第五章集成运算放大器的基础

本文格式为Word版，下载可任意编辑——第五章集成运算放大器的基础第5章集成运算放大器的基础5.1集成运算放大器中的电流源电路5.1.1镜像电流源1、基本镜像电流源

其电路如图4.2.2所示。V1、V2是做在同一小块硅片上的两个相邻三极管，由于工艺、结构及材料均一致，因此，二者性能参数一致，又因UBE1=UBE2=UBE，因此电流也对称相等，即IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC由图可得R中的电流为IR=ccU?UBER

根据分流关系，又可有

IR?IC1?2IB?IC1?2IC?Ic1(1?2)

??

当β>>2时，有

IC2?IR?UCC?UBER

我们称IR为基准电流，而将IC2作为输出电流，供给其它放大级。由上式可知，IC2等于IR，一旦IR确定，IC2便随之确定，IR稳定，IC2也随之稳定，IC2与IR成为一种镜像关系，故称其为镜像电流源。镜像电流源的输出电流IC2只决定于基准电流IR，而与V2集电极负载大小及性质无关。

2、带缓冲级的镜像电流源

对于基本镜像电流源来说，只有在三极管的β值较大时，才能认为输出电流IC2和参考电流IR近似相等，否则这两个电流间就存在着较大的区别。为了解决这一问题，在电路中参与三极管V3，如下图所示。利用V3的电流放大作用，进一步减小了V1和V2基极电流对IR的分流作用，从而提高了IC2对IR的镜像程度。为避免V3的射极电流过小，使三极管不能正常工作，参与电阻Re使IE3增加。

IO1IRRIB3T3IC1IB1T1IC2T2IB2Re3

带缓冲级的镜像电流源

?1??2??3??且???1

IC1?IC2,IB1?IB2?IC2?

IC2当IRe3??IB2时，IE3?2IB2?2?

IE3?IB3(1??)?(IR?IC1)(1??)

IC2?IR1?2/?2

5.1.2微电流源

在集成电路中，有时需要微安级的小电流，假使利用基本镜像电流源实现，就必需提高电阻R的阻值，而大电阻的制作在集成电路中十分困难。为解决这个问题可以采用图3-20所示的微电流源电路。与基本镜像电流源相比，在V2的发射极接入电阻Re2，由图可知，当参考电流IREF一定时，可确定IO。

图3-20微电流源由于

UBE1-UBE2=ΔUBE=IE2Re2所以

IO?IC2?IE2??UBERe2

由于两个三极管发射结电压之差ΔUBE是一个较小的数值，因此利用不大的Re2就可以获得较小的恒流输出，故称为微电流源。5.1.3多路电流源

设各管的参数值一致

IC?IREF??IB/?，当较大时，有

IC?IR?IE4

IERE4?IE1RE1?IE2RE2?IE3RE3

所以

IC1?IE1?IRRE4RE1,IC2?IE2?IRRE4RE2,IC3?IE3?IRRE4RE3

所以在IR确定后，通过改变各个电流源的射极电阻值，即可获得各路不同的电流源。5.2差分放在电路

图3-5典型基本差动放大电路一、静态分析及抑制零漂原理1、静态分析

当ui1=ui2=0时，由于电路完全对称，因此电路对称两边的静态参数也应完全一致。以V1管为例，其静态基极回路由-UEE、UBE和Re构成，但需要注意的是，流过Re的电流是V1、V2两管发射极电流之和，如图3-5所示。则V1管的输入回路方程为UEE=UBE+2IE1Re所以，静态射极电流为

IE1?UEE?UBE2Re?IC1

静态基极电流为

IB1?IC1?

静态V1管压降为

UCE1=UCC+UEE-IC1Rc-2IE1Re（3-3）由于电路参数对称，故V2管的静态参数与V1管一致。静态时，两管集电极对地电位UC1=UC2（不为0），而两集电极之间电位差为零，即输出电压uo=UC1-UC2=0。2、抑制零点漂移的原理

1）所谓零点漂移，就是放大电路在没有输入信号时，由于电源波动、温度变化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个变化量会被直接耦合放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，导致“零入不零出〞。放大器的级数越多，放大倍数越大，零点漂移的现象就越严重。

图3-3直接耦合放大电路的零点漂移

2）温度漂移：由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。3）抑制零点漂移的原理

当温度发生变化时，由于电路参数对称，T1管和T2管所产生的电流变化相等，即

，

；因此，集电极电位的变化

也相等，即。输出电压。说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在电路参数完全对称的状况下，共模输出为零。二、动态分析

由于差分放大电路结构为直接耦合形式，因此输入信号可以是直流，也可以是交流信号。

1、输入信号的类型：共模信号与差模信号

1）差模信号：假使两个输入信号的大小一致、极性相反，即ui1=-ui2，则这种输入方式叫做差模输入。假设加在V1管的ui1为正值，则ui1使V1管的集电极电流增大ΔIC1，V1的集电极电位因而降低了ΔUC1；和V1相反，在ui2的作用下，V2的集电极电位升高了ΔUC2。所以差模输入时，两管的集电极电位一增一减，变化的方向相反，变化的大小一致，就像是“跷跷板〞的两端。两个集电极电位的差值就是输出电压uo，即

uo=ΔUC1-ΔUC22）共模输入（共模信号）

假使两个输入信号的大小一致、极性也一致，即ui1=ui2，这种输入方式叫做共模输入。对于完全对称的差动放大电路来说，共模输入时两管的集电极电位必然一致，因此有uo=ΔUC1-ΔUC2=0。所以在理想状况下，差动放大电路对共模信号没有放大能力。实际上，我们说差动放大电路对零点漂移有抑制作用，就是对共模信号的抑制作用。由于引起零点漂移的温度等因素的变化对差动电路来说相当于输入了一对共模信号，所以差动放大电路对零点漂移的抑制就是对共模信号抑制的一种特例。2、差模输入

1）双端输入、双端输出差模交流通路

ui1??ui2，?ic1???ic2?iE1???iE2

则?iE?0,所以Re上不存在差模信号。Re可视为短路。

2）双端输入、双端输出差模电压放大倍数

Aud?uouid?uo1?uo2ui1?ui2?2uo12ui2???RCrbe

当接有负载时

Aud????RLrbe??RC//RL/2,RL

3)双端输入、双端输出差模的输入电阻和输出电阻

Rid?2rbe

Rod?2RC4）双端输入、单端输出差模电压放大倍数

Aud1?uo1ui1?ui2?uo12ui1?12Aud???RC2rbe

接负载后

Aud1????RL2rbe

??RC//RLRL3、共模输入和共模抑制比（1）双端输出的共模电压放大倍数

ui1?ui2，?ic1??ic2?iE1??iE2

所以，?iEAuc?uocuic?2?iE1

?0

共模电压放大倍数越小，说明抑制零漂能力越强。

（2）双端输出的共模抑制比

差分放大电路的作用就是放大差模信号，抑制共模信号。抑制能力寻常用共模抑制比来表示KCMR

KCMR?AudAuc，越大抑制能力越强，一般用分贝来表示

AudAucKCMR?20lg

理想状况共模抑制比为无穷大，但实际上电路并不对称，集成电路中一般为120140.

（3）单端输出的共模电压放大倍数和共模抑制比

Auc1?uo1ui1????RLrbe?2(1??)Re

??RC//RLRL当

???时，Auc1????RL2Re

KCMR?AudAuc?Rerbe

(4)共模输入电阻

RiC?uic2ib?12[rbe?(1??)2Re]

5．2．2差分放大电路的四种接法单端输入：当ui?ui1,ui2?0,称为单端输入方式。

一、输入信号的分解当ui1?ui2时，可以采用等效变换，将原有信号分解成差模信号和共模

信号。具体的分解方法为：

差模输入的分解

uid?ui1?ui2uid1??uid2??1212uiduid

共模的分解

uic?12(ui1?ui2)

?ui,ui2?0时

12uid当单端输入时，ui1uid?ui;uid1??12uid,uid2??

而uic?12ui?uic1?uic2。由此可知单端输入与双端输入的工作原理一样。

二、单端输入差分放大电路的分析

1、双端输出时，共模放大理论上为零，所以

u0?uidAud??uid??RLrbe??ui??RLrbe

与双入双出时分析的结果一样。2、单端输出时，uo?uidAud?uicAuc=?uiRiC?uic2ib?12??RL2rbe??uiRL22Re[rbe?(1??)2Re]

Rid?2rbeRO?RC

三、四种接法的差分放大电路

5.3集成运算放大器

5.3.1集成运算放大器的典型结构一、集成运算放大器概述

运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，由于它最初主要用作模拟计算机的运算放大，故至今仍保存这个名字。集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。集成运算放大器简称为集成运放。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，目前，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以便利地实现好多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的核心器件之一。

(1)所有元件都是在同一硅片上，在一致的条件下，采用一致的工艺流程制造，因而各元件参数具有同向偏差，性能比较一致。这是集成电路特有的优点，利用这一优点恰恰可以制造像差动放大器那样的对称性要求很高的电路。实际上，集成电路的输入级几乎都无例外地采用差动电路，以便充分利用电路对称性，使输出的零漂得到较好的抑制。

(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，高阻值电阻在硅片上占用面积很大，难以制造，而制作晶体管在硅片上所占面积较小。例如，一个5kΩ电阻所占用硅片的面积约为一个三极管所占面积的三倍。所以，常采用三极管恒流源代替所需要的高值电阻。

(3)集成电路工艺不宜制造几十微微法以上的电容，更难以制造

电感元件。为此，若电路确实需要大电容或电感，只能靠外接来解决。由于直接耦合可以减少或避免使用大电容及电感，所以集成电路中基本上都采用这种耦合方式。

(4)集成电路中需用的二极管也常用三极管的发射结来代替，只要将三极管的集电极与基极短接即可。这样做的原因主要是这样制作的“二极管〞的正向压降的温度系数与同类型三极管的UBE的温度系数十分接近，提高了温度补偿性能。由此可见，集成电路在设计上与分立元件电路有很大区别，这在分析集成电路的结构和功能时应当予以注意。

二、集成运放的封装符号与引脚功能

U1132OPAMP_3T_VIRTUAL

三、集成运算放大器的内部电路简介

集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不一致，但其内部电路的基本结构却大致一致。本节主要从使用的角度来介绍典型集成运放内部电路的组成、工作原理和性能，从而对集成运放有个全面而深入的了解。

集成运放的内部电路可分为输入级、偏置电路、中间级及输出级四个部分。输入级由差动放大器组成，它是决定整个集成运放性能的最关键一级，不仅要求其零漂小，还要求其输入电阻高，输入电压范围大,并有较高的增益等。偏置电路用来向各放大级提供适合的静态

工作电流,决定各级静态工作点。在集成电路中，广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。

中间级主要是提供足够的电压放大倍数，同时承受将输入级的双端输出在本级变为单端输出，以及实现电位移动等任务。输出级主要是给出较大的输出电压和电流，并起到将放大级与负载隔离的作用。常用的输出级电路形式是射极输出器和互补对称电路，有些还附加有过载保护电路。下面以国产其次代通用型集成运放F007(5G24、μA741)为例，对各部分电路的功用作以分析。

F007的电原理图如图4.2.1所示。电路共有九个对外引线端：②、③为信号输入端，⑥为信号输出端，在单端输入时，②和⑥相位相反，③和⑥相位一致，故称②为反相输入端，③为同相输入端；⑦和④为正、负电源端；①和⑤为调零端；⑧和⑨为（消除寄生自激振荡的）补偿端。

1.输入级

输入级的性能好坏对提高集成运放的整体质量起着决定性作用。好多性能指标，如输入电阻、输入电压（包括差模电压、共模电压）范围、共模抑制比等，主要由输入级的性能来决定。

在图4.2.1中，V1～V7以及R1、R2、R3组成F007的输入级。其中，V1～V4组成共集—共基复合差动放大器（V1、V2为共集电路，V3、V4为共基电路），构成整个运放的输入电路。

差模信号由V1、V2的基极（②、③端）输入，经放大后由V4、V6的集电极以单端形式输出到中间级V{16}的基极。V5、V6、V7构成V3、V4的有源负载。

由V1、V2组成的共集电路输入电阻已经很高，它们的发射极又串有V3、V4共基电路的输入阻抗，使输入端②、③之间的差模输入阻抗比一般差动电路提高一倍，可高达1MΩ。2.偏置电路

在集成运放中，为了减少静耗、限制温升，必需降低各管的静态电流。而集成工艺本身又限制了大阻值偏置电阻的制作，因此，集成运放多采用恒流源电路作为偏置电路。这样既可使各级工作电流降低，又可使各级静态电流稳定。F007中采用的恒流源电路是“镜像电流源〞及“微电流源〞电路。

图4.2.4示出了F007的偏置电路，由V8至V{13}以及R4、R5组成。图中共三对镜像电流源，它们是V8与V9、V10与V11、V12与V13（其中V10与V11是微电流源）。流过R5的电流IR是V{12}与V{13}、V{10}与V{11}这两对电流源的基准电流。3.中间级

中间级是由V16、V17组成的复合管共射放大电路，其输入电阻大，对输入级的影响小；其集电极负载为有源负载（由恒流源V13组成），而V13的动态电阻很大，加之放大管的β很大，因此中间级的放大倍数很高。

此外，在V16、V17的集电极与基极之间还加接了一只约30pF的补偿电容，用以消除自激。4.输出级

F007的输出级主要由三部分电路组成：由V14、V18、V19组成

的互补对称电路；由V15、R7、R8组成的UBE扩大电路；由VD1、VD2、R9、R10组成的过载保护电路。信号从中间级的V13、V16（V17）的集电极加至互补对称电路两管基极，放大后从⑥端输出。过载保护电路是为防止功放管电流过大造成损坏而设置的。5.3.2集成运放的主要参数与类型

5.4集成运算放大器的分析方法及基本运算电路5.4.1理想运算放大器及传输特性一、理想集成运放

在分析集成运放构成的应用电路时，将集成运放看成理想运算放大器，可以使分析大大简化。理想运算放大器应当满足以下各项条件：开环差模电压放大倍数Auo=∞；差模输入电阻Rid=∞；输出电阻Ro=0；带宽BW=∞，转换速率SR=∞；共模抑制比KCMR=∞；

失调电压、失调电流及它们的温漂均为0；上限频率fH=∞。

尽管理想运放并不存在，但由于实际集成运放的技术指标比较理想，在具体分析时将其理想化一般是允许的。这种分析计算所带来的误差一般不大，只是在需要对运算结果进行误差分析时才予以考虑。本书除特别指出外，均按理想运放对待.

在分析运放应用电路时，还须了解运放是工作在线性区还是非线

性区，只有这样才能依照不同区域所具有的特点与规律进行分析。二、集成运放的传输特性1、传输特性

实际电路中集成运放的传输特性如图6.1所示

＋Uomuo非线性区

非线性区－UomO线性区ui2．集成运放的线性应用

集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成运放工作在线性区时,具有两个重要特点：1）Auo→∞,则,u??u?

上式说明,同相端和反相端电压几乎相等,所以称为虚假短路,简称“虚短〞。

2)由集成运放的输入电阻Rid→∞,得i??i??0

上式说明,流入集成运放同相端和反相端的电流几乎为零,所以称为虚假断路,简称“虚断〞

3．集成运放的非线性应用

当集成运放工作在开环状态或外接正反馈时,由于集成运放的Auo很大,只要有微小的电压信号输入,集成运放就一定工作在非线性区。其特点是:输出电压只有两种状态,不是正饱和电压＋Uom,就是负

饱和电压－Uom。

（1）当同相端电压大于反相端电压,即u＋>u－时,uo=＋Uom

（2）当反相端电压大于同相端电压,即u＋反相相加。2、减法运算

能实现减法运算的电路如图6.6（a）所示。

ui1R3R1－R2＋＋uo1R1ui2R2ui1R3＋－＋uoRfR1ui2－＋＋R′3＝R2//R3uo2Rf∞∞(a)(b)Rf∞(c)图6.6减法电路

根据叠加定理,首先令ui1=0,当ui2单独作用时,电路

成为反相比例运算电路,如图６.６(b)所示,其输出电压为

uo2??RfR1u12再令ui2=0,ui1单独作用时,电路成为同相比例运算电路,如图６.６（c）所示,同相端电压为

uo?uo1?uo2???(1?RfR1)(u??R3R2?R3RfR1ui1)(R3R2?R3)ui1uo2?(1?RfR1ui2?(1?)ui1?RfR1RfR1)u?R3R2?R3ui2当R1=R2=R3=Rf=R时,uo=ui1－ui2。在理想状况下,它的输出电压等于两个输入信号电压之差,具有很好的抑制共模信号的能力。但是,该电路作为差动放大器有输入电阻低和增益调理困难两大缺点。因此,为了满足输入阻抗和增益可调的要求,在工程上常采用多级运放组成的差动放大器来完成对差模