集成运算放大电路

1、第四章 集成运算放大电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3 4.3 集成运放集成运放的的电路分析电路分析及其性能指标及其性能指标一、集成运放的特点（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用）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。差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作）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

2、阻。的大电阻。（4）采用复合管。）采用复合管。 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。4.14.1 概述 ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：KCMR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 Ao 很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+ uo u u+ uoAo国际符号国际符号国内符号国内符号二、集成运放电路的组成两个两个输入端输入端

3、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”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。双端输入、单端输出的差分放大电路。表示符号表示符号集成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用前置级，多采用差分放大电路差分放大电路。要求。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高小，输入端耐压高，抗干扰（零漂）。抗干扰（零漂）。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。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，最大不小，最大不失真输出电压尽可能大

4、。失真输出电压尽可能大。为各级为各级放大电路设置合适放大电路设置合适的静态工作点。采的静态工作点。采用用电流源电流源电路。电路。F007电路原理图解决的问题：解决的问题：（1）Q点的偏置：采用电流源。点的偏置：采用电流源。（2）抗干扰（零漂）：输入级采用差分放大电路。抗干扰（零漂）：输入级采用差分放大电路。（3）Ri，Ro0三、集成运放的符号及电压传输特性 集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。 高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影

5、响很小共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小 不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是VCC （常为（常为15V ）供电。）供电。1. 符号极性相同极性相同极性相反极性相反 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

6、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。2.电压传输特性: :输出电压与输入电压的函数关系输出电压与输入电压的函数关系2.电压传输特性: :输出电压与输入电压的函数关系输出电压与输入电压的函数关系)(NPodOuuAu)()(NPIOuufufu线性区线性区开环差模增益开环差模增益高达几十万倍高达几十万倍非线性区非线性区输出不是高电平输出不是高电平+UOM就是低电平就是低电平-UOM 若若UOM= 14V，Aod=105，则为保证集成运

7、放工作在线性区，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？输入信号的范围为多少？UOM的值决的值决定于什么？定于什么？3. 理想运放及其动态等效电路 理想运放的参数特点：理想运放的参数特点：(差模差模)输入电阻输入电阻rid为为、输出电阻、输出电阻ro为为0、开环差模增益开环差模增益Aod为为、共模抑制比、共模抑制比KCMR为为、频带无限宽、温度、频带无限宽、温度对参数无影响。对参数无影响。问题：1. 若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？可能工作在线性区吗？2. 负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压

8、变化吗？为负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为什么？什么？输入级输入级中间级中间级输出级输出级-VEE+VCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS例图：例图：输入级输入级中间级中间级输出级输出级+VCC-VEE u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输入级的要求对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高KCMR , , 输入阻抗输入阻抗Ri 尽可能大尽可能大。与与uo反相反相与与uo同相同相输入级输入级中间级中间级输出级输出级-VEE+VCC u+uo u反相反相输入端输

9、入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对中间级的要求对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。输入级输入级中间级中间级输出级输出级-VEE+VCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输出级的要求对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输主要提高带负载能力，给出足够的输出电流出电流 io。即输出阻抗。即输出阻抗 Ro小。小。一、镜像电流源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

10、源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负反电路中有负反馈吗？馈吗？基准电流基准电流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III4.24.2 集成运放中的电流源4.2.1 基本电流源电路T0T1+VCCRRe0Re1IRIC1IC0IB0+ IB1IB1IB0IE0IE1当当2时时, IC0IE0IR , IC1IE1 , e0C1Re1RIIRCCBERe0VUIRR基准电流基准电流E1e1E0e0Re0I RIRI Re0CCBEC1e1e0RVUIRRR恒流源恒流源Re1、Re0是电流负反馈电阻是电流负反馈电阻, 如何减少如何减少IC1 ?则：则：二、比例电流源二、比例

11、电流源三、微电流源eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU(UUIIIII，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。4.2.2 改进型镜像电流源改进型镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU ，E20212211IIIIIIIII RCBCCBCC()()基准电流基

12、准电流RIII R22C2 CC0C1III 在镜像电流源中，若在镜像电流源中，若很小时，比如很小时，比如=10，则，则IC1=0.833IR，与，与IR相差很大。相差很大。若若=10，则，则IC1=0.982IRIR。图中图中Re2作用：作用：增大增大IE2=IB0+IB1+IRe2, ,增大增大T2的的, 使使IC1更接近于更接近于IR应用举例应用举例1 请判断电路中哪只管子为放大管？其集电极静态电流约为多少？请判断电路中哪只管子为放大管？其集电极静态电流约为多少？写出电压放大倍数表达式。写出电压放大倍数表达式。be1bLce2ce11)( rRRrrAu RVVIIBECCRC31 T1

13、管为放大管，管为放大管，T2、T3组成镜像电流源。组成镜像电流源。4.2.3 多路电流源 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。选取发射极电阻的数值。 根据所需静态电流，来根据所需静态电流，来确定集电结面积。确定集电结面积。 根据所需静态电流，根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。来确定沟道尺寸。根据所需静态电流选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流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 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3多路电流源多路电流

14、源4.2.4 有源负载哪只管子为放大管？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用于共射放大电路2. 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 使单端输出电路的使单端输出电路的差模放大倍数近似等差模放大倍数近似等于双端输出时的差模于双端输出时的差模放大倍数。放大倍数。0

15、C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：2GS(off)GSDSSL)1(UUII sLGSRIU sdso)1(RRgrRsm FET电流源电路电流源电路例例1：图示为简化的高精度运放电路原理图，试分析：图示为简化的高精度运放电路原理图，试分析：（1）两个输入端中哪个是同相输入端，哪个是反相输入端；）两个输入端中哪个是同相输入端，哪个是反相输入端；（2）T3与与T4的作用；（的作用；（3）电流源）电流源I3的作用；（的作用；（4）D2与与D3的作用。的作用。 解：（解：（1）uI1为反相输入端，为反相输入端，uI2为同相输入端。为同相输入端。

16、 （2）为）为T1和和T2管的有源负载，使单端输出差分放大电路的差模放大倍管的有源负载，使单端输出差分放大电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的放大倍数。数近似等于双端输出时的放大倍数。 （3）为）为T6设置静态电流，且为设置静态电流，且为T6的集电极有源负载，增大共射放大电的集电极有源负载，增大共射放大电路的放大能力。路的放大能力。 （4）消除交越失真。）消除交越失真。一、读图方法了解要分析的电路的应用场合、用途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。

17、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。4.34.3 集成运放的电路分析及其性能指标二、举例：F007通用型集成运放通用型集成运放 对于集成运放电路，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。原理电路的分析 若在集

18、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。IR微电流源微电流源镜像电流源镜像电流源按信号流通顺序分析放大电路部分双端输入、单端输双端输入、单端输出差分放大电路出差分放大电路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共射恒流源作负载的共射放大电路放大电路用用UBE倍增电路消除倍增电路消除交越失真的交越失真的准互补准互补输出级输出级 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

19、置电路中的基准电流。找出偏置电路双端输入、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化电路分解电路输入级的分析 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IC

20、8为镜像关系为镜像关系IC9，因，因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和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出输入级的分析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，增的有源负载，增大电压放大倍数。大电压放大倍数。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、共输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对完

21、成电平转换（即对“地地”输出）。输出）。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输出级的分析 D1和和D2起过流保护作用，未起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。过流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定

22、程度，增大到一定程度，D1导导通，为通，为T14基极分流，从而保基极分流，从而保护护了了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 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。1) 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod 无外加反馈回路的差

23、模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间之间, ,理想理想运放的运放的Aodod为为 。2) 共模抑制比共模抑制比KCMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上以上。3) 差模输入电阻差模输入电阻RidRid1M , 有的可达有的可达100M 以上。以上。AuuuodOPN=/ (-)三、集成运放的主要性能指标 4) 输出电阻输出电阻Ro= =几几 - - 几十几十 。5) 最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmax 为输入级能正常工作的情况下允许输入的最大共模信号为输入级能正常工作的情况下允许输入的最大共模信号6) 最大差模输入电压最大差模输

24、入电压UIdmax 当输入电压大于此值时，输入级将损坏当输入电压大于此值时，输入级将损坏7) 3dB带宽带宽fH fH是使是使Aod下降下降3dB(即下降到即下降到0.707倍倍)时的信号频率时的信号频率还有其它一些反映运放对称性、零漂等的参数。参见书还有其它一些反映运放对称性、零漂等的参数。参见书P203-205。讨论一1. 输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端积累电流放大积累电流放大系数系数超超管管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，输出量为电流跨导型：输入量为电压，输出量为电流互阻型：输入量为电流，输出量为电压互阻型：输入量为电流，输出量为电压按可控性按可控性可控增益：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