第四章 集成运算放大电路

第四章集成运算放大电路1第四章集成运算放大电路4.1集成运算放大电路概述4.2集成运放中的电流源电路4.3集成运放电路简介4.4集成运放的种类及选择4.5集成运放的使用2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。集成电路IC(IntegratedCircuit)

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。4.1集成运算放大电路概述3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4集成运算放大电路特点：1.电路结构与元件参数对称性好，适于构成差分放大电路。3.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。2.在芯片上制作三极管比较方便、大量使用NPN管。4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。5.级间采用直接耦合方式。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。5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的≤10，集成电路中多采用复合管。54.1.2集成运放电路的组成及其各部分的作用1.集成运放电路的组成两个输入端一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。64.1.2集成运放电路的组成及其各部分的作用输入级中间级输出级偏置电路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。74.1.3集成运放的电压传输特性+-AoduPuNuO同相输入端反相输入端A

od：开环电压放大倍数集成运放的符号8非线性区：线性区：非线性区：集成运算放大器的传输特性9

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。线性区：

uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM,就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。104.5集成运放的种类及选择4.5.1集成运放的发展概况第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思想,采用了集成数字电路的制造工艺，利用少量横向PNP管,构成以电流源做偏置电路的三级直接耦合放大电路。但是，它各方面性能都远远优于分立元件电路，满足了一般应用的要求。典型产品有A709、国产的F003、5G23等。第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了明显的提高，各方面性能指标比较均衡，因此属于通用型运放，应用非常广泛。典型的产品有A741、LM324、国产的F007、F324、5G24等。第三代产品的输入级采用了超管，值高达1000～5000倍，而且版图设计考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有AD508、MC1556、国产的F1556、F030等第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化，一般情况下不需要调零就能正常工作，大大提高了精度。典型产品有HA2900、SN62088、国产的5G7650等。114.5.2集成运放的种类12一、按工作原理分类互阻型：跨导型：电流放大型：电压放大型：=属于这类产品。、路为互阻放大电路。种电的量纲为电阻，故称这，，即的电压源80118009ADADAiAuuuiIuiOO控制由电流电压，输出回路等效成将输入电流转换成输出iI属于这类产品。、。跨导，常记作与输入电压之比，故称30803080FLMgm=出电流的量纲为跨导，它是输，，即的电流源AuAiiiuIiuOO控制由电压电流，输出回路等效成将输入电压转换成输出uI=控制的电流源路等效成由电流实现电流放大，输出回i属于这类产品。、。F1900LM3900iAiIiOI控制的电压源路等效成由电压实现电压放大，输出回u=均属于这类产品。、、。C14573F324F007uAuIodOI13二、按可控性分类1.可变增益运放（a）由外接的控制电压uC来调整开环差模增益Aod，称为电压控制增益的放大电路，如VCA610，当uC从0变为-2V时，Aod从-40dB变为+40dB，中间连续可调。（b）利用数字编码信号来控制开环差模增益Aod，这类运放是模拟电路与数字电路的混合集成电路，具有较强的编程功能，例如AD526，其控制变量为A1、A2、A3，当给定不同的二进制码时，Aod将不同。142.选通控制运放此类运放的输入为多通道，输出为一个通道，即只有一个对“地”输出电压信号。利用输入逻辑信号的选通作用来确定电路对哪个通道的输入信号进行放大。+-A1+-uIA+-A2+-uIBA3SuO两通道选通运放OPA676的原理示意图15三、按性能指标分类1.通用型80～120mW功耗0.5～0.7V/sSR0.5～2MHz单位增益带宽70～90dBKCMR0.3～7IIB0.2～2IIO2～5mVUIO0.5～2Mrid65～100dBAod数值范围单位参数表4.5.1通用型运放的性能指标16高阻型、高速型、高精度型和低功耗型2.特殊型高阻型：rid>109；

适用：测量放大电路等；高速型：增益带宽高

；

适用：A/D,D/A转换等；高精度型：低失调，低温漂，低噪声，高增益；

适用：高精度仪器设备等；174.5.3运放的选择一、信号源的性质二、负载的性质三、精度要求四、环境条件查手册，选型号首选：通用型，通用型不能满足要求时，选择特殊型。根据：18４.６集成运放的使用4.6.1使用时必做的工作1、集成运放的外引线（管脚）2、参数测量3、调零或调整偏置电压4、消除自激振荡4.6.2保护措施1、输入保护+-AD1D2R防止输入差模信号幅值过大的输入保护措施防止输入共模信号幅值过大的输入保护措施+-AD1D2R-V+V192、输出保护-+ADzR输出保护电路3、电源端保护-+AD1D2+VCC-VCC电源端保护204.6.3输出电压与输出电流的扩展-+AT2+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1R1R2R3R4uOuPuNb1b2e2e1因为R1=R2=R3=R4=R。当集成运放的输入电压uP=uN=0时，其输出电压uO=0，因而b1和b2点的电位分别为uB1=+15V、uB2=-15V，b1和b2点的电位差uB1-uB2=30V。若忽略T1与T2管b-e间电压，则uE1≈+15V，uE2≈-15V一、提高输出电压不影响运放的正常供电设集成运放的电源电压为±15V可见对运放A来说，其供电电压仍为±15V。21当有输入信号时，虽然运放供电电源电压总值(uB1-uB2)没变，但实际上，当uO=+15V时，运放的正电源电压uB1约为22.5V，负电源uB2约为-7.5V，这将使运放的参数产生一些变化。-+AT2+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1R1R2R3R4uOuPuNb1b2e2e1注意！22二、增大输出电流-+A+VCC-VCCTRLuO+-加射极输出器的增大输出电流的措施-+AT2+VCC-VCCT1R1D2R2uOD1加互补输出级的增大输出电流的措施23END244.2集成运放中的电流源电路集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。本节将介绍常见的电流源电路以及有源负载的应用。4.2.1基本电流源电路4.2.2改进型电流源电路4.2.3多路电流源电路4.2.4以电流源为有源负载的放大电路25镜像电流源4.2.1基本电流源电路一、镜像电流源+VccR2IBIB0IB1IC1IRIC0T1T0所以：IB0=

IB1=

IB，IC0=IC1=IC=IB

。使IC0和IC1呈镜像关系。电路：T0与T1特性一致，0=1=

；

T0与T1工作在放大状态。因为：UBE0=UBE1，0=1=；工作原理：

IC1为输出电流。26+VccR2IBIB0IB1IC1IRIC0T1T0电阻R中的电流为基准电流：当>>2时，输出电流↗IC1↑T(℃)↑↘IC0↑→IR↑→UR(IRR)↑→UB↓→IB↓→IC1↓镜像电流源具有一定的温度补偿作用：存在问题：当IC较小时，需R大，集成电路中难以制造大的R。27二、比例电流源+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1电路：T0与T1特性一致，0=1=

；

T0与T1工作在放大状态有反馈电阻Re；工作原理：

IC1为输出电流，28比例电流源当>>2时，IC0≈IE0≈IR，IC1≈IE1，所以+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE10比例电流源比镜像电流源的输出电流IC1具有更高的温度稳定性！（Re0和Re1是电流负反馈电阻）。29微电流源三、微电流源+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0ReIE1为了采用阻值较小的电阻，获得较小的输出电流IC1，可以将比例电流源中Re0的阻值减小到零微电流源。电路：工作原理：式中（UBE0－UBE１）只有几十毫伏，甚至更小，因此只要几千欧的Re，就可得到几十微安的IC1。30设计电路：若VCC＝15V，IR＝1mA，UBE0＝0.7V，UT＝26mV，IC1＝20A，则+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0ReIE1确定IR和IC1计算R和Re的数值314.2.2改进型电流源电路改进的目的：减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流。微电流源：比例电流源：镜像电流源：较小时，误差增大，需改进电路。32+VccRIB2IB0IB1IC1IRIC0T1T0T2IE2一、加射极输出器的电流源电路：T0、T1、

T2特性一致，0=1=2

；

T2：射极输出器；

IC1为输出电流。UBE0=UBE1，IB1=IB0=IB

IC1=IC0

。利用T2管的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。工作原理：即使很小，也可以认为IC1≈IR，IC1与IR保持很好的镜像关系。33二、威尔逊电流源+VccRIB2IC1IRIC0T1T0T2IE2IC22IBAB电路：T0、T1、

T2特性一致，0=1=2

；

T1的rce是T2的发射极电阻Re；

IC2为输出电流。UBE0=UBE1，

IC1=IC0=IC

。工作原理：因为rce1非常大，所以可使IC2高度稳定。Ａ点的电流方程为：34在Ｂ点：整理：

IC2受基极电流影响很小。+VccRIB2IC1IRIC0T1T0T2IE2IC22IBAB354.2.3多路电流源电路1.基于比例电流源的多路电流源RIC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1IC２T２Re２IE２IC３T３Re３IE３利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级静态电流的需要基准电流：IR三路输出电流：IC1、IC2、IC3当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的各级电流。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。362.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373.MOS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38[例]图示电路是型号为F007的通用型集成运放的电流源部分。其中T10与T11为纵向NPN管；T12与T13是横向PNP管，它们的均为5，它们b-e间电压值均约为0.7V。试求出各管的集电极电流。F007中的电流源电路+Vcc(+15V)R539kIC13IRIC12T13T12IB10+IB12IC10T10T11R43k-Vcc(-15V)解：图中R5上的电流是基准电流，根据R5所在回路可以求出T10与T11构成微电流源，利用累试法或图解法求出I10≈28AT12与T13构成镜像电流源，在电流源电路中，首先应求出基准电流IR，IR常常是集成运放电路中唯一能够通过列方程直接求出的电流；然后利用与IR的关系，分别求出各路输出电流。394.2.4以电流源为有源负载的放大电路在共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数的数值，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc（或漏极电阻Rd）。然而，为了维持晶体管（场效应管）的静态电流不变，在增大Rc（Rd）的同时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。在集成运放中，常用电流源电路取代Rc（Rd），这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效的Rc（或Rd）。由于晶体管和场效应管是有源元件，而上述电路中又以它们作为负载，故称为有源负载。40一、有源负载共射放大电路+VCCRIRIC2T3T2IC1T1RbRL+-uO+-uI电路：T1

：放大管（共射）；T2与T3：镜像电流源；工作原理：T2：T1的负载管。基准电流空载时T1管的静态集电极电流1)并不需要很高的电源电压，只要VCC与R相配合，就可以设置合适的集电极电流ICQ12)输入端的uI中应含有直流分量，为T1提供静态基极电流IBQ1，IBQ1应等于ICQ1/1，而不应与镜像电流源提供的IC2产生冲突3)电路带上负载电阻RL后，ICQ1将有所变化。注意！+VCCRcIC1T1RbRL+-uO+-uI+VCCIC1T1RbRL+-uO+-uI+VCCRIRIC2T3T2+uO41有源负载共射放大电路+VCCIC2T3T2RIRIC1T1RbRL+-uO+-uIRL’T1RbRL+-+-rbe1rce1RLRL’(rce2)+-+-Rb电压放大倍数若RL<<(rce1//rce2)，则等效负载等效电路42二、有源负载差分放大电路+VCCiC3T4T3IioiC1T1RL+-uO+-uIT２iC4iC2-VEE电路：T1与T2：放大管（差分）；T3与T4：负载（镜像电流源）iC3=iC4；工作原理：静态IE1＝IE2≈

IC1＝IC2＝I/2，若3>>2，则IC3≈IC1因IC4＝IC3，所以IC4≈IC1

iO=IC4－IC2≈0差模输入iC1=－iC2，而iC3≈

iC1；由于iC3和iC4的镜像关系，iC3=iC4

iO=

iC4－

iC2≈

iC1－(－

iC1)=2

iC1①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？43电压放大倍数+VCCiC3T4T3IioiC1T1RL+-uO+-uIT２iC4iC2-VEE输出电流与输入电压之比

使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。444.3集成运放电路简介集成运放电路分析（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。45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。一、F007电路分析46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。找出偏置电路47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：放大差模信号作用？

T5、T6、T7组成加射极输出器的比例电流源，作为T3、T4的有源负载。差模输入iC3=－

iC4，而iC5≈

iC3,iC5=iC6，因而iC6=－

iC4

iB16=iC4

－

iC6=2iC4

输入级的分析T7的作用：放大差模信号作用？+++++++_抑制共模信号+___特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高的双端输入、单端输出差分放大电路。_瞬时极性法

T5、T6、T7组成加射极输出器的比例电流源，作为T3、T4的有源负载。共模输入iC3=iC4，而iC5≈

iC3,iC5=iC6，因而iC6=iC4

iB16=iC4

－

iC6=0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。中间级是以复合管T16、T17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52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53判断同相输入端和反相输入端54４.４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rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞55

指标参数F007典型值理想值输入失调电压UIO2mV0UIO的温漂dUIO/dT(℃)几μV/℃0输入失调电流IIO20nA0IIO的温漂dIIO/dT(℃)几nA/℃0使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。56

指标参数