此， 利用变压器耦合也可以做到传递交流、 隔断直流的作用。 图3-34所示就是变压器耦合放大电路， 这种级间通过变压器相连的耦合方式称为变压器耦合。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 图3-34 变压器耦合放大电路 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 变压器耦合还具有阻抗变换作用， 以达到阻抗匹配、 获得最大的输出功率的目的。 所以， 变压器耦合比较适用于功率放大电路。 但变压器耦合频率特性差、 体积和质量大、 成本高、 频率特性差， 因此随着电子产品集成度的提高， 已

59、逐步被无变压器的输出电路所代替。 只不过在高频电路， 特别是在选频放大器中， 还有相当程度的应用， 比如收音机接收信号就是利用接收天线和耦合线圈来实现的。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 *3.5.2 多级放大电路的指标计算 多级放大电路的计算和单级放大电路一样， 先进行静态分析， 确定合适的静态工作点， 再进行动态分析， 计算放大电路的各项性能指标。 由于阻容耦合电路的静态工作点是相互独立的， 因此阻容耦合电路的静态分析就变成了各单级电路的静态计算。 对于直接耦合放大电路， 从例3-4知道， 各级的静态工作点不独立， 要注意级与级之间的相互影响。 第第3 3章章 集成运算放大器

60、集成运算放大器 对多级放大电路进行动态分析时， 必须考虑级与级之间的影响， 将前级电路作为后级电路的信号源或将后级电路作为前级的负载来考虑。 这样， 单级放大电路的很多公式和结论都可以直接应用于多级放大电路的计算中。 一般， 把后级电路当作前级的负载来计算比较方便， 本节均采用这种方法。 第第3 3章章 集成运算放大器集成运算放大器 1电压放大倍数 多级放大电路的级与级之间是串联关系， 前级的输出就是后级的输入， 所以总的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积， 即 Au=Au1Au2Aun （3-25） 因此， 求多级放大电路的电压放大倍数， 本质上是计算各单级电路的电压放大倍数， 计算时要考