集成运算放大电路

集成运算放大电路第一页，共58页。第四版童诗白本章重点和考点：1.集成电路的特点。2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。3.理想集成运算放大电路（IC）的性能指标。本章教学时数：4学时

第二页，共58页。4.1集成运算放大电路概述集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成电压比较器；集成模拟乘法器；集成稳压器；集成高频放大器；集成数/模或模/数转换器等。第三页，共58页。集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式第四页，共58页。4.1.1集成运放的电路结构特点一.对称性好，适用于构成差分放大电路。二.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。三.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。四.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。五.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的≤10。常采用复合管的形式。第五页，共58页。一、输入级差分电路，大大减少温漂。二、中间级采用有源负载的共发射极电路，增益大。三、输出级互补对称电路，带负载能力强四、偏置电路电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。输入级偏置电路中间级输出级+uouid4.1.2集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图4.1.1集成运算的基本组成第六页，共58页。4.1.3集成运放的电压传输特性图4.1.2集成运放的符号和电压传输特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反向输入端uN。电压传输特性第七页，共58页。输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即uOuP-uN集成运放的工作区域线性区域：Aod为差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。+UOM-UOM第八页，共58页。4.2集成运放中的电流源电路集成运放电路中的晶体管和场效应管作用：1.放大管；2.构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流;3.作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。4.2.1基本电流源电路第九页，共58页。一、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基准电流由于UBE1=UBE2，T1与T2参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以当满足>>2时，则图4.2.1第十页，共58页。+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例电流源R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，则忽略基极电流，可得两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图4.2.2比例电流源第十一页，共58页。三、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。图4.2.3微电流源第十二页，共58页。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本关系因二极管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。图4.2.3微电流源第十三页，共58页。4.2.2改进型电流源电路问题：基本电流源电路在很小时，IR和IC2相差很大。为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。一、加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2第十四页，共58页。由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何证明）缺点：1.受电源波动影响大； 2.电流最低至mA级。IC2=IC1=IREF-IB3=IREF-IE3/(β+1)如β＝10IC2=0.982IREF

增加电阻Re2目的是使IE3增大。图4.2.4加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2第十五页，共58页。二、威尔逊电流源T1管的c--e串联在T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的Re相同。图4.2.5威尔逊电流源公式推导（略）当β＝10IC2=0.984IR可见，在β很小时，也可认为IC2=IR。IC2受基极电流影响很小。RIRIC2+VCCIC0IC问题：IR如何计算？第十六页，共58页。4.2.3多路电流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3电路图公式推导IC=IE＝IREF-∑IB/(β+1)当β较大时IC=IREF由于各管的β，UBE相同，IERE≈IREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3IC2≈IE2=IREFRE/RE2IC3≈IE3=IREFRE/RE3

IC1≈IE1=IREFRE/RE1所以ICT∑IBRIREFVCCT0ReIE图4.2.6基于图4.24的多路电流源第十七页，共58页。多集电极管构成的多路电流源图4.2.7多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。MOS管多路电流源图4.2.8MOS管多路电流源设沟道宽长比W/L＝S漏极电流之比正比于沟道的宽长比。第十八页，共58页。例4.2.1图4.2.9所示电路是F007的电流源部分。其中T10与T11为纵向NPN管；T12与T13是横向PNP管，它们的β为5，b-e间电压值约为0.7V，VCC=15V，R5=39K，试求各管的电流。图4.2.9F007中的电流源电路解IC10≈28uA+VCCVT8-VCCVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13T10和T11构成微电流源T12和T13构成镜像电流源第十九页，共58页。4.2.4以电流源为有源负载的放大电路在集成运放中，常用电流源电路取代RC或Rd，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得很大的等效RC或Rd的。晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。第二十页，共58页。一、有源负载共射放大电路1.电路图2.静态分析（求参考电流，略）3.动态分析TRb1Rb2rce2第二十一页，共58页。二、有源负载差分放大电路利用镜像电流源可以使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的情况。2.静态分析1.电路图3.动态分析放大电路采用差分输入、单端输出；工作电流由恒流源I决定；输出电流io=ic4

-

ic2=2ic4

RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图4.2.11有源负载差分放大电路恒流源I提供偏置电流，T3T4为有源负载。第二十二页，共58页。4.3集成运放电路简介集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路。本节主要分析集成运放电路的结构特点和工作原理；重点不是设计和改进集成电路,只是更好地理解集成电路的性能特点及主要参数,以便合理地使用集成块。相关预备知识点：1.BJT的三种组态和各组态的特点；2.集成运放四个组成部分;3.概念：差分放大电路、电流源电路、互补电路、复合管。第二十三页，共58页。4.3集成运放电路简介典型的集成运放双极型集成运放F007/uA741CMOS集成运放C14573一、引脚4.3.1双极型集成运放F007F007的引脚及连接示意图(a)(b)连接示意图12348765第二十四页，共58页。二、电路原理图偏置电路输入级中间级输出级第二十五页，共58页。1.偏置电路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至输入级至中间级基准电流：基准电流产生各放大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微电流源镜像电流源输入级镜像电流源中间级输出级图4.3.1-1F007的偏置电路第二十六页，共58页。2.输入级T1、T2、T3、T4组成共集-共基差分放大电路；T1、T2基极接收差分输入信号。T5、T6有源负载；（加射极输出器的比例电流源）

T4集电极送出单端输出信号至中间级。uO

RW调零电阻，R外接电阻。T7与R2组成射极输出器。+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9图4.3.1-2uI2uI1第二十七页，共58页。若暂不考虑T7和调零电路则电路可简化为：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1).T1、T2共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。(2).共基组态的T3、T4，与有源负载T5、T6组合，可以得到很高的电压放大倍数。(3).T3、T4共基接法能改善频率响应。(4).该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。图4.3.1.2简化示意图第二十八页，共58页。3.中间级图4.3.1-3中间级示意图+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF输入来自T4和T6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T16、T17组成复合管，T13作为其有源负载。8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。第二十九页，共58页。4.输出级IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2图4.3.1-4F007输出级原理电路

T14、T18、T19准互补对称电路；

D1、D2、R9、R10

过载保护电路；T15、R7、R8

为功率管提供静态基流，消除交越失真。调节R7、R8阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为UBE倍增电路。第三十页，共58页。4.3.2.单极型集成运放T2+vDD-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR一、电路结构双入双出差分式放大电路耗尽型NMOSFET对管T1、T2有源负载增强型NMOSFET对管T3T4偏置电路TREF、T5、T6T7组成。二、工作原理电路的基准电流

IREF＝ID5＝ID6＝I0静态分析

ID1＝ID2＝I0/2输出电压UoQ＝UoD1Q-UoD2Q＝0动态分析

uo＝uoD1-uoD2差模电压增益

AVD＝uo/uid＝-gm(rds1//rds3).第三十一页，共58页。4.4集成运放的性能指标及低频等效电路一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod为100~140dB。4.4.1集成运放的主要性能指标第三十二页，共58页。二、输入失调电压UIO三、输入失调电压温漂UIO

定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO为1~10mV；高质量运放：UIO为1mV以下。定义：一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；第三十三页，共58页。四、输入失调电流IIO五、输入失调电流温漂IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即定义：一般运放为几十~一百纳安；高质量的低于1nA。定义：一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。第三十四页，共58页。六、输入偏置电流IIB七、差模输入电阻rid八、共模抑制比KCMR定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。第三十五页，共58页。九、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、-3dB带宽fH表示Aod下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。第三十六页，共58页。十二、单位增益带宽

fc

Aod降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。十三、转换速率SR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/s。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。第三十七页，共58页。4.4.2集成运放的低频等效电路考虑各种失调因素时等效电路图不考虑各种失调因素的电路图第三十八页，共58页。4.5集成运放的种类及选择4.5.1集成运放的发展概况4.5.2集成运放的种类一、按工作原理分类1.电压放大型F007、F3242.电流放大型LM3900、F19003.跨导型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分类1.可变增益运放2.选通运放第三十九页，共58页。1.高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037）2.低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指标分类第四十页，共58页。3.高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130）4.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：第四十一页，共58页。常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）5.高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。6.大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。4.5.3运放的选择（略）第四十二页，共58页。4.6集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）二、使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因4.6.1使用时必做的工作第四十三页，共58页。2.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大第四十四页，共58页。4.6.2保护措施一、输入保护(a)防止输入差模信号幅值过大(b)防止输入共模信号幅值过大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保护元件保护元件uO+AR1RFD1D2uI保护元件图4.6.1输入保护措施第四十五页，共58页。二、电源极性错接保护保护元件：D1、D2三、输出端错接保护保护元件：稳压管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI图4.6.2利用稳压管保护运放图4.6.3电源接错保护第四十六页，共58页。四、输出限流保护+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保护元件：T1、T2(b)保护管工作特性正常工作时工作点在

A(饱和区)工作电流过大，工作点经B移到C或D点(恒流区)。(a)电路图BCDAICUCEO图输出限流保护第四十七页，共58页。4.6.3输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来输出电压幅值。+uNuPA图4.6.4提高输出电压的电路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1T2R1R2R3R4b1b2e1e2第四十八页，共58页。二、增大输出电流在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级。第四十九页，共58页。复习1：1.集成运放的电路结构特点？2.集成运放的组成部分？输入级常用什么结构？输出级常用什么结构？3.集成运放的二个工作区域？各自特点？第五十页，共58页。复习2:1.集成电路中电流源作用？2.集成电路中的基本电流源判断？镜像电流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2比例电流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2微电流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re加射极输出器的电流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC