第六章 集成运算放大电路

第六章

集成运算放大电路6.1集成放大电路的特点6.2集成运放的基本组成部分6.3集成运放的典型电路6.4集成运放的主要技术指标6.5理想运算放大器6.6各类集成运放的性能特点6.7集成运放使用中的几个具体问题本章重点和考点：1、集成电路的组成及特点。2、集成运放电路的理想性能指标3、偏置电路--电流源电路的作用4、差分放大电路的组态、分析与定性计算6.1集成放大电路的特点集成电路简称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。集成电路的外形图6.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。

2.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。

3.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)。

4.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。

5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的

≤10。6.2集成运放的基本组成部分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4.2.1集成运算的基本组成输入级中间级输出级偏置电路6.2.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。1.镜像电流源由图可知，T1和T2的b-e间电压相等，可得而电流放大系数因此IC1和IC2呈镜像关系，因此得名IC2为该电路的输出电流1.镜像电流源基准电流IREF将上式变换当时，输出电流1.镜像电流源温度补偿作用(以温度升高为例)当温度升高时(R)镜像电流源的局限性(1)若需要较大,势必增大,R的功耗也将增大(1)若需要较小,势必也小,R的数值必然很大2.带缓冲级的镜像电流源缓冲原理：利用T3管电流放大作用，减小了基极电流IB1和IB2对基准电流IREF的分流。具体分析如下电路结构：在镜像电流源T1管的集电极与基极间加一个射极输出的晶体管T3T1、T2和

T3特性完全相同，因此整理后可得即使很小,与也能保持很好的镜像关系3.比例电流源从右图可知根据BJT发射结电压与发射极电流的近似关系可得由于T1和T2的特性完全相同，所以代入上式，整理可得当时，，，所以在一定取值范围内，若上式中对数项可忽略，则

IC2与IR呈比例关系，通过改变Re1和Re2的阻值来改变其比例大小4.微电流源电路结构：在镜像电流源的T2管的射极电路接入电阻Re2当时，可得

由于的数值小，故用阻值不大的Re2即可获得微小的工作电流IC2，所以被称为微电流源根据电路结构，推导可得5.威尔逊电流源（高输出阻抗电流源）图中T1、T2和T3管特性完全相同，因而根据各管电流，A点电流方程为将上式变换在B点整理可得可见，在很小时，6.多路电流源电路结构：

在镜像电流源基础上得到的多路电流源，根据电路可得：由于各管的b—e间电压VBE大致相等，因此可得近似关系

当IE确定后，各级只要选择合适的射极电阻，就可以得到多个所需的电流7.FET电流源（1）电流源类型包括镜像电流源、微电流源、多路电流源等（2）分析方法与BJT电流源分析方法基本相同（3）电流源特点相比BJT电流源，具有精度高、输入电阻高、低噪声等特点例题：图示电路是型号为F007的通用型集成运放的电流源部分。其中T1与T2为NPN管；T3与T4为PNP管，它们的均为5，b-e间电压值约为0.7V。试求T1与T4的集电极电流解：图中R上的电流为基准电流，可得T1与T2构成微电流源，可得利用累试法求出T3与T4构成镜像电流源，由公式6.2.2差分放大输入级输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式基本形式长尾式恒流源式一、基本形式差分放大电路1.电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2假设电路完全对称当uId=0时UCQ1=UCQ2UO=0图4.2.6差分放大电路的基本形式抑制零漂2.电压放大倍数

VT1

和VT2

基极输入电压大小相等，极性相反，——称为差模输入电压(uId)。在差模信号作用下：差模电压放大倍数为3.共模抑制比差分放大电路输入电压差模输入电压uId共模输入电压uIc(uIc大小相等，极性相同)+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模电压放大倍数：Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好图4.2.7共模输入电压共模抑制比

KCMR

(1)

KCMR

描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；

(2)

理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMR=∞。

(3)

基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。1.电路组成+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe

Re

称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。

Re愈大，共模负反馈愈强。Ac愈小。每个管子的零漂愈小。对差模信号无负反馈。图4.2.8长尾式差分放大电路2.静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe当uId=0时，由于电路结构对称，故：

IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=

IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则ICQ

IBQ(对地)图4.2.8长尾式差分放大电路3.动态分析RcVT1VT2Rc+

uoRR

uI1

uI2则同理图4.2.8长尾式差分放大电路的交流通路图4.2.10接有调零电位器的长尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe输出电压为差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为复习：1.IC的组成：输入级、输出级、中间级和偏置电路2.偏置电路的作用和组成为各级放大电路提供合适的静态电流作为有源负载，提高电路的放大倍数+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2镜像电流源+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2比例电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re微电流源3.差分输入级的作用和组成作用：抑制零漂组成：+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe动态参数分析：三、恒流源式差分放大电路用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.电路组成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。图4.2.13恒流源式差分放大电路2.静态分析当忽略VT3

的基极电流时，Rb1上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到图4.2.13恒流源式差分放大电路3.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为RcVT1VT2Rc+

uoRR

uI1

uI2四、差分放大电路的输入、输出接法有四种不同的接法差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。1.差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+图4.2.16(a)

差分输入、双端输出2.差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo

uO

约为双端输出的一半，即若由VT2

集电极输出，uO

为“正”。图4.2.16(b)差分输入、单端输出3.单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+单端输入则当共模负反馈足够强时，三极管仍然基本工作在差分状态，所以图4.2.16(c)

单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改从VT2

集电极输出，则这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。图4.2.16(d)

单端输入、单端输出结论

(1)

双端输出时，Ad

与单管Au基本相同；单端输出时，Ad

约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。

(2)

双端输出时，理想情况下，KCMR

→

；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。

(3)

单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。

(4)

单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。

(5)

单端输出时，Rid

2(R+rbe)。差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高很高较高较高RidRo差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性

1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。

1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。

1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于将单端输入转换为双端输出。

1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。

4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。4.2.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的一、有源负载图4.2.17有源负载单管共射放大电路VT1：放大三极管；VT2：有源负载；VT3、VT2

镜像电流源。+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。基准电流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有源负载的差分放大电路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=2

ic4

+VCCVT1VT4VT3+uIioVT2IVEEic3ic1ic4ic2图4.2.18有源负载的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。二、复合管优点可以获得很高的电流放大系数

；提高中间级的输入电阻；提高了集成运放总的电压放大倍数。复合管的构成：+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1由两个或两个以上三极管组成。复合管共射电流放大系数

值由图可见图4.2.19+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1则三极管输入电阻

rbe其中所以显然，

、rbe

均比一个管子

1、rbe1提高了很多倍。图4.2.19构成复合管时注意

1.前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。

2.外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。复合管的接法VT1bVT2ec

VT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型图4.2.20复合管的接法(c)NPN型

cVT1bVT2e(d)PNP型

VT2VT1bec图4.2.20复合管的接法结论

1.两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的

1

2，复合管的rbe

=rbe1。2.两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的

1

2，复合管的rbe

=rbe1。3.在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。4.2.4输出级一、互补对称电路工作原理：当输入正弦电压uI

时uI>0，VT1导通，VT2截止iC1：+VCCVT1

RL

地uI<0，VT2导通，VT1截止iC2：地RLVT2

-VCC当uI

为正弦电压时，iL

与uO

基本上也是正弦波。R1VT1R2+uoRuI+VCCic2VT2ic1iB2iB1iLRL-VCCNPNPNPVD1VD2图4.2.21互补对称输出级说明：

1.互补对称电路工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强。

2.R1、R、R2、VD1、VD2

支路能够减小失真，改善波形。图4.2.22交越失真二、由复合管组成的功率输出级图4.2.3由复合管组成的互补对称电路Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCNPNVD1VD2VT1NPNVT3PNPPNPVT4图4.2.24准互补对称电路Rb1Rb2uoRuI+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1VT3VT4Rc1Rc2改进：缺点：由于VT3、VT4

类型不同，互补性差。三、过载保护电路二极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保护元件：VD3、VD4、Re1、Re2。输出电流正常，VD3、VD4截止，保护不起作用；若VT1

正向IC1

，URe1

，VD3

导通，IB1

，IC1

。输出电流无法增大，保护功率管VT1。若VT2

反向电流IC2

，URe2

，VD4

导通，IB2

，IC2

。避免VT2

电流过大。图4.2.25过载保护电路三极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVT3VT4Re1Re2保护元件：工作原理与二极管保护原理类似。VT3、VT4、Re1、Re2。

Re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。图4.2.25过载保护电路4.3集成运放电路简介典型的集成运放双极型集成运放F007CMOS集成运放C14573一、引脚4.3.1双极型集成运放F007

F007的引脚及连接示意图(a)(b)连接示意图12348765二、电路原理图图4.3.2F007电路原理图1.偏置电路+VCCVT8-VCCVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC12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4.3.3F007的偏置电路2.输入级

VT1、VT2、VT3、VT4组成共集-共基差分放大电路电路；VT1、VT2

基极接收差分输入信号。VT5、VT6

有源负载；

VT4

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。

VT7

与R2组成射极输出器。

+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9图4.3.4uI2uI1若暂不考虑VT7

和调零电路则电路可简化为：+VCC-VEEI3,4VT4VT2VT3VT1I8RCRCuI1uI2uO

1.VT1、VT2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VT3、VT4，与有源负载VT5、VT6组合，可以得到很高的电压放大倍数。

3.VT3、VT4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4.3.5

简化示意图3.中间级图4.3.6中间级示意图+VCC-VEEVT15VT16IC13R7

VT17R830pF

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。

8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。4.输出级IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD1R9R10VT19VT18R7VT15VD2图4.3.7F007输出级原理电路

VT14、VT18、VT19

准互补对称电路；

VD1、VD2、R9、R10

过载保护电路；

VT15、R7、R8

为功率管提供静态基流。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

扩大电路。4.4集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号+A反相输入端同相输入端输出端一、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。图4.4.1运算放大器的符号二、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10~20

V；高质量运放低于每度0.5

V以下；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。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。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。十二、单位增益带宽BWG

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。4.5理想运算放大器4.5.1理想运放的技术指标开环差模电压增益Aod=∞；输出电阻ro

=0；共模抑制比KCMR=∞；差模输入电阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、

UIO=

IIO=0；输入偏置电流IIB=0；-3dB带宽fH

=∞，等等。4.5.2理想运放工作在线性区时的特点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+Aod理想运放工作在线性区特点：1.理想运放的差模输入电压等于零即——“虚短”图4.5.1集成运放的电压和电流2.理想运放的输入电流等于零由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即——“虚断”4.5.3理想运放工作在非线性区时的特点传输特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性图4.5.2集成运放的传输特性理想运放工作在非线性区特点：当u+>u-

时，uO

=+UOPP当u+<u-时,uO

=-

UOPP1.uO

的值只有两种可能在非线性区内，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-。“虚地”不存在2.理想运放的输入电流等于零——“虚断”实际运放Aod

≠∞，当u+与u-

差值比较小时，仍有Aod

(u+

-

u-

)UOPP，运放工作在线性区。例如：F007的Uopp=±14V，Aod

2×105

，线性区内输入电压范围uOu+-u-O实际特性非线性区