第三节 集成运放的基本组成部分

第三节集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级输出级下页总目录向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数集成运放的基本组成部分输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成下页上页首页IB2IB1VT1VT2UBE2UBE1+--+R+VCC一、偏置电路1.镜像电流源VCC-

UBE1RIC2≈IREF=VCC-

UBE1RIREF

IC12IBIc2

IREF-2IB当β>>2时下页上页首页IB2IB12IBVT1VT2RR1R2+VCCUBE1≈

UBE22.比例电流源UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2IE1R1

≈IE2R2IC2

≈R1R2IC1R1R2IREFIREFIc2Ic1UBE2UBE1+--+IE1IE2下页上页首页IREFIB2IB1Ic12IBVT1VT2RRe+VCC3.微电流源UBE1

-

UBE2

=

IE2ReIc2UBE2UBE1+--+≈

IC2ReUBE

≈UTlnICISUBE1

–UBE2≈UT(

lnIC1IS1IC2IS2–ln)≈IC2ReUTlnIC1IC2≈

IC2ReIE2下页上页首页[例5.3.1]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

。下页上页Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF①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。首页下页上页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。首页下页上页Ic13VT11VT10R4+VCCVT13VT12R5-VEEIc10IREF③不能简单认为Ic13

≈IREF。④

可认为Ic11

≈IREF。首页二、差分放大输入级+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT21.基本形式差分放大电路电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1）电路组成下页上页首页温度变化时，

UC1和UC2变化一致，

uO

保持不变。uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0静态时，ui1

=

ui2

=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。下页上页首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压

uId

两个输入电压大小相等、极性相反。下页上页差模输入电压首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2下页上页共模输入电压

uIc

两个输入电压大小相等、极性也相同。+-uo+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模输入电压首页下页上页实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2

，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:[例5.3.2]

uI1=5mV,uI2=1mV则:

uId=4mVuIc=3mV首页差模电压放大倍数AdΔuo

=

Δuc1

–

Δuc2=2

Δuc112=

2·Au1ΔuiΔuc1

=-

Δuc2

=12Au1Δui牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。下页上页（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比ΔuoΔui=

Au1Ad=首页共模放大倍数Ac

=ΔuoΔuic共模抑制比下页上页差模放大倍数共模放大倍数

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。共模抑制比首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe2.长尾式差分放大电路

引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流下页上页(1)电路组成首页+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe(2)静态分析IBQR

+UBEQ

+2IEQRe

=VEEVEE-UBEQR+2(1+β)

ReVCC-ICQRcβIBQ-IBQRIBIBICICUCUC+-UBEUBE+-2IEUB下页上页首页仿真（3）动态分析Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe

）Ro=2

Rc+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2RRL12RL12+-∆ui∆uc2∆uc1下页上页+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-∆uo=2∆uc1∆ui=∆uI1-

∆uI2

=2∆uI1首页[例5.3.3]在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。静态分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+

β)（

2Re+0.5

Rw

)UCQ=VCC-ICQRcICQ

≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR

+UBEQ

+IEQ（

2Re

+0.5

Rw

)

=VEE下页上页+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe接Rw的长尾式差分放大电路RwRLuI1首页动态分析：+∆uI1RRcVT1RL12∆uc1-0.5RwAd=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe

+（Rc//）12RLβRo=2

Rc∆uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie∆uc1=（Rc//）12RLβib（1+β）Rw2Rid=2[R+rbe

+（1+β

）Rw2]下页上页+-∆uo∆uI1RRcRcVT1VT2∆uI2R交流通路RL12RL120.5Rw0.5Rw首页3.恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）电路组成+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERLuI1I简化表示法下页上页恒流源式差分放大电路+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLuI1Rb2VT3首页(2)静态分析通常可从确定恒流三极管的电流开始。恒流源式差分放大电路+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRb1RLui1Rb2VT3URb1=Rb1Rb1+Rb2(VCC+VEE)ICQ3≈

IEQ3=ReURb1–UBEQ3ICQ1=

IEQ2≈12ICQ3βIBQ1=

IBQ2≈ICQ1UBQ1=

UBQ2=-IBQ1R

UCQ1=

UCQ2=VCC-

ICQ1RC下页上页首页仿真+-uoui2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwui1R1VT3VDz[例5.3.4]

估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad

。下页上页首页UB1=

-IB1RIE3IC3IC1IC2UC1UC2IB1IB1解：静态工作点下页上页+-uouI2+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEReRwuI1R1VT3VDz12IC3IC1=UC1=VCC-ICQRCβICQ1IB1

=Uz-UBE3ReIE3

=

首页仿真Ad=-R+

rbe

+β

Rc

（1+

β

）Rw2解：差模电压放大倍数下页上页+-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首页4.差分放大电路的输入、输出接法（1）差分输入、双端输出下页上页+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-首页（2）差分输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。下页上页首页+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo（3）单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。下页上页+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-首页（4）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+-下页上页首页仿真结论：1.双端输出时Ad

≈Au1Ro=

2

Rc理想情况下KCMR=

∞2.单端输出时Ad

=

Au112Ro=

RcKCMR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。单端输入时两个三极管仍基本工作在差分状态。Rid

≈

2（R+

rbe

）下页上页首页三、中间级1.有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现差分与单端信号间的转换。IVT2RVT3VT1ui

uo

-+-++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下页上页首页2.复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。VT1VT2VT3

RVT4

ui

uo

-+-++VCCIREF根据基准电流IREF

，即可确定放大管的工作电流。下页上页首页+VCCVT1VT2-VEEuiI+-VT4VT3下页上页ΔiC2

≈

-

ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1

=-ΔiC2ΔiO

=

ΔiC4

-

Δic2=

2ΔiC4放大管β

足够大iC3iC1iC2iC4iO电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。有源负载有源负载差分放大电路首页四、输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应