模拟电子技术之集成运算放大电路

第5章集成运算放大电路本章教学内容5.1集成放大电路的特点5.2集成运放的主要技术指标5.3集成运放的基本组成部分5.4集成运放的典型电路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5.1集成放大电路的特点手机主控制芯片手机主板三星i9300

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特点：体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本，实现了元件、电路和系统的三结合。集成电路IC(integratedcircuit)：将晶体管、电阻、电容等各种电子元器件以相互联系的状态集成到半导体材料（主要是硅）或者绝缘体材料薄层片子上，再用一个管壳将其封装起来，构成一个完整的、具有一定功能的电路或系统。1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功双列直插式数字集成电路模拟集成电路集成运算放大器：一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。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。圆壳式扁平式提供合适的静态工作点

集成运算放大器的组成及特点集成运算放大器的组成5.2集成运放的主要技术指标同相输入端反相输入端输出端输入级中间级输出级偏置电路保护电路-+减小零点漂移,尽量提高KCMRR,

输入阻抗ri尽可能大差分放大电路大的电压放大倍数，双端输入变换为单端输出共射放大电路提高带负载能力，足够的输出电流io，输出阻抗ro小功率放大电路提供过流、过压保护直流电源+USUS集成运算放大器内部组成特点

无电感、无大容量电容、无大阻值电阻。集成运算放大器的电路符号AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo——开环电压放大倍数反相输入端同相输入端输出端集成运算放大器的主要技术指标开环差分电压增益Aod输出电压与差分输入电压之比,一般用对数表示。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。单位:dB(分贝)输入失调电压UIO为了使输出电压为零，在输入端加的补偿电压。一般运放UIO的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。输入失调电压温漂输入失调电流IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。输入失调电流温漂代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。输入偏置电流IIB运算放大器静态输出电压为0时流入(流出)的电流平均值。IIB

是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的β值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。最大差模输入电压UIDM运算放大器输入端之间所能承受的最大电压。最大共模输入电压UICM运算放大器输入端所能承受的最大共模电压。-3dB带宽fH单位增益带宽BWG转换速率SRAod下降3dB时的频率。Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，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/μs。共模抑制比KCMR

综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。差模放大倍数共模放大倍数愈小愈好

愈大愈好KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。同相输入端反相输入端输出端输入级中间级输出级偏置电路保护电路-+直流电源+USUS差分放大电路共射放大电路功率放大电路5.3集成运放的基本组成部分电流源电路偏置电路

镜像电流源三极管T1、T2匹配基准电流+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以当满足

>>2时，则比例电流源IB2IB12IBT1T2RR1R2+VCCIREFIC2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，忽略基极电流，IREFIB2IB1Ic12IBT1T2RRe+VCC微电流源IC2UBE2UBE1+--+IE2由图可得二极管方程得IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的β>>2，横向PNP三极管的β=2，电阻R5=39kΩ

。①估算基准电流IREF；②分析电路中各三极管组成何种电流源；③估算VT13的集电极电流IC13；④若要求IC10=28μA，试估算电阻R4的阻值。【例】IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF解：①由图可得②

VT12与VT13组成镜像电流源，

VT10

、VT11与R4组成微电流源。IC13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIC10IREF③不能简单认为Ic13

≈IREF。④

可认为

IC11

≈IREF

。差分放大输入级基本形式差分放大电路对称结构，差分输出克服零点漂移；零输入零输出；抑制共模信号；放大差模信号；+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差分放大电路工作原理零点漂移的抑制电路的对称性当ui1

=

ui2

=0时，uo1=uo2uo=uo1-uo2=0uo1=uo2uo=(uo1+uo1)-(uo2+uo2)=0+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2共模输入共模信号：两输入信号大小相等极性相同。ui1=ui2=uIC抑制共模信号+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模电压放大倍数：+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2差模输入差模信号：两输入信号大小相等极性相反。ui1=

-ui2=0.5

uId放大差模信号差模电压放大倍数：差分输入差分信号：两输入信号的大小、相位任意。共模差模差分uo=Ad(ui1-ui2)差分放大电路分析差分放大电路时，只需考虑共模输入与差模输入即可。对于任意信号可以分解成这两种输入信号来分析。长尾式差分放大电路+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流引入共模负反馈提高了共模抑制比对差模信号无负反馈+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe-IBQRβIBQVCC-ICQRc静态分析IBQIBQICQICQUCQUCQ+-UBEQUBEQ+-2IEQUBQ晶体管输入回路方程：+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReuc1uc2动态分析=Au1Ro=2Rc+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R+-uiuc2uc1+ui1RRcVT1uc1-调零电阻Rw确保静态时输出为零。静态分析：UCQ=VCC-ICQRcICQ≈βIBQUBQ=-IBQR+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw长尾式差分放大电路RwRLui1【例】分析右图所示差分放大电路。+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的长尾式差分放大电路RwRLui1动态分析：+-uoui1RRcRcVT1VT2ui2R0.5Rw0.5Rw+ui1RRcVT1∆uc1-0.5RwRo=2Rc恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLui1I既可有效抑制零漂，又便于集成。静态分析+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz【例】估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad。UBQ1=-IBQ1RIEQ3ICQ3ICQ1ICQ2UCQ1UCQ2IBQ1IBQ1静态工作点:UCQ1=VCC-ICQRC+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz差模电压放大倍数:+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻均相同差分放大电路的输入、输出接法双端输入、双端输出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-双端输入、单端输出+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo单端输入、双端输出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-单端输入、单端输出抑制零漂能力较强,可使输入、输出电压反相或同相。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-1.双端输出时Ad

≈Au1Ro=2Rc理想情况下KCMR=∞2.单端输出时Ro=

Rc单端输入时KCMR不如双端输出时高。可选择从不同的三极管输出，使ui与uo反相或同相。结论：Rid

2(R+rbe)+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3iC2≈-iC4iC3≈iC4iC1≈iC3iC1=-iC2放大管β足够大iC3iC1iC2iC4io有源负载有源负载差分放大电路io=iC4-iC2=2iC4中间级有源负载IREFVT2RVT3VT1uIuo-+-++VCC放大管用三极管代替负载电阻Rc，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数复合管VT1VT2VT3

RVT4

uIuo-+-++VCCIREF输出级互补对称电路集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCL或OTL互补对称电路。当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的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。过载保护电路VD3、VD4和Re1、Re2组成过载保护电路。工作电流正常时，VD3

、VD4截止。若VT1正向电流增大，VD3导通，将VT1的基流分流，若VT2反向电流增大，VD4导通，将VT2的基流分流。+VCC-VCCuI+-RLuORb2Rb1VD2VD1VT2VT1二极管过载保护电路VD3VD4Re2Re1VT3

、VT4和Re1

、Re2组成过载保护电路。其工作原理与二极管过载保护电路类似。+VCC-VCCuI+-RLuoRb2Rb1VD2VD1VT2VT1三极管过载保护电路VT3VT4Re2Re1Re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。5.4集成运放的典型电路以双极型集成运放LM741为例VT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF3521467偏置电路流过R5的基准电流VT11

、VT10和R4

组成微电流源，由IC10提供VT9的集电极电流IC9和VT3

、VT4的基流I3,4

。VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至输入级至中间级VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至输入级至中间级横向VT8、VT9组成镜像电流源产生I8，决定输入级VT1、VT2的集电极电流。横向VT12、VT13组成另一组镜像电流源，产生IC13，提供中间级放大管VT16、VT17的静态电流。输入级由VT1、VT2、VT3和VT4组成共集-共基差分放大电路，VT5和VT6构成有源负载，代替电阻Rc。差分输入信号由VT1、VT2的基极送入，从VT4的集电极送出单端输出信号至中间级。+VCCuOVT1VT2VT3VT4RcRc-VEEuI1uI2I8I3,4中间级+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。30pF校正电容防止产生自激振荡。输出级输出级由NPN三极管VT14

和PNP三极管VT20