集成运算放大电路(同名709)课件

本章目录第5章集成运算放大电路集成放大电路的特点5.1集成运放的主要技术指标5.2集成运放的基本组成部分5.3集成运放的典型电路5.4理想运算放大器5.5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5.7本章目录第5章集成运算放大电路集成放大电路的特点5.1集成1掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；理解：差分放大电路的组成和工作原理；差分放大电路四种输入输出方式时差分放大电路的性能特点；各种电流源的工作原理；集成运算放大器的主要技术指标的含义；理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义。了解：集成运放内部结构的特点，各个基本组成部分的作用；不同类型集成运放的性能特点；集成运放使用过程中的具体问题。掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；2集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。5.1集成放大电路的特点集成电路简称IC(IntegratedCircuit3集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式4集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。2.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。3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。4.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。5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的≤10。集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路5+A反相输入端同相输入端输出端图5.2.1运算放大器的符号5.2集成运放的主要技术指标uo++Au+u––+A反相输入端同相输入端输出端图5.2.1运算放61、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod为100~140dB。2、输入失调电压UIO定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO为1~10mV；高质量运放：UIO为1mV以下。将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。1、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝73、输入失调电压温漂UIO

定义：一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；4、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，即定义：输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。一般运放为几十~一百nA；高质量的低于1nA。3、输入失调电压温漂UIO定义：一般运放为每度1085、输入失调电流温漂IIO定义：一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。6、输入偏置电流IIB定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。5、输入失调电流温漂IIO定义：一般运放为每度几纳安；97、差模输入电阻rid8、共模抑制比KCMR定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。7、差模输入电阻rid8、共模抑制比KCMR定义：一般集109、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。10、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压。11、-3dB带宽fH表示Aod下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。9、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。1112、单位增益带宽BWG

Aod降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。13、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，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要大于集成运放的SR值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。12、单位增益带宽BWGAod降至0dB时的12实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。输入级中间级输出级偏置电路5.3集成运放的基本组成部分输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，通常采用差动放大器，以减小零点漂移；中间放大级主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。偏置电路主要为各级放大器提供合适的静态工作电流，它与分立元件的偏置电路有较大区别。输出级的任务是进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用互补对称的功率放大器。实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接13ABAB145.3.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。各个放大级对偏置电流的要求各不相同。对于输入级，通常要求提供一个比较小(一般为微安级)的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等。在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：镜像电流源、比例电流源和微电流源。5.3.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各151、镜像电流源则基准电流特点：T1T2参数完全相同，

UBE1=UBE2IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC整理得一般>>2时，则输出电流IC2看作是IREF的镜像，因而称为镜像电流源。T1集电极电流+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2图5.3.1镜像电流源1、镜像电流源则基准电流特点：T1T2参数完全相同，UBE16优点：结构简单；有一定的温度补偿作用。+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2IC1IC1IREFIB1UBEURIC自动稳定过程如下：缺点：不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。优点：+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB2217+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE22、比例电流源R1R2由图可得基极电位UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，则忽略基极电流，可得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。图5.3.2比例电流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBI18优点：结构简单；有较好的温度补偿作用。若输入级要求提供μA级的偏置电流，则所用的电阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。缺点：+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。优点：若输入级要求提供μA级的偏置电流，则所用的电阻将达到兆193、微电流源在模拟集成电路中，器件的工作电流很小，一般在μA级以下。如果用以上电流源，要求电阻达到几百千欧以上，这在集成电路中是很难达到的。可以在镜像电流源的基础上接入电阻Re2。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re2由于ΔUBE很小，所以IC2也很小，因此称为微电流源。图5.3.3微电流源引入Re2后，UBE2<UBE1，IC2<<IC1，3、微电流源在模拟集成电路中，器件的工作电流很20+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系因二极管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。图5.3.4微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系21与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：①当电源电压VCC变化时，虽然IREF和IC1也要作同样的变化，但由于Re的负反馈作用，IC2的变化将要小得多，因此提高了恒流源对电源变化的稳定性。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re2②当温度上升时，IC2将要增加，但UBEl将下降，此时UBE2=UBE1-IC2Re，将下降更多，所以对IC2的增加有抑制作用，从而提高了恒流源对温度变化的稳定性。与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：+VCCRI225.3.2差分放大输入级电路形式基本形式长尾式恒流源式集成运放是一种高增益的直接耦合放大器，输入级的性能对整个运放性能的影响至关重要。因此，集成运放的输入级一般都采用高性能的差动放大电路，以克服温度带来的零点漂移问题。5.3.2差分放大输入级电路形式基本形式长尾式恒流源式23一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2图5.3.5差分放大电路的基本形式uo=VC1－VC2

=0静态时，ui1

=

ui2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0当温度升高时电路结构对称，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT124+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R2+++–––VT2+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R252、差模输入电压和共模输入电压②共模输入电压：①差模输入电压：差模分量+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R22、差模输入电压和共模输入电压②共模输入电压：①差模输入电压26③比较输入电压:既非差模，又非共模，大小极性任意差模分量共模分量+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R2+++–––VT2③比较输入电压:既非差模，又非共模，大小极性任意差模分量27例:

uI1=20mv,uI2=10mv分解差模电压:uIduI1-

uI2=共模电压:uIc2uI1

+

uI2=这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。则：uId=10mv,uIc=15mv+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2例:uI1=20mv,uI2=10mv分283、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比差模电压放大倍数为共模电压放大倍数：共模抑制比KCMR3、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比差模电压29（1）差模电压放大倍数+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2（2）共模电压放大倍数+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR差模信号：共模信号：抑制放大（1）差模电压放大倍数+VCCRc2+VT1VT2Rb2R30（3）共模抑制比KCMRKCMR描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=∞；（3）共模抑制比KCMRKCMR描述差分放大电路对零点漂31二、长尾式差分放大电路1.电路组成Re称为“长尾电阻”

共模负反馈。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路Re对差模信号相当于短路；对共模信号相当于发射极接了2Re的电阻。对共模信号有负反馈，而对差模无反馈。二、长尾式差分放大电路1.电路组成Re称为“长尾电阻”32Re使共模电压放大倍数Ac减小，但对差模电压放大倍数Ad没有影响。因此提高了电路的共模抑制比。其值越大，抑制零点漂移的效果越好。但Re越大，其压降越大，为补偿设置了负电源-VEE，以免输出电压变化范围太小。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路Re使共模电压放大倍数Ac减小，但对差模电压放大倍数Ad没有332.静态分析当uI=0时，由于电路结构对称，故：IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则ICQ

IBQ(对地)图5.3.7长尾式差分放大电路+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路2.静态分析当uI=0时，由于电路结构对称，故：I343.动态分析差模电压放大倍数为+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe差模输入电阻为差模输出电阻为3.动态分析差模电压放大倍数为+VCCRc+VT1VT2R35图5.3.9接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe差模输入电阻为差模输出电阻为差模电压放大倍数为两侧参数不完全对称时能使静态的输出电压为零，常常接入调零电位器。图5.3.9接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2R36例=80，rbb=200，UBEQ=0.6V，VCC=12V试求：(1)静态值ICQ、UCQ；(2)若RL=20k，求差模电压放大倍数Aud，差模输入电阻RId，输出电阻Rod。ui1V1+VCCV2-VCCRCRCREui210k10k20kuo例=80，rbb=200，UBEQ=037[解](1)

ICQ1=ICQ2=(12–0.6)/220=0.285(mA)UCQ1=UCQ2==12–0.28510=9.15(V)(VCC

–

UBEQ)/2RE

VCC–ICQ1RCui1V1+VCCV2-VCCRCRCREui210k10k20kuo[解](1)ICQ1=ICQ2=(12–0.38ui1V1+12VV212VRCRCREuodui210k10k20k20kRid=2rbe=27.59=15.2(k)Rod=2RC=20(k)(2)差模电压放大倍数Aud，Rid，Rod。ui1V1+12VV212VRCRCREuodui210k39uC2(2)若Aud=–50、Auc=–0.05求输出电压uo，及KCMR1.01V0.99V(1)求差模输入电压uId、共模输入电压uIc例ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuoui2uC1uC2(2)若Aud=–50、Auc=–401.01V0.99Vui1V1+VCCV2VEERCRCREEuoui2uC1uC2[解]可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和(1)uI1=1.01=1.00+0.01(V)uI2=0.99=1.00–0.01(V)uId=uI1

–uI2uIc=(uI1+uI2)/2=0.02(V)=1(V)(1)求差模输入电压uId、共模输入电压uIc1.01V0.99Vui1V1+VCCV2VEERCRC41uod=AuduId=–500.02=–

1(V)uoc=AucuIc=–0.051=–0.05(V)uo=AuduId+AucuIc=–1.05(V)=60(dB)ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuoui2uC1uC2(2)若Aud=–50、Auc=–0.05求输出电压uo，及KCMRuod=AuduId=–500.02=–42三、恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.电路组成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。图5.3.10恒流源式差分放大电路ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0恒流源式差分放大电路的简化表示用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路三、恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1432.静态分析当忽略VT3的基极电流时，Rb1上的电压为uI1RcVT1VT2Rc+uoRRuI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到图5.3.11恒流源式差分放大电路2.静态分析当忽略VT3的基极电流时，Rb1上的443.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+3.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电45例

=100(1)求静态工作点；(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)求“Q”ICQ1=ICQ2=0.5IC3UCQ1=UCQ2=VCC-IC1RC=6–0.427.5=2.85(V)ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2kRP=100R1例=100(1)求静态工作点；(2)求电路的差模Au46

=100(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREF+6V6V1001007.5k7.5k6.2kRP=100R1Rod=2RC=15(k)=100(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。ui47四、差分放大电路的输入、输出接法差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。当输入、输出端的接法不同时，放大电路的某些性能指标和特点也有所不同。四、差分放大电路的输入、输出接法差分输入、双端输出；差分输入481.差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图5.3.12(a)差分输入、双端输出1.差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIu492.差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo若由VT2集电极输出，uO为“正”。图5.3.12(b)差分输入、单端输出2.差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIu503.单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+图5.2.16(c)单端输入、双端输出差模分量3.单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+514.单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改从VT2集电极输出，则图4.2.16(d)单端输入、单端输出4.单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+52结论

(1)双端输出时，Ad与单管Au基本相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。

(2)双端输出时，理想情况下，KCMR

→

；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。

(3)单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。

(4)单端输入时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。

(5)单端输出时，Rid

2(R+rbe)。结论(1)双端输出时，Ad与单管Au基本相同；53差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高很高较高较高RidRo差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差54差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。1.Ad约为双端输出时的一半。2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于将单端输入转换为双端输出。1.Ad约为双端输出时的一半。2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差555.3.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的输入电阻，减小对前级的影响；能向输出级提供较大的推动电流。为提高电压放大倍数，集成运放的中间级经常利用三极管作为有源负载，放大管采用复合管的形式。输入级中间级输出级偏置电路5.3.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。561、有源负载（1）定义：利用BJT或FET（有源器件）充当负载电阻。电流源在集成电路中除了作为偏置电路外，还可作为放大器的有源负载，以提高电压放大倍数。共射极RC越大，放大倍数越大。但RC增大，会影响静态工作点，使动态工作范围减小；集成电路不便于制造大电阻。用电流源(rce值很大)代替RC，可有效地提高电压放大倍数。由于电流源动态电阻大，可以使输出电流几乎全部流向负载，故电压放大倍数得到有效提高+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO1、有源负载（1）定义：利用BJT或FET（有源器件）充当负57（2）有源负载的差分放大电路VT1、VT2为放大三极管；VT3、VT4为镜像电流源，分别作为VT1、VT2的有源负载。+VCCVT1VT4VT3+uIioVT2IVEEic3ic1ic4ic2该电路有相当于双端输出时的io,在集成运放中的应用十分广泛。图5.2.17有源负载的差分放大电路双入单出结构：静态时工作电流由恒流源I决定；输出电流io==2ic4

ic4

-

ic2输入差模信号时，ic1≈

-

ic2VT3、VT4镜像，ic1≈ic4（2）有源负载的差分放大电路VT1、VT2为放大三极管；+582、复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数β，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响，特别是在前级采用有源负载时，其效果是提高了集成运放总的电压放大倍数。VT1VT2

1

2

rbe=rbe1+(1+1)rbe22、复合管集成运放的中间级采用复合管时，不59图5.2.18有源负载单管共射放大电路VT1、VT2：放大三极管；VT3：有源负载；VT3、VT4镜像电流源。基准电流3、采用复合管和有源负载的共射极放大电路≈Ic3Ic2

+VCCVT1VT3VT4RIREF++uIuOVT2Ic3

图5.2.18有源负载单管共射放大电路VT1、VT2605.3.4输出级输入级中间级输出级偏置电路任务：提供足够的输出功率。要求：较高的输出功率以满足负载；较低的输出电阻以增强带负载的能力；较高的输入电阻以免影响前级电压放大倍数；较小的输出波形失真；较好的过载保护措施。5.3.4输出级输入级中间级输出级偏置电路任务：提供足够的611、互补对称输出级为避免交越失真，实际常采用甲乙类的OTL、OCL电路。R1VT1R2+uoRuI+VCCic2VT2ic1iB2iB1iLRL-VCCNPNPNPVD1VD2图5.2.21互补对称输出级集成运放的功率比较大时，常采用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电流太大。说明（1）工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强。（2）R1、R、R2、VD1、VD2支路能够减小失真，改善波形。1、互补对称输出级为避免交越失真，实际常采用甲乙类的OTL、62由复合管组成的功率输出级图5.2.23由互补对称电路Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCNPNVD1VD2VT1NPNVT3PNPPNPVT4图5.2.24准互补对称电路Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1VT3VT4Rc1Rc2改进：由复合管组成的功率输出级图5.2.23由互补对称电路Rb632、过载保护电路（1）二极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保护元件：VD3、VD4、Re1、Re2。输出电流正常，VD3、VD4截止，保护不起作用；若VT1正向IC1，URe1

，VD3导通，IB1，IC1。输出电流无法增大，保护功率管VT1。若VT2反向电流IC2，URe2

，VD4导通，IB2，IC2。避免VT2电流过大。图5.2.25过载保护电路→保护功率管2、过载保护电路（1）二极管保护电路Rb1Rb2uo+VCC64（2）三极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVT3VT4Re1Re2保护元件：工作原理与二极管保护原理类似。VT3、VT4、Re1、Re2。Re愈大，则IEm愈小；温度升高，UD、UBE降低，IEm减小。更有利于保护在高温下的集成运放。图4.2.25过载保护电路允许功率管输出的最大电流（2）三极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VC65典型的集成运放双极型集成运放LM741CMOS集成运放C145735.4集成运放的典型电路LM741是美国国家半导体公司的集成运放产品，国内同类产品的型号：F007、5G24等，国外同类产品有μA741、F741、AD741以及μPC741等。

C14573由CMOS工艺制成，每个芯片内集成了四个结构相同的运算放大器。典型的集成运放双极型集成运放LM741CMOS集成运放665.4.1双极型集成运放LM741图5.4.1LM741的引脚及连接示意图5.4.1双极型集成运放LM741图5.4.1LM767一、电路原理图LM741电路原理图AB一、电路原理图LM741电路原理图AB68图5.4.2F007电路原理图图5.4.2F007电路原理图69微电流源镜像电流源1.偏置电路+VCCVT8-VEEVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至输入级基准电流：基准电流产生各放大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系：IREFIC11IC10I3,4IC9IC8IC13镜像电流源输入级输出级图5.4.3F007的偏置电路至输出级微电流源镜像电流源1.偏置电路+VCCVT8-VEEVT9702.输入级VT1、VT2、VT3、VT4组成共集-共基差分放大电路电路；VT1、VT2基极接收差分输入信号。VT5、VT6有源负载；VT4集电极送出单端输出信号至中间级。+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9uI1uI2uO

RW调零电阻，R外接电阻。VT7与R2组成射极输出器。图5.4.4I82.输入级VT1、VT2、VT3、VT4组成共集-71若暂不考虑VT7和调零电路则电路可简化为：+VCC-VEEI3,4VT4VT2VT3VT1I8RCRCuI1uI2uO1.VT1、VT2共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。2.共基组态的VT3、VT4，与有源负载VT5、VT6组合，可以得到很高的电压放大倍数。3.VT3、VT4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，提高共模抑制比。图5.4.5简化示意图若暂不考虑VT7和调零电路则电路可简化为：+VCC-VE723.中间级图4.3.6中间级示意图+VCC-VEEVT15VT16IC13R7VT17R830pF输入来自VT4和VT6集电极；输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。中间级VT16、VT17组成复合管，VT13作为其有源负载。8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。至输出3.中间级图4.3.6中间级示意图+VCC-VEEVT734.输出级IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD1R9R10VT19VT18R7VT15VD2图5.4.7F007输出级原理电路

VT14、VT18、VT19准互补对称电路；

VD1、VD2、R9、R10

过载保护电路；VT15、R7、R8

为功率管提供静态基流。调节R7、R8阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为UBE扩大电路。4.输出级IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD745.4.2CMOS集成四运放C14573第二级由NMOS管N3组成共源极放大电路，PMOS管P2为有源负载。电容C是已经做在电路内部的校正电容，跨接在N3的漏、栅之间，用以防止产生自激振荡。每一个运放单元内部由两级放大电路构成。第一级为PMOS管P3、P4组成的共源极差分放大输入级。NMOS管N1、N2为其有源负载。Pl为恒流管，它和P0构成一对镜像电流源。外接偏置电阻Rset用以设置工作电流。差放输入级采用双端输入、单端输出的形式。5.4.2CMOS集成四运放C14573第二级由NMOS75一、高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。二、低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。5.5各类集成运放的性能特点一、高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很76三、高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、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。四、高速型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1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：三、高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻77常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。六、大功率型性能特点：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。常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高785.6.1集成运放参数的测试5.6集成运放使用中的几个具体问题当选定集成运放的产品型号后，通常只要查阅有关器件手册即可得到各项参数值，而不必逐个测试。但是手册中给出的往往只是典型值，由于材料和制造工艺的分散性，每个运放的实际参数与手册上给定的典型值之间可能存在差异，因此有时仍需对参数进行测试。参数的测试可以采用一些简易的电路和方法手工进行。在成批生产或其他需要大量使用集成运放的场合，也可以考虑利用专门的参数测试仪器进行自动测试。集成运放各项参数的具体测试方法请参阅有关文献，此处不再赘述。5.6.1集成运放参数的测试5.6集成运放使用中的几个具795.6.2使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因将集成运放与外电路接好并加上电源后，有时可能出现一些异常现象。此时应对异常现象进行分析，找出原因，采取适当措施，使电路正常工作。常见的有：5.6.2使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器802.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射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原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大2.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰815.6.3集成运放的保护1.输入保护(a)反相输入保护(b)同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuIuO+AR1RFVD1VD2uI图5.6.1输入保护限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管的正向导通电压。限制集成运放的共模输入电压不超过-V到+V的范围。5.6.3集成运放的保护1.输入保护(a)反相输入保护822.电源极性错接保护保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护保护元件：稳压管VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI图5.6.3利用稳压管保护运放图5.6.2电源接错保护为了防止正、负两路电源的极性接反输出电压过高，稳压管击穿，输出电压限制在稳压值，避免损坏。2.电源极性错接保护保护元件：VD1、VD23.输出端83+Aodu+u-uO5.7.1集成运算放大器的电压传输特性5.7集成运放的电压传输特性和理想模型电压传输特性:是指开环时，输出电压与差模输入电压之间的关系。即：

uo=Aod(u+-u-)=Aod

·uId

+UOPP-UOPP+Aodu+u-uO5.7.1集成运算放大器的电压传输特性84线性区：uo

=Aod(u+–u–)非线性区：uId>Uim，即u+>u–

时，uo=+UOPP

uId<-Uim，即u+<u–

时，uo=–UOPP由上述分析可见，运放的线性范围是非常小的，若开环使用，很难实现输出与输入电压之间的线性关系，输入信号稍微大一点，输出便进入饱和状态。因此，作为放大器，运放不能开环使用，必须加负反馈才能使其工作在线性区域。+UOPP-UOPP线性区：非线性区：由上述分析可见，运放的线性范围是非常小的851、理想运放的参数开环差模电压增益Aod=∞；输出电阻Ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模输入电阻Rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；输入偏置电流IIB=0；开环带宽=∞。5.7.2集成运算放大器的理想模型理想运放的符号1、理想运放的参数开环差模电压增益Aod=∞；输出电862、理想运放的特性即——“虚短”Rid=∞，两个输入端均没有电流，即——“虚断”线性区分析出发点+Aod2、理想运放的特性即——“虚短”Rid=∞，两个输入端均87（1）运放工作在线性区。“虚短”和“虚断”是分析各种运放构成的线性电路的基本出发点或基本依据，希望牢牢记住！3．分析运放电路的基本依据（2）运放工作在非线性区u+>u–

时，uo=+Uopp

u+<u–

时，uo=–Uopp

u+–u–

uo+Uopp–Uopp理想特性实际特性O（1）运放工作在线性区。3．分析运放电路的基本依据（2）运放88掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；理解：差分放大电路的组成和工作原理；差分放大电路四种输入输出方式时差分放大电路的性能特点；各种电流源的工作原理；集成运算放大器的主要技术指标的含义；理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义。了解：集成运放内部结构的特点，各个基本组成部分的作用；不同类型集成运放的性能特点；集成运放使用过程中的具体问题。掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；89本章目录第5章集成运算放大电路集成放大电路的特点5.1集成运放的主要技术指标5.2集成运放的基本组成部分5.3集成运放的典型电路5.4理想运算放大器5.5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5.7本章目录第5章集成运算放大电路集成放大电路的特点5.1集成90掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；理解：差分放大电路的组成和工作原理；差分放大电路四种输入输出方式时差分放大电路的性能特点；各种电流源的工作原理；集成运算放大器的主要技术指标的含义；理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义。了解：集成运放内部结构的特点，各个基本组成部分的作用；不同类型集成运放的性能特点；集成运放使用过程中的具体问题。掌握：差动放大电路静态和动态参数的分析方法；91集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。5.1集成放大电路的特点集成电路简称IC(IntegratedCircuit92集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式93集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。2.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。3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。4.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。5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的≤10。集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路94+A反相输入端同相输入端输出端图5.2.1运算放大器的符号5.2集成运放的主要技术指标uo++Au+u––+A反相输入端同相输入端输出端图5.2.1运算放951、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod为100~140dB。2、输入失调电压UIO定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO为1~10mV；高质量运放：UIO为1mV以下。将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。1、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝963、输入失调电压温漂UIO

定义：一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；4、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，即定义：输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。一般运放为几十~一百nA；高质量的低于1nA。3、输入失调电压温漂UIO定义：一般运放为每度10975、输入失调电流温漂IIO定义：一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。6、输入偏置电流IIB定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。5、输入失调电流温漂IIO定义：一般运放为每度几纳安；987、差模输入电阻rid8、共模抑制比KCMR定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。7、差模输入电阻rid8、共模抑制比KCMR定义：一般集999、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。10、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压。11、-3dB带宽fH表示Aod下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。9、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。10012、单位增益带宽BWG

Aod降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。13、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，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要大于集成运放的SR值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。12、单位增益带宽BWGAod降至0dB时的101实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。输入级中间级输出级偏置电路5.3集成运放的基本组成部分输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，通常采用差动放大器，以减小零点漂移；中间放大级主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器。偏置电路主要为各级放大器提供合适的静态工作电流，它与分立元件的偏置电路有较大区别。输出级的任务是进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用互补对称的功率放大器。实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接102ABAB1035.3.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。各个放大级对偏置电流的要求各不相同。对于输入级，通常要求提供一个比较小(一般为微安级)的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等。在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：镜像电流源、比例电流源和微电流源。5.3.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各1041、镜像电流源则基准电流特点：T1T2参数完全相同，

UBE1=UBE2IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC整理得一般>>2时，则输出电流IC2看作是IREF的镜像，因而称为镜像电流源。T1集电极电流+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2图5.3.1镜像电流源1、镜像电流源则基准电流特点：T1T2参数完全相同，UBE105优点：结构简单；有一定的温度补偿作用。+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2IC1IC1IREFIB1UBEURIC自动稳定过程如下：缺点：不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。优点：+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22106+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE22、比例电流源R1R2由图可得基极电位UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，则忽略基极电流，可得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。图5.3.2比例电流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBI107优点：结构简单；有较好的温度补偿作用。若输入级要求提供μA级的偏置电流，则所用的电阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。缺点：+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2R1R2不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。优点：若输入级要求提供μA级的偏置电流，则所用的电阻将达到兆1083、微电流源在模拟集成电路中，器件的工作电流很小，一般在μA级以下。如果用以上电流源，要求电阻达到几百千欧以上，这在集成电路中是很难达到的。可以在镜像电流源的基础上接入电阻Re2。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re2由于ΔUBE很小，所以IC2也很小，因此称为微电流源。图5.3.3微电流源引入Re2后，UBE2<UBE1，IC2<<IC1，3、微电流源在模拟集成电路中，器件的工作电流很109+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系因二极管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。图5.3.4微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系110与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：①当电源电压VCC变化时，虽然IREF和IC1也要作同样的变化，但由于Re的负反馈作用，IC2的变化将要小得多，因此提高了恒流源对电源变化的稳定性。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re2②当温度上升时，IC2将要增加，但UBEl将下降，此时UBE2=UBE1-IC2Re，将下降更多，所以对IC2的增加有抑制作用，从而提高了恒流源对温度变化的稳定性。与镜像电流源相比，微电流源具有以下特点：+VCCRI1115.3.2差分放大输入级电路形式基本形式长尾式恒流源式集成运放是一种高增益的直接耦合放大器，输入级的性能对整个运放性能的影响至关重要。因此，集成运放的输入级一般都采用高性能的差动放大电路，以克服温度带来的零点漂移问题。5.3.2差分放大输入级电路形式基本形式长尾式恒流源式112一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2图5.3.5差分放大电路的基本形式uo=VC1－VC2

=0静态时，ui1

=

ui2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0当温度升高时电路结构对称，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT1113+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R2+++–––VT2+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R1142、差模输入电压和共模输入电压②共模输入电压：①差模输入电压：差模分量+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R22、差模输入电压和共模输入电压②共模输入电压：①差模输入电压115③比较输入电压:既非差模，又非共模，大小极性任意差模分量共模分量+VCCuouI1Rc1Rb1VT1R1Rc2uI2Rb2R2+++–––VT2③比较输入电压:既非差模，又非共模，大小极性任意差模分量116例:

uI1=20mv,uI2=10mv分解差模电压:uIduI1-

uI2=共模电压:uIc2uI1

+

uI2=这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。则：uId=10mv,uIc=15mv+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2例:uI1=20mv,uI2=10mv分1173、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比差模电压放大倍数为共模电压放大倍数：共模抑制比KCMR3、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比差模电压118（1）差模电压放大倍数+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2（2）共模电压放大倍数+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR差模信号：共模信号：抑制放大（1）差模电压放大倍数+VCCRc2+VT1VT2Rb2R119（3）共模抑制比KCMRKCMR描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=∞；（3）共模抑制比KCMRKCMR描述差分放大电路对零点漂120二、长尾式差分放大电路1.电路组成Re称为“长尾电阻”

共模负反馈。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路Re对差模信号相当于短路；对共模信号相当于发射极接了2Re的电阻。对共模信号有负反馈，而对差模无反馈。二、长尾式差分放大电路1.电路组成Re称为“长尾电阻”121Re使共模电压放大倍数Ac减小，但对差模电压放大倍数Ad没有影响。因此提高了电路的共模抑制比。其值越大，抑制零点漂移的效果越好。但Re越大，其压降越大，为补偿设置了负电源-VEE，以免输出电压变化范围太小。+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路Re使共模电压放大倍数Ac减小，但对差模电压放大倍数Ad没有1222.静态分析当uI=0时，由于电路结构对称，故：IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则ICQ

IBQ(对地)图5.3.7长尾式差分放大电路+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uI+uoRR-VEERe图5.3.6长尾式差分放大电路2.静态分析当uI=0时，由于电路结构对称，故：I1233.动态分析差模电压放大倍数为+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe差模输入电阻为差模输出电阻为3.动态分析差模电压放大倍数为+VCCRc+VT1VT2R124图5.3.9接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe差模输入电阻为差模输出电阻为差模电压放大倍数为两侧参数不完全对称时能使静态的输出电压为零，常常接入调零电位器。图5.3.9接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2R125例=80，rbb=200，UBEQ=0.6V，VCC=12V试求：(1)静态值ICQ、UCQ；(2)若RL=20k，求差模电压放大倍数Aud，差模输入电阻RId，输出电阻Rod。ui1V1+VCCV2-VCCRCRCREui210k10k20kuo例=80，rbb=200，UBEQ=0126[解](1)

ICQ1=ICQ2=(12–0.6)/220=0.285(mA)UCQ1=UCQ2==12–0.28510=9.15(V)(VCC

–

UBEQ)/2RE

VCC–ICQ1RCui1V1+VCCV2-VCCRCRCREui210k10k20kuo[解](1)ICQ1=ICQ2=(12–0.127ui1V1+12VV212VRCRCREuodui210k10k20k20kRid=2rbe=27.59=15.2(k)Rod=2RC=20(k)(2)