第四章集成运算放大电路

1、第四章 集成运算放大电路一、概述二、集成运放中的电流源电路三、集成运放电路分析四、集成运放的主要性能指标五、集成运放的种类电子信息工程学院电子信息工程学院一、一、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。用差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。作的大电阻。（4 4）采用

2、复合管。）采用复合管。 1. 集成运放的特点集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。电子信息工程学院电子信息工程学院2. 集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。一个双端输入、单端输出的差分放大电路。电子信息工程学院电子信息工程学院集成运放电路四个组成部分的作用集

3、成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。的放大能力。功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。为各为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。电子信息工程学院电子信息工程学院3. 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=

4、f(uP-uN) 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。电子信息工程学院电子信息工程学院二、集成运放中的电流源电路二、集成运放中的电流源电路1. 镜像电流源镜像电流源（Cur

5、rent Mirror）T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，则若在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负电路中有负反馈吗？反馈吗？基准电流基准电流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III电源电源VCC通过电阻通过电阻R和和T1管产生一个基准电流管产生一个基准电流IREF，电子信息工程学院电子信息工程学院受受 的影响大；的影响大； 与与 的镜像精度决定于晶体管的镜像精度决定于晶体管1CICCVRI缺点：缺点：1CIR 做不到很小

6、，因为集成电路中难以制作高阻值电阻做不到很小，因为集成电路中难以制作高阻值电阻 ；1CI 做不到很大，因为集成电路中做不到很大，因为集成电路中R R功耗增大；功耗增大；镜像电流源具有一定镜像电流源具有一定的温度补偿作用。的温度补偿作用。增强型增强型MOSMOS管构成的镜像电流源管构成的镜像电流源电子信息工程学院电子信息工程学院2. 2. 比例电流源比例电流源特性相同，01,T T000111BEEeBEEeUIRUI RlnEBETSIUUI0011lnEBEBETEIUUUI当 时，20011,CERCEIIIII01111lneTRCReeCRUIIIRRI00CCBEReVUIRR其中，

7、011eCReRIIR比例电流源具有较高的温度稳定性。比例电流源具有较高的温度稳定性。 电子信息工程学院电子信息工程学院 3. 微电流源微电流源 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。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBE)(E1E0SEe eUUUUUIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re电子信息工程学院电子信息工程学院当三极管的电流放大系数当三极管的电流放

8、大系数较小时，基极电流就不能忽略，前面三个电流等较小时，基极电流就不能忽略，前面三个电流等式不成立，因此为了减小因式不成立，因此为了减小因小而造成的误差。小而造成的误差。 4. 4. 改进型的镜像电流源改进型的镜像电流源一、加射极输出器的电流源（利用一、加射极输出器的电流源（利用 管电流放大作用，管电流放大作用，减小电流减小电流 和和 对电流对电流 的分流。）的分流。）0BI1BIRI2TT0，T1，T2特性相同。特性相同。1=2=0=, IB1=IB0=IB，UBE1=UBE0，因此输出电流因此输出电流 ：电子信息工程学院电子信息工程学院20121112211ECCRBRCBRRIIIIII

9、IIII整理后得 121(1)RCRIII 若若=10，代入上式可得，代入上式可得IC10.982IR，说明当，说明当很小，很小， IC1IR。输出。输出电流电流IC1也与基准电流也与基准电流IR保持良好的镜像关系，保持良好的镜像关系，电子信息工程学院电子信息工程学院 5. 5. 威尔逊电流源威尔逊电流源T T1 1、T T2 2、T T0 0管特性完全相同。（管特性完全相同。（ 管的管的c-ec-e串联在串联在 管的发射极，管的发射极，作用与典型工作点稳定电路中作用与典型工作点稳定电路中 相同。因为相同。因为c-ec-e间等效电阻非常大，间等效电阻非常大，所以可使所以可使 高度稳定。高度稳定

10、。这种电流源的输出电流基本上等于参考这种电流源的输出电流基本上等于参考电流，对电流，对值不是很敏感。值不是很敏感。1T2TeR2CI222CECBCIIIIIA：B：22212CRBCCIIIII222(1)22CRRIII222222CI电子信息工程学院电子信息工程学院 6. 多路电流源多路电流源（1 1）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE

11、1Re1 IE2Re2 IE3Re3电子信息工程学院电子信息工程学院（2 2）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根据所需静态电流，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个集电区的面积分别为设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则，则02C0C201C0C1SSIISSII，电子信息工程学院电子信息工程学院（3 3）MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极管的漏极电流正比于沟道电流正比于沟道的宽长比。的宽长比。 设宽长比设宽长比W/L=S，且，且T1T4的宽长比分别为的宽长比分别

12、为S0、S1、S2、S3，则，则03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基准电流基准电流电子信息工程学院电子信息工程学院 【例例】图所示电路为串级电流源，已知图所示电路为串级电流源，已知UBE=0.6V， 试求输出电流试求输出电流Io。 解解:mARUUUIUUURIBEBECCREFCCBEBEREF38. 1106 . 02154141mAIIREFo38. 1图3-22V4IREF UCC(15V)V3RV2Io IC2V110 k电子信息工程学院电子信息工程学院电流源主要应用：做直流偏置电路、做有源负载。电流源主要应用：做直流偏置电路、做有源负载。（以电流源取代电

13、阻做放大电路的负载，称为有源负载。（以电流源取代电阻做放大电路的负载，称为有源负载。利用电流源直流电阻小、交流电阻大的特性，可在不提高利用电流源直流电阻小、交流电阻大的特性，可在不提高电流电压的条件下获得较高的电压增益和较宽的动态范电流电压的条件下获得较高的电压增益和较宽的动态范围。）围。）电子信息工程学院电子信息工程学院 7. 有源负载有源负载1）用于共射放大电路）用于共射放大电路哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu电子信息工程学

14、院电子信息工程学院（2）用于差分放大电路）用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。0 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：电子信息工程学院电子信息工程学院 三、集成运放电路分析 1. 读图方法读图方法了解要分析的电路的应用场合、用途

15、和技术了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。指标。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。电路。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。能和性能。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。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。电子信息工程学院电子信息工程学院 2. 举例：举例：型号为型号为F007的通用型集成运放的通用型集成运放 对于集成运放电路，

16、应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，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。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。电子信息工程学院电子信息工程学院 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。找出偏置电路电子信息工程学院电子信息工程学院双端输入、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

17、失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简简化化电电路路分分解解电电路路电子信息工程学院电子信息工程学院输入级的分析输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9因为因为IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3

18、和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出电子信息工程学院电子信息工程学院输入级的分析输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源负的有源负载，而载，而T4又是又是T6的有源负载。的有源负载。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍数大、输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对高，并完成电平转换（即对“地地”输出）。输出）。电子信息工程学院电子信息工程学院中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切

19、措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级电子信息工程学院电子信息工程学院输出级的分析输出级的分析D1和和D2起过流保护作用，未过起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，导通，为为T14基极分流，从而保

20、护基极分流，从而保护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高电子信息工程学院电子信息工程学院判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端电子信息工程学院电子信息工程学院F007所具有的高性能所具有的高性能 Ad较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强 Ac较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强 rid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小 ro小：带负载能力强小：带负载能

21、力强 Uom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压 输入端耐压高：使输入端不至于击穿的输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。差模电压大。 uIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压电子信息工程学院电子信息工程学院四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK电子信息工程学院电子信息工程学院四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 输入失调电压输入失

22、调电压UIO mV 0UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 0IIO的温漂的温漂dIIO/dT() 几几nA/ 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。B2B1IOIII电子信息工程学院电子信息工程学院四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V-3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。最大差模输入电压最大差模输入电

23、压 UIdmax 30V超过此值输入级差分管将损坏。超过此值输入级差分管将损坏。上限截止频率。上限截止频率。maxOddtuSR 对大信号的反应速度对大信号的反应速度为什么这么低？为什么这么低？电子信息工程学院电子信息工程学院四四、集成运放的主要性能指标、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0 输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 IIO的温漂的温漂d

24、IIO/dT() 几几nA/ 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 电子信息工程学院电子信息工程学院五、集成运放的种类按工作原理按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性

25、按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大号控制那个通道的信号放大电子信息工程学院电子信息工程学院五、集成运放的种类按性能指标按性能指标rid，可高于，可高于1012。 用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。 fH和和SR高，高， fH可达可达1.7GHz，SR可达可达 103V/S。 用于用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。转换电路、视频放大器。低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增益， Aod高于高于105dB。 用于微弱信号的测量与运算、高精