电路与电子技术基础 课件 第5章1 集成运算放大器及其应用

第5章集成运算放大器

1了解电流源电路的工作原理及特点。理解解差动放大电路的组成。理解抑制零点漂移的工作原理。掌握差动放大器的主要技术指标的计算方法。理解集成运算放大器的基本组成及主要参数的意义。理解集成运放的电压传输特性，掌握集成运放的分析与计算方法。

第5章集成运算放大器

集成电路是采用半导体集成工艺，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块硅片上，做成具有特定功能的独立电子线路。具有性能好、可靠性高、体积小、耗电少、成本低等优点。集成运算放大器简称运放。集成运放是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。目前，集成运放作为一种通用模拟集成器件被广泛用于各种电子系统及设备中。

集成运放的结构组成特色：2

5.1集成运放的概述345.2电流源电路电流源（CurrentSource）电路是广泛应用于集成电路中的一种单元电路。在集成电路中，电流源除了作为偏置电路提供恒定的静态偏置电流外，还可利用其交流输出电阻大的特点，作有源电阻使用，以提高单级放大电路的电压放大倍数。电流源的类型较多，如书中表5.1所示，其广泛应用在集成运算放大器中。1.镜像电流源T2T1IrIoR+UCCRo=rce25Ir=IC1+2IB=(β+2)IBIB=Ir/(β+2)IO=βIB=βIr/(β+2)2.镜像电流源电路用作有源负载T2T3+UCCui

RT1

iruO

电流源电路用作有源负载

由于电流源电路具有直流电阻小而交流（动态）电阻大的特点，所以，在模拟集成电路中广泛地把它作为负载使用，称为有源负载。左图所示电路中，由T2、T3管组成的镜像电流源作为T1管（共发射极放大电路）的集电极有源负载。

因为电流源电路的交流电阻很大，所以它可使单级共发射极放大电路的电压达103，甚至更高。电流源电路也常用作射极负载。6

5.3.1直接耦合放大电路中的主要问题

直接耦合放大电路可以放大直流信号。如果一个电路的输入信号为零时，而输出信号却不为零，我们将这种现象称为零点漂移，简称零漂。

零漂是直接耦合放大电路中存在的主要问题。在多级放大电路中，第一级电路的零漂决定整个放大电路的零漂指标。

75.3差动放大电路5.3.2差动放大电路的组成及工作原理

要求电路参数对称，发射极共用电阻RE。电路具有两个输入端，也可单端输入；具有两个输出端，也可单端输出。这样，差动放大器具有四种输入、输出方式。81.静态工作情况静态时，ui1=ui2=0，由于电路结构及元件参数的对称性，两边的集电极电流相等，集电极电位也相等，即：IC1=IC2，UC1=UC2故输出电压：UO=UC1－UC2=0当温度升高时，两管的集电极电流增大，集电极电位下降，且两边的变化量相等，即：

虽然每只管子都产生了零点漂移，但是在双端输出时，两管集电极电位的变化相互抵消，所以输出电压仍为零，即可见，零点漂移完全被抑制了，对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移（不管是什么原因引起的）都具有抑制作用，这是它的突出优点。9

105.3.3差动放大电路的分析计算RE+UO－RC－UEERCT2+UCCT1ICQ1ICQ2IEQ

差放直流通路RBRBIBQ2IBQ1IEQ1IEQ21.双端输入、双端输出差放直流电路分析ICQ1=ICQ2，IBQ1=IBQ2，IEQ1=IEQ2，UCQ1=UCQ2因此，静态时差动放大电路的输出电压为零，即：

UO=UCQ1－UCQ2=0。ui=0，则UEE=IBQRB+UBEQ+IEQRE，忽略IBQ、UBEQ得：

11注意：对于单独的T1和T2两级，RE分别等效为2RE。2.动态电路分析

（1）双入、双出差放

动态差模输入分析图5-6双端输入、双端输出差动放大电路的差模输入电路+ui1=uid/2－+uid－RBRBRE+uod－RC－UEERCT2+UCCT1+ui2=－uid/2－RL12画出差模交流通路由于在ui作用下，Δie1增加，Δie2减少，iE不变，故RE无穷大，相当于开路。+ui1=uid/2－+uid－RBRB+uod－RCRCT2T1+ui2=－uid/2－RL/2RL/2RBRB－uid/2++uid/2－+

uod

－RCRCT2T1RL/2RL/2+Uid－+uod1－－uod2+

13①差模电压增益双端输入双端输出差动放大电路的差模电压增益为：

上式表明，双端输入双端输出差动放大电路的差模电压增益等于其差模交流通路中单边放大电路的电压增益，即：

其中：14注：uod1与uod2反相

双端输入单端输出差放电路以负载电阻RL接在T1管的集电极到地之间为例，如图5-8（a）所示，则其差模交流通路如图5-8（b）所示。15

16

②差模输入电阻无论是双端输出还是单端输出，双端输入差动放大电路的差模输入电阻是相同的，都等于单边放大电路输入电阻之和，即Rid=2(RB+rbe)

③差模输出电阻双端输出时，差动放大电路的差模输出电阻为Rod≈2RC

单端输出时，差动放大电路的差模输出电阻为Rod1=Rod2≈RC

（2）共模输入电路分析17①共模电压增益

双入、双出差放共模输出电压为uoc=uc1－uc2=0故得差动放大电路双端输出时的共模电压增益为：双入、单端输出时的共模电压增益为：18②共模输入电阻无论是双端输出还是单端输出，从输入端看进去的共模输入电阻均为③共模输出电阻双端输出时，差动放大电路的共模输出电阻为：Roc≈2RC

单端输出时，差动放大电路的共模输出电阻为：Roc1=Roc2≈RC

（3）共模抑制比KCMR

双端输出时，共模抑制比为：单端输出时，共模抑制比为：

19四种差分放大电路性能一览表:20

5.3.4恒流源差动放大电路

在典型差动放大电路中，RE愈大，抑制共模信号的能力愈强，但是若RE过大，RE上的直流压降增大，相应地要求负电源UEE的电压很高；而且，在集成电路中制造大电阻十分困难。为了达到既能增强负反馈（RE起共模负反馈的作用），又不必使用大电阻，也不致要求UEE电压过高的目的，采用恒流源电路替代RE在电路中的作用，见图（a）。图（b）为其简化画法。（a）T3RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEER3R2R1RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEEI0ro（b）21

22

恒流源作为差分放大电路的负载T3、T4恒流源电路作为T2负载电阻，提高电压放大倍数。235.4集成运算放大器实例5.4.1实际应用电路内部电路组成892VT3VT4VT1VT2+VT12+VCC+15VVT7R11kΩ3VT13VT16VT17R927ΩR45kΩR539kΩ－VEE－15VR7100ΩR6R31kΩIREF

－VT5VT615VT8VT9VT11VT1050kΩVT22VT23R850kΩVT18VT19ABVT24R1022ΩVT21VT20VT14VT15746输入级输出级中间级偏置电路50kΩRPCC30pF2425（1）偏置电路

集成运放采用电流源偏置技术，电流源电路包含在各级电路中，它不仅为各级电路提供稳定的恒流偏置，而且也作为放大级的有源负载。其中T10、T11、T12管和R4、R5组成的微电流源，作为整个集成运放的主偏置级；T8、T9为一对横向PNP型管，它们组成镜像电流源，为输入级T1、T2管提供偏置电流；T12、T13管组成双输出的镜像电流源，其中T13管为双集电极的横向PNP型管，可以看作是两个三极管。一路输出为T13B的集电极，主要作为中间放大级的有源负载；另一路输出为T13A的集电极，供给输出级的偏置电流，使T14、T20工作在甲乙类放大状态，同时也作为T23A的有源负载。

(2）差动输入级输入级是由T1～T7管组成的差动放大电路组成，其中，T1、T3和T2、T4组成共集-共基组合差动放大电路，T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作为其有源负载。输入级为双端输入、单端输出，其中，T1管的基极为同相输入端，T2管的基极为反相输入端；引自T4、T6公共集电极的单端输出是中间放大级的输入信号。26（3）中间增益级

中间增益级由T16、T17管组成。其中，T16管构成射极输出器，因此，中间级的输入电阻很高，这样，就可大大降低中间级对输入级的负载效应，从而保证了输入级的高电压增益。从这个意义上讲，T16管是用作输入级和中间级的隔离级。中间级的增益主要是由T17管组成的共发射极电路提供，T13B和T12组成的镜像电流源为其集电极有源负载，本级的电压增益可达55dB。此外，为了消除运放在深度负反馈时的自激振荡，在中间级采用了频率补偿技术，Cφ为密勒补偿电容。

（4）互补功率输出级和保护电路

输出级采用了互补推挽功率放大电路，由T14、T20管组成。T18、T19和R10组成的电路用于提供T14、T20管的静态偏置电压，使其工作在甲乙类状态，以克服交越失真。27285.4.2集成运算放大器的主要参数1.与运算精度有关的参数（1）交流参数①开环差模电压放大倍数Aod指在规定负载的情况下，运放开环（不加反馈）时的差模电压放大倍数。

②共模抑制比KCMRKCMR指运放的开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比，通常用分贝表示，即：③差模输入电阻RidRid指当运放加差模信号时，从运放两个输入端看进去的等效电阻。（2）直流参数①输入偏置电流IIB输入偏置电流IIB是指集成运放两个输入端静态电流的平均值：29②输入失调电压UIO及其温漂△UIO/△T

由于差动输入级的不完全对称，在输入为零时，为使输出也为零而在输入端所加的补偿电压，称为失调电压UIO。UIO值越大，说明电路的对称程度越差。失调电压UIO随温度而变化，其比值△UIO/△T称为失调电压温漂。③输入失调电流IIO及其温漂△IIO/△T输入失调电流IIO是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的差，即IIO=∣IB1-IB2∣。输入失调电流IIO随温度而变化，其比值△IIO/△T称为失调电流温漂。2.与工作速率和工作频率有关的主要参数①开环带宽BWAod下降3dB时对应的输入信号频率为BW。②转换速率SR转换速率SR反映运放对高速变化信号的响应速度，定义为：303.与器件安全工作有关的参数

①最大差模输入电压Uidmax指的是保证集成运放正常工作，反相和同相输入端之间所能承受的最大电压值，它对应于差放对管中三极管发射结的反向击穿电压。②最大共模输入电压Uicmax指的是保证集成运放正常工作，反相和同相输入端同时加入电压的最大电压值，它对应于差放对管中三极管饱和或截止时所对应的输入电压值。5.4.3理想运算放大器的概念及其特点1.集成运放理想化的条件（1）开环差模电压放大倍数Aod→∞；（2）差模输入电阻Rid→∞；（3）差模输出电阻Rod→0；（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）输入偏置电流IIB→0；（6）输入失调电压UIO、失调电流IIO及它们的温漂均为零。312、

理想运放的特点

理想运放工作在饱和区时，当u+>u-时，uO=+UOM(忽略管饱和压降后，约为UCC)当u+<u-时，uO=-UOM

(忽略管饱和压降后，约为-UEE)理想特性图5-15集成运放的电压传输特性u+－u－+UOMOuo－UOM线性区饱和区饱和区实际特性①虚假短路（虚短）当运放工作在线性区时，其输出电压与两个输入端的电压之间存在线性关系，即：

uo=Aod(u+－u-)