模拟电路(6)修改

第五章集成运算放大器恒流源复合管差动放大电路集成运算放大器习题解答5.1集成放大器的符号和外形(a)(b)(a)国家标准符号(b)原符号运算放大器外形图5.2.集成运放的主要技术指标运算放大器静态参数运算放大器动态参数（1）运算放大器静态参数1.输入失调电压Vio：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电流

Iio：(inputoffsetcurrent)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流IB：(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。运算放大器静态参数6.输入失调电压温漂

dVio/dT：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。7.输入失调电流温漂dIio/dT：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

4.最大差模输入电压Vidmax

：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。5.最大共模输入电压Vicmax

：(maximumcommonmodeinputvoltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。（2）运算放大器动态参数

1.开环差模电压放大倍数

Avd

：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)4.－3dB带宽

fH：(-3dBbandwidth)运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。运算放大器动态参数5.单位增益带宽

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fc。6.转换速率SR(压摆率)—(slewrate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为：7.等效输入噪声电压Vn——(noisevoltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应5.3集成运放结构集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。

输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。5.3集成运放的基本组成部分5.3.1偏置电路偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：1、镜像电流源2、比例电流源3、微电流源1.镜象电流源优点：只要T1和T2的构造相同，IC1≈IR，结构简单，具有一定的温度补偿作用;缺点：输出电流太大，且受电源电压、RO和VBE的影响。RL2.比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有:

IC2与IR成比例关系。优点：结构简单，温度补偿作用好。缺点：当直流电源VCC变化时，输出电流几乎按同样规律变化，不适用于直流电源在大范围内变化的集成电路。若输入级要求提供微安级的偏置电流，则所用电路将达到兆欧级，在集成电路中无法实现。

3.微电流源IC2与IR的关系（当VBE1>>VT时）：RL微电流源一般有IS1=IS2，所以：因为ΔVBE小，所以IC2<<IR；同时IC2的稳定性也比IR好。RL5.3.2差分式放大输入级差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RC12-VEE2.差分放大电路的输入输出方式差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端：根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。反相输入端：反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。12-VEE差分放大电路的输入输出方式差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2

对地输出称为单端输出。信号的输入方式：

若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。12-VEE3.差模信号和共模信号

差模信号vid是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。vid=vi1–vi2

共模信号vic是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。

12-VEE差分放大电路能放大差模信号，抑制共模信号。差模信号和共模信号温度和电源电压的波动对三极管电路的影响（零漂）相当于在两个输入端加入了共模信号4.差分放大电路的静态计算静态时，vi1=vi2=0，由于电路完全对称，vBE1=vBE2=0.7V所以静态时，vid=0，vo=012-VEE5.差分放大电路的差模动态计算差分放大电路的差模工作状态分为四种:1.双端输入、双端输出（双----双）2.双端输入、单端输出（双----单）3.单端输入、双端输出（单----双）4.单端输入、单端输出（单----单）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数：差模输入电阻Rid输出电阻Ro(1)双端输入双端输出差模电压放大倍数纯差模输入时，流过Re的动态电流大小相等方向相反，其和为0，所以其上的动态压降也为0。这时的Re相当于虚短或虚断。而流过负载RL的电流大小相等方向一致，所以这时接在两输出端的负载相当于原来的一半。虚短(2)双端输入单端输出差模电压放大倍数双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。虚短(3)单端输入双端输出差模电压放大倍数从图中看出，虚短(4)单端输入单端输出差模电压放大倍数~~~~从图中看出，虚短(5)差模输入电阻和输出电阻差模输出电阻：

单端输出：

Ro=RC

双端输出：

Ro=2RC差模输入电阻：不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。Rid=2r

be虚短6.差分放大电路共模分析：共模放大倍数Avc和共模抑制比KCMR计算共模放大倍数Avc时，由于两个输入信号相等，Re等效为2Re。Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时等于零。单端输出时交流通路如图所示。2Re6.差分放大电路共模分析：共模放大倍数Avc和共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR：或双端输出时由于Avc等于零，KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。7.恒流源差分放大电路可用恒流源T3来代替Re。恒流源电流数值为：IE=(VZ

-VBE3)/Rero≈(1+β)rce恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图所示。恒流源差分放大电路指标8.场效应管组成的差分放大电路电路Rd110kRd210kRg21MRg11MR32.7kR120kR23.3kVDD12V-VSS-12Vvidvo2T1T2T3T4比例电流源9.差分放大电路的输出电压vo输入信号：vi1，vi2共模输入：vid=vi1–vi2差模输入：例如：vi1=10mV，vi2=15mv则：vid=10-15=-5mVvic=(10+15)/2=12.5mVvi1=12.5+(-5/2)=10mVvi2=12.5-(-5/2)=15mV差分放大电路例题1vi1vi2vo例1:=50，求(1)静态工作点(2)Ad,Ro和差模输入电阻Rid例题1静态分析例题1动态分析差分放大电路例题2v+VCCT1T2+RRR_-V+_RCviLe6oEEe3T3T4T5T6C4R6805.1K35015010K10V-10V第一级第二级例1：=100，rbb‘=100，静态时vo=0V(1)计算静态电流(2)计算差模放大倍数例题2静态分析例题2动态分析§6.4集成运算放大器集成运放结构集成放大器的符号和外形运算放大器静态参数运算放大器分类集成运放电路分析1.集成运放结构集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。

输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。2.集成放大器的符号和外形(a)(b)(a)国家标准符号(b)原符号运算放大器外形图3.运算放大器参数运算放大器静态参数运算放大器动态参数（1）运算放大器静态参数1.输入失调电压Vio：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电流

Iio：(inputoffsetcurrent)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流IB：(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。运算放大器静态参数6.输入失调电压温漂

dVio/dT：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。7.输入失调电流温漂dIio/dT：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

4.最大差模输入电压Vidmax

：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。5.最大共模输入电压Vicmax

：(maximumcommonmodeinputvoltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。（2）运算放大器动态参数

1.开环差模电压放大倍数

Avd

：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。3.共模抑制比

KCMR：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)4.－3dB带宽

fH：(-3dBbandwidth)运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。运算放大器动态参数5.单位增益带宽

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fc。6.转换速率SR(压摆率)—(slewrate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为：7.等效输入噪声电压Vn——(noisevoltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应4.运算放大器分类为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。通用型运算放大器高速型和宽带型高精度(低漂移型）高输入阻抗型低功耗型和功率型通用型运算放大器通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压1～2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。高速型和宽带型

用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357高精度(低漂移型）

用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177

CF714

高输入阻抗型

用于测量设备及采样保持电路中。

例如：AD549

CF155/255/355

低功耗型和功率型低功耗型用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22正常工作静态功耗可低至36W。OP290在0.8

V电压下工作，功耗为24W。CF7612在5

V电压下工作，功耗为50W。功率型这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12TP14655.集成运放电路分析差分放大电路复合管电流源互补对称输出电路运放的输出级结构T1、T2补对称分别组成射极跟随器vivo交越失真RLT2T1vO+VCC-VEEvI运放的输出级结构无交越失真互补对称功率电路RLT2T1vO+VCC-VEED1D2Rb1vIRb2集成运算放大器电路分析741的电路原理如P246图6.3.3(a)T1~T4：共集-共基差放；T16、T17：复合管组成共射放大电路；T14、T20工作在甲乙类放大状态。T10、T11组成微电流源，T10集电极为T3、T4提供基极偏置电流；T5~T7：镜像电流源，作有源负载；T12、T13构成双输出的镜像电流源，T13B为复合管T16、T17提供集电极电流，并作为有源负载；T13A为输出级提供工作电流，使T14、T20工作在甲乙类放大状态。T8、T9组成镜像电流源，为T1、T2提供集电极电流；R6起分流作用R6起分流作用T18、T19：组成VBE倍压电路，相当于两个二极管，为T14、T20提供起始偏压；T24组成射极跟随电路，起缓冲作用，以减小输出级对中间放大级的负载效应。T15、T21、T22、T23：组成过流保护电路T15、T21、T22、T23：组成过流保护电路。当正向电流（流过T14发射极电流）过大时，T15导通使T14基极电流减小；当负向电流（流过T20发射极电流）过大时，T21导通，同时T22、T23均导通，降低T16、T17的基极电压，使T17的集电极和T24的发射极电位上升，从而时T20截止以达到保护目的。集成运算放大器电路分析输入级：T1~T4：共集-共基差放；T5~T7：镜像电流源，作有源负载；偏置电路：T10、T11组成微电流源，T10集电极为T3、T4提供基极偏置电流；T8、T9组成镜像电流源，为T1、T2提供集电极电流；T12、T13构成双输出的镜像电流源，T13B为复合管T16、T17提供集电极电流，T13A为输出级提供工作电流，使T14、T20工作在甲乙类放大状态。集成运算放大器电路分析输出级：T18、T19：组成VBE倍压电路，相当于两个二极管，为T14、T20提供起始偏压；T24组成射极跟随电路，起缓冲作用，以减小输出级对中间放大级的负载效应。T15、T21、T22、T23：组成过流保护电路。当正向电流（流过T14发射极电流）过大时，T15导通使T14基极电流减小；当负向电流（流过T20发射极电流）过大时，T21导通，同时T22、T23均导通，降低T16、T17的基极电压，使T17的集电极和T24的发射极电位上升，从而时T20截止以达到保护目的。中间级：T16、T17：复合管组成共射放大电路；R6起分流作用；T13B：为T16、T17提供集电极电流的同时做有源负载；集成运算放大器结构集成运算放大器电路分析T10、T11组成微电流源T8、T9组成镜像电流源T12、T13构成双输出的镜像电流源T18、T19：组成VBE倍压电路T5~T7：镜像电流源，作有源负载；理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。6.理想运算放大器的特性(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14

V。因此运放的差模输入电压不足1

mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。理想运算放大器的特性

(2)虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1

A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。7.运放应用实例实例1：有一理想运算放大器组成的电路如图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。

解：根据虚断I'i0，故V+0。且IiIf根据虚短，V+V-

0

Ii=

(Vi－V-)/R1Vi/R1

Vo

－IfRf=－ViRf/R1电压增益

Avf=Vo/Vi=－Rf/R1根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。运放应用实例实例2：有一理想运算放大器组成的电路如图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。解：根据虚断，Vi=V+根据虚短，Vi=V+V-

V+=Vi=VoR1/(R1+Rf)

Vo

Vi[1+(Rf/R1)]

电压增益Avf=Vo/Vi=1+(Rf/R1)根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算。例3：电路如图，静态时，Vo=0。求R=？T5T6T3T4R83.6KR95.1KR310KR410KR51.8KR21MR66KR76KRvi+15V-12VT1T2R11Mvo解：(1)静态分析：IC3=IC4=2mAVR5=2IC4R5=7.2VVR3=VR4=VR5+VBE3=7.9V例3静态分析ID1=ID2=0.79mAVR8=VR