西安交通大学-赵进全-模拟电子技术基础-第4章

4.1 集成运放概述集成电路——把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。4集成运算放大器1.集成电路的主要特点2.集成电路的分类(1)按功能分a.模拟集成电路b.数字集成电路主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。(2)按集成度分

a.小规模集成电路（SSI—smallscaleintegrationcircuit)。

b.中规模集成电路（MSI—middlescaleintegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。集成度：一块芯片上包含的元器件在100~1,000之间。

c.大规模集成电路（LSI—largescaleintegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000~100,000之间。d.超大规模集成电路（VLSI—verylargescaleIntegrationcircuit)集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。e.目前的集成电路(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。(c)集成度大约每3年增加一倍。(d)出现了系统级芯片（SOC—systemonchip）。(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。(3)按制造工艺分a.半导体集成电路b.薄膜集成电路集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。c.厚膜集成电路厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。3.模拟集成电路的分类(1)线性集成电路输出信号与输入信号呈线性关系。(2)非线性集成电路线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。线性集成电路有：集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。输出信号与输入信号呈非线性关系。4.集成运算放大器概述(1)集成运算放大器简称集成运放b.信号处理。(2)集成运算放大器的主要应用a.完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。c.波形产生。d.信号测量。(3)集成运放发展的三个阶段a.通用型集成运放的广泛使用。b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。(5)

是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。

(3)输出电阻小，几百欧以下。(4)

通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。5.集成运放的主要特点(1)电压放大倍数高，103~105倍。(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。(1)相邻元器件的特性一致性好。(2)用有源器件代替无源器件。(3)二极管大多由三极管构成。(4)只能制作小容量的电容，难以制造电感和较大容量的电容(C>2000pF)。(5)电路采用直接耦合的方式。4.1.1 集成电路中元器件的特点4.1.2 集成运放的典型结构1.典型结构输入级输出级中间级偏置电路输入输出(1)偏置电路2.各部分的作用具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。为各级电路提供稳定合适的偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。(2)输入级输入级输出级中间级偏置电路为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。主要进行电压放大，具有很高的电压增益。(3)中间级(4)输出级输入级输出级中间级偏置电路3.集成运算放大器的电路符号同相输入端反相输入端输出端–+4.2.1 典型差分放大电路4.2 集成运放中的基本单元电路1.电路组成+-+-+-+--+(1)电路特点a.电路两边对称。b.两管共用发射极电阻RE。c.具有两个信号输入端。d.信号既可以双端，也可以单端输出。+-+-+-+--+两个输入端信号电压的差值是有用的，称之为差模输入信号，因而该电路称为差分放大电路。(2)信号的输入+-+-+-+--+(3)抑制零漂的原理（T1和T2特性相同）(a)当温度T一定时(uI1=uI2=0)a.电路双端输出+-+-+-+--+(b)当温度增加时在双端输出的情况下，漂移为零。+-+-+-+--+b.单端输出时因射极电阻RE的负反馈作用可以抑制零点漂移+-+-+-+--+2．静态分析直流通路+-+-+-+--+因为电路对称，所以–+–+–+–+列输入回路方程由此可得因–+–+–+–+–+–+–+–+3.动态分析(1)小信号差模特性差模信号记为当时的输入信号+-+-+-+--+差模输入时放大电路中的电流⊕由于电阻RE上无交流电流，T1、T2发射极虚地。⊕交流通路⊕由于故1)差模电压放大倍数a.双端输出b.单端输出(a)输出uO1(b)输出uO2c.RL时(a)双端输出负载电阻RL的中点虚地由于等效电路Aud与单级共射极电路电压放大倍数相同。可见，差分放大电路是用“数量换质量”。(b)单端输出从T1的集电极输出输出与输入反相从T2的集电极输出输出与输入同相2)差模输入电阻a.单端输出时求Ro的等效电路3)输出电阻Rob.双端输出时求Ro的等效电路(2)小信号共模特性共模信号记为当uIc1=uIc2时的输入信号1)共模电压放大倍数a.双端输出共模电压共模电压放大倍数由知故b.单端输出交流通路，电压放大倍数一般情况一般情况中故差分放大电路对共模信号有抑制作用，RE越大，抑制共模信号的能力越强。综上所述单端输出时双端输出时2)共模抑制比共模抑制比的定义或者a.双端输出b.单端输出因3)共模输入电阻交流通路，因为故4)输出电阻双端输出时单端输出时(3)任意输入信号的分解既不是差模信号又不是共模信号的输入信号任意信号++12差分放大电路uI2_uI1_令那么任意信号可以分解成差模和共模信号两种性质的输入信号++12差分放大电路uI2_uI1_差分放大电路12+uId_+uIc_+_+_2uId2uId任意输入信号分解示意图++12差分放大电路uI2_uI1_uI1≠0，uI2=0特别的，对于单端输入即或uI1=0，uI2≠

0单端输入是一种特殊的双端输入形式+12差分放大电路uI_单端输入电路)(2C1CuIdfii=、(4)大信号传输特性1-1线性区截止、饱和区截止、饱和区传输特性0246-2-4-6.0.10.9iC1、iC2UTuId/0.70.50.3+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(a)静态工作点IC、UC之值；(b)uO及KCMR之值；(c)若将RL接在C1对地之间，求UC、uO

及KCMR；(d)

Rid、Ric和Ro之值。

[例]电路如图所示。设T1、T2的特性一致，β=50，UBE=0.7V，uIc=1V，uId=50mV，。试求：[解]为了计算简单，设调零电位器RW的滑动端在电位器的中间。(a)画出放大电路的直流通路+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2直流通路(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIB+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2由图可得由上两式得因(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB则有(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIB(b)根据题意+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2(c)当RL在C1对地之间时经整理可得(–12V)(+12V)ICUCc1c2IEIBIRL+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)c1c2(d)差模输入电阻共模输入电阻+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2输出电阻Ro双端输出时

单端输出时

+-+-+-+-+-(–12V)(+12V)ICUCc1c2双端输出单端输出对于图示电路4.2.2 带恒流源的差分放大电路RE越大，KCMR越大，电路抑制共模信号的能力越强。+-+-+-+--+a.当VEE一定，IE减小，rbe增大，Aud减小。c.在集成电路中不易制作较大阻值的电阻。RE太大对电路的影响b.为了维持IE不变，必须提高电源电压VEE。+-+-+-+--+恒流源的主要特点b.直流电阻较小a.具有很大的交流等效电阻恒流源通常采用恒流源来代替RE+-+-+-+--+当iB恒定，则iC恒定，晶体管相当于一个电流源。

当晶体管工作在放大区时，iC基本上与uCE无关，只取决于iB。晶体管恒流源晶体管恒流源工作原理RCE1rce1uCEiC=–++–带恒流源的差分放大电路恒流源+-+-+-De+++---选择R1和R2使IBQ3恒定，则IC3恒定。+-+-+-De+++---IC31．电流镜电路T1和T2特性相同(1)电路组成(2)电路特点(3)电路分析设由于UBE1=UBE2=UBE4.2.3 电流源电路–+–+当β>>2时所以IB1=IB2=IB故–+–+T1和T2特性相同(1)电路组成(2)电路特点(3)电路分析由图可知2．比例电流源电路–+–+由于故有–+–+3．微电流源电路T1和T2特性相同(1)电路组成(2)电路特点(3)电路分析由图可知–+–+由得故有–+–+[例1]已知IR=0.73mA，IC2=20mA，求RE=?[解]由得–+–+[例2]在例1中，如果不用微电流源，而采用电流镜，那么在VCC=15V时，欲获IC2=20mA,求R=?[解]已知IC2=20mA,则RVCC/IR=750kWIR=20mA–+–++-+-4．电流源作有源负载的差分放大电路(1)电路组成代替RE，为T1、T2提供合适、稳定的静态工作点代替RC，称有源负载电流镜比例电流源+-+-因为T5、T6组成电流镜，所以a.当ui1=ui2时(2)电路分析忽略T5、T6的基极电流。则有

iC5

iC1

+-+-

iO=iC6

+

iC2=

iC5

–

iC1无共模信号输出输出电流

0+-+-b.当uI1=–

uI2时输出电流

iO=

iC6

+

iC2=

iC1

+

iC2=2

iC1负载上得到了双端输出的电流+-+-用电流镜取代差分放大电路的集电极电阻,以单端输出的电路形式，实现了双端输出的功能。结论+-+-利用多个晶体管组成复合管，可以得到较大的电流放大系数值。4.2.4 复合管电路四种常见的复合管结构a.NPN管+NPN管b.PNP管+PNP管c.NPN管+PNP管dPNP管+NPN管常见的复合管结构a.NPN管+NPN管T1T2等效管T两个NPN型管可以复合成一个NPN型管(a)等效管T1T2由图可知(b)复合管的电流放大系数等效管TT1T2而由于等效管TT1T2故等效管TT1T2复合管的电流放大系数等效管TT1T2微变等效电路T1T2(c)复合管的输入电阻rbeT1T2因为故复合管的输入电阻T1T2b.PNP管+PNP管T1T2等效管(a)等效管两个PNP型管可以复合成一个PNP型管T1T2T(b)复合管的及rbe等效管T1T2TT1T2c.NPN管+PNP管等效管T(a)等效管一个NPN和一个PNP型管可以复合成一个NPN型管T1T2(b)复合管的及rbe等效管TT1T2d.PNP管+NPN管T1T2等效管T(a)等效管一个PNP和一个NPN型管可以复合成一个PNP型管T1T2(b)复合管的及rbe等效管T1T2TRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_4.2.5 互补推挽放大电路1.电路组成2.电路主要特点(2)输出电阻小(3)动态范围大(4)带载能力强(1)T1、T2参数相同3.工作原理(1)uI=0时T1、T2截止uO=0(2)uI>0时T1导通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0时T1截止、T2导通uO

uI4.输出动态范围5.电路存在的缺陷——交越失真当输入电压小于发射结死区电压时，输出电压为零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交越失真的方法给T1、T2的发射结加一定的直流偏置，使其工作在微导通状态。克服交失真的互补电路思考题1.差分放大电路中，单端输出与双端输出在性能上有何区别？单端输入与双端输入在性能上有何区别？3.差分放大电路中为什么要用恒流源代替公共发射极电阻RE?2.差分放大电路中，公共发射极电阻对共模信号有什么影响？为什么？对差模信号有什么影响？为什么？4.3.1 双极型通用运放简化电路4.3 通用集成运放反相输入端同相输入端输出端+-+-输入级+-中间级输出级+输入级+-+-中间级输出级+4.3.2 CMOS运放4.4.1 交流参数1．开环差模电压增益Aud

2．开环带宽（–3dB带宽）fH3．单位增益带宽fBWG4．单位增益上升速率SR

4.4 运放的主要参数及简化低频等效电路5．建立时间Tset

6．最大差模输入电压UIDM

7．最大共模输入电压UICM

8．最大输出电流IOM

9．输出电压峰——峰值Uopp0.1UomUomTset1．输入失调电压UIO2．输入偏置电流IIB

3．输入失调电流IIO

4．失调电压和失调电流的温漂

UIOT、IIOT

4.4.2

直流参数+-+-(+)(-)4.4.3 简化低频等效电路4.5.1几种特殊用途的运放简介4.5 其它集成运放1．高精度运算放大器2．高输入阻抗运算放大器3．高速运算放大器4．低功耗运算放大器5．高压运算放大器跨导型运算放大器的简化电路4.5.2 跨导运放+-+-跨导运算放大器电路符号gmuIdiOu_u++–+电流模电路具有与闭环增益无关的近似恒定带宽1．电流模电路基础(1)电流模电路的一般概念4.5.3电流模运放电流模（电流型）电路:以电流为参量传递信号电压模（电压型）电路:以电压为参量传递信号(2)跨导线性的基本概念工作在放大区的双极型晶体管，当UBE>100mV时跨导(3)跨导线性回路原理四个晶体三极管发射结构成的闭合回路，称为跨导线性回路，也称为跨导线性环。任意偶数n个发射结ISj与发射区面积Aj成正比(4)甲乙类推挽电流模电路T1+VCCT2_VEET3T4跨导线性回路如各晶体管发射区面积相等则有若iI=0，则B2C1CIii==iC2=iC1+iI若iI0，则由以上各式得电路工作在甲类状态。IIBi<<当时，(a)T1+VCCT2_VEET3T4IIBi>>(b)当时或电路工作在乙类状态。T1+VCCT2_VEET3T4+YT1T2同相输入端T3T4–反相输入端XZT9T10T5T6T11T12uO+VCC_VEE2．电流模运算放大器(1)电流模运算放大器工作原理(2)电流模运算放大器的基本特性+1RiIi•RZCZ+1Ii•uo+–XYZ思考题通用型集成运