第14讲 集成运算电路

多级放大电路基本放大电路差分放大电路直接耦合互补输出级第一级末级集成集成运算放大电路分立元件放大电路集成电路的发展历程4.1集成运算放大电路概述

4.1.1集成电路的结构特点1集成？采用一定的制造工艺，将晶体管、二极管、电阻、电容等许多元件构成的完整的电路制作在同一半导体基片上，加以封装。2大规模集成电路②硅片的面积只有几十平方毫米①一个集成块内包含有一千个以上元器件运算放大器外形图③相邻元件具有良好的对称性受环境温度等影响的变化相同差分放大电路④允许采用复杂的电路形式以提高各方面性能。∴集成运放的体积越来越小，功能却越来越强⑤采用复合管3集成电路的特点①硅片上不能制作大电容直接耦合方式②硅片上不能制作高阻值电阻用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。4理想运算放大器开环电压放大倍数Auo→∞差模输入电阻Rid→∞开环输出电阻Ro→0高性能：高输入电阻，低输出电阻，高差模放大倍数，能较好抑制温漂的差分放大电路。

∴集成运算放大电路是一个高性能的直接耦合放大电路。4.1.2集成运算放大电路的组成及各部分的作用输入级偏置电路中间级输出级upuNuo输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。4.1.3集成运放的电压传输特性－＋＋

uN

up

uo＋－uNupuo1集成运放的符号集成运放有同相输入端和反相输入端。Up:输入电压与输出电压同相，为同相输入端。UN:输入电压与输出电压反相，为反相输入端。ui=up-uNUOM-UOM线性区uo=Aod(uP-uN)饱和区uo=±UOM由于Aod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(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。

两个输入端加入微小的电压，输出电压都将超出其线性范围，达到±UOM，所以必须引入负反馈才能保证集成运放工作在线性区。2电压传输特性uO=f(uP-uN)运算放大器工作在线性区时，分析依据：虚开路(1)由于运算放大器的差模输入电阻rid,可认为两个输入端的输入电流为零。即：uo=Auo(u+-u-)虚短路(2)由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo而输出电压是一个有限的数值,即:T0、T1两只管子特性完全相同UBE0=UBE1IB0=IB1IC0=IC1IR=IC0+2IBIB0=IB1=IBIC0=IC1=IC4.2集成运放中的电流源电路4.2.1基本电流源电路（1）镜像电流源IC0，IC1呈镜像关系∴此电路为镜像电流源。电阻R中的电流IR为基准电流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。电路中有负反馈吗？有，见P189基准电流②若β较小，只有几到十几倍①若β>>2若β=10问题2：ＶCC一定，如何改变输出电流IC1？IC1≈IR∴IR↑，电阻的功耗增大①要增大IC1②要减小IC1增大电阻R不利于集成化问题1：晶体管构成的电流源是否具有温度稳定性？β较小，可采用改进型的电流源+VccRT0T1Re0Re1UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1UBE0≈UBE1IE0Re0≈IE1Re1IB0IB1IE1IE0IB0+IB1Ic1IRIc0右边电路：IC1≈IE1左边电路：IR≈IC0≈IE0（2）比例电流源首先求出基准电流

输出电流IC与IR成比例，可大于或小于IR，克服了镜像电流源的缺点。REO、RE1是电流反馈电阻，IC1具有温度稳定性（3）微电流源

集成运放输入级放大管的集电极静态电流很小，又不能用大电阻，可以采用微电流源。将比例电流源中的Re0减小到0.IC1≈IE1+VccRT0T1Re1IB0IB1IE1IB0+IB1Ic1IRIC0利用图解法或累试法求解超越方程IR≈IC0≈IE0R+VccT0T1T2IB0IB1Ic0Ic1IB2IE2IRT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICIE2=2IB=(β+1)IB24.2.2改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源若β=10IC≈0.982IR加装T2且从发射集引出说明即使ß很小，IC1趋向于IR二、威尔逊电流源+VccRT1T0T2Ic0IR2IBIE2Ic1IB2IC2BT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICT1的c-e串联在T2的发射极，作为与典型工作点稳定电路重的Re，因很大，可使IC2高度稳定。UBE0≈UBE1≈UBE2≈UBE3因为UBE相差不多UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re3IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re34.2.4多路电流源1基于比例电流源的多路电流源可根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。2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。设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则注意：基极电流一定时，集电极电流之比等于他们的集电区面积之比。T多为横向PNP型管。3MOS管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。

MOS管的漏极电流ID正比于沟道的宽长比。设宽长比W/L=S，且T1～T4的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则基准电流所有B-E间的电压均为0.7V。试求：各管的集电极电流电路中T10与T11为纵向管，T12与T13是横向管，β均为5例题：Ic13Ic10Ic12IR+VccR5T13T12R4-VccT10T11T10与T11微电流源图4.2.9F007中的电流源电路T12与T13构成镜像电流源解：首先求基准电流IRT10与T11构成微电流源T12与T13构成镜像电流源利用累试法或图解法求出IC10≈28uA+VCCRcRcui1ui2100Ωuo+_T0T1已知:T0~T4的β均为100，rbb’=200Ω，Rc=7.5k，R1=6.2k,，R2=R3=100Ω，VCC=VEE=6V，电位器RP=100Ω，试求：（1）电路的静态工作点（2）电路的差模AudRiRoIo-VEER1R2R3T3T4IR解：（1）电路的静态工作点

具有电流源的差分放大电路，计算静态工作点从电流源入手。UCQ1=UCQ2=VCC-ICQRC=6-7.5×0.42=2.85VRcRcui2-VEEIo+Vccui1(二）求解电路的动态参数+_uo+VccRbRc+_uiRL静态电流不变的情况下,如何增大电压放大倍数?增大电阻RCIC不变提高电源电压VCC∴在集成运放中，用电流源来取代电阻RC这样，在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，又可得到很高的电压放大倍数。4.2.4以电流源为有源负载的放大电路Au=?一、有源负载共射放大电路哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？静态时UIQ为多少？RL<<(rce1//rce2)为什么要考虑

h22?1/

h22为c-e间动态电阻rce，为几百千欧二、有源负载差分放大电路

差分放大电路，双端输出时具有良好的共模抑制比，而且增益是单端输出的两倍，所以双端输出的性能优于单端输出。T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRL①电路的输入、输出方式？②如何设置静态电流？③静态时IO约为多少？④动态时ΔiO约为多少？T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL输入共模信号共模输出电压为零静态：T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL输出电流是单管输出两电流的两倍，从而实现了单端输出方式而具有双端输出的电压。ui输入差模信号§4.3集成运放电路简介

一、读图方法（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。二、举例

型号为F007的通用型集成运放

对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。

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。双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级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PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。共集-共基形式Q点的稳定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9与IC8为镜像关系→IC9↑因为IC10不变→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2从基极输入、射极输出T3和T4从射极输入、集电极输出输入级的分析T7的作用：抑制共模信号

T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。作用？+++++++_放大差模信号+___特点：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，并完成电平转换（即对“地”输出）。中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。

F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。中间级输出级输出级的分析D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。

iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。中间级输出级电流采样电阻特点：输出电阻小最大不失真输出电压高判断同相输入端和反相输入端F007所具有的高性能Ad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rid较大：从信号源索取的电流小ro小：带负载能力强Uom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差模电压大。uIcmax大：接近电源电压4.4集成运放的主要性能指标

指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB∞差模输入电阻rid

2MΩ∞共模抑制比KCMR

90dB∞输入失调电压UIO

小于2mV

0使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。UIO的温漂dUIO/dT(℃)

几μV/℃

0

指标参数F007典型值理想值

输入失调电流IIO

20nA

0IIO的温漂dIIO/dT(℃)几nA/℃

0

-3dB带宽fH10Hz∞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UIdmax±30V超过此值输入级差分管将损坏。上限截止频率。对大信号的反应速度为什么这么低？最大共模输入电压UIcmax±13V

转换速率SR

0.5V/μS

∞集成运放的主要性能指标

指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB∞差模输入电阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞输入失调电压UIO1mV

0UIO的温漂dUIO/dT(℃)几μV/℃0输入失调电流IIO(│IB1-IB2│)20nA0UIO的温漂dUIO/dT(℃)几nA/℃0最大共模输入电压UIcmax±13V最大差模输入电压UIdmax±30V-3dB带宽fH10Hz∞转换速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞4.5集成运放的种类按工作原理电压放大型：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，输出量均为电压按可控性可控增益：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，利用输入的逻辑信号控制那个通道的信号放大集成运放的种类按性能指标高阻型：rid，可高于1012Ω。