模拟电子技术基础第三版 5运放4.14 学习资料

第五章集成运算放大电路

5.1集成放大电路的简介

5.2集成运放的主要技术指标

5.3集成运放的基本组成

5.4集成运放的典型电路

5.5理想运算放大器

5.6各类集成运放的性能特点

5.7集成运放使用中的几个具体问题讲师李春林阶平楼4585.1集成放大电路的简介集成电路IntegratedCircuit(简称IC)电子器件的发展：第一代：1904年真空管第二代：1948年半导体器件管第三代：1959年集成电路——小规模集成电路单块芯片上包含100个元件或10个逻辑门以下的集成电路门数超过5000个，或元件数高于10万个的则称超大规模集成电路第四代1974年大规模集成电路(LSI)单块芯片上门数有100─100

000个元件的称大规模集成电路的集成电路第五代超大规模集成电路(VLSI)集成电路的分类：按照功能来分类：数字集成电路模拟集成电路输入和输出量为高低两种电平，并且具有一定的逻辑关系的电路输入和输出量为模拟信号的电路按照模拟集成电路的类型来分类：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稳压器集成数/模和模/数转换器集成电路的外型：双列直插式圆壳式扁平式集成运算放大电路的特点：1、对称性好2、集成电阻阻值较小。范围为几十欧到几十千欧3、集成电路中常用三极管代替大电阻。4、通常采用直接耦合的方式。5、集成电路中的PNP一般做成横向的，值较小。为什么称为集成运算放大器？1、集成运放的符号A+-U-U+Uo由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。反相输入端输入信号与输出信号的相位相反同相输入端输入信号与输出信号的相位相同输出端开环放大倍数5.2集成运放的主要技术指标2、集成运放的主要技术指标（1）.开环差模电压增益

Aod它的定义是Aod

=20lgΔUo

ΔU--ΔU+Aod是指运放无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。（2）.差模输入电阻

rid（3）.共模抑制比KCMRΔ

UIdrid的定义是rid

=Δ

IId它的定义是KCMR

=

20lgAod

Acd用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。（4）.输入失调电压

UIo（5）.输入失调电压温漂

αUIOdUIodT它的定义是αUIO

=UIo的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIo的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。（6）.输入失调电流

IIO（7）.输入失调电流温漂

αIIO即IIO=IB1-IB2dIIodTαI

IO的定义是αIIO

=IIO的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。（8）.最大共模输入电压

UIcm集成运放输入端所能承受的最大共模电压。

（9）.最大差模输入电压

UIdm（10）.-3dB带宽

fH（11）.转换速率

SR集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。

下降3dB时的频率。在额定负载条件下，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/μs。（12）.输入偏置电流

IIB即IIO=IB1+IB212IIB

是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。IIB的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值，（13）.单位增益带宽

BWGAod降至0dB时的频率。偏置电路输入级中间级二、电路原理图5.3集成运放的基本组成部分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输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成5.3.1偏置电路作用：是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级的静态工作点。对输入级要求提供比较小的偏置电流，且要稳定，以提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流和温漂。镜像电流源比例电流源微电流源常用的偏置电路一、镜像电流源++--UBE1UBE2RIC2IREFIC12IBIB1IB2+VccVT1VT2IB1=IB2=IBIC1=IC2=IC

若

>>2时镜像电流源的特点：1、能提供镜像电流。2、有温度补偿作用。3、受电源变化影响大。4、要得到小电流，就要有较大的R。5、由于rce,UCE变化时，IC2也变化，恒流性非理想。二、比例电流源RIC2IREF+VccVT1VT2R1R2UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2IE1R1

IE2R2若忽略基极电流，则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。三、微电流源引入Re后，UBE2<UBE1UBE1-UBE2=IE2ReIC2ReIREFRIC2+VccVT1VT2ReIC1设Is1

Is2则特点：1、Vcc变化时，由于负反馈作用，IC2的稳定性大大提高2、温度变化时，IC2的稳定性提高3、Re电流负反馈使输出电阻增大，恒流性变好例：R5IC13+VccVT10VT11R4IC10IREFVT12VT13-VEE已知：Vcc=VEE=15V,UBE=0.7V,NPN三极管的

>>2横向PNP三极管的

=2，R5=39K1、估算基准电流IREF2、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=28A，试估算电阻R4的阻值。R5IC13+VccVT10VT11R4IC10IREFVT12VT13-VEE解：VT12与VT13组成镜像电流源。VT11与R4组成微电流源。（2）分析电路中各三极管组成何种电流源。（1）估算基准电流IREFR5IC13+VccVT10VT11R4IC10IREFVT12VT13-VEE3、估算VT13的集电极电流IC13。

=0.365mA4、若要求IC10=28A，试估算电阻R4的阻值。R5IC13+VccVT10VT11R4IC10IREFVT12VT13-VEE=3000

=3K5.3集成运放的基本组成部分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输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成5.3.2差分放大输入级差分放大电路的形式基本形式差分放大电路长尾式差分放大电路恒流源式差分放大电路一、基本形式差分放大电路1、电路组成由于两个管子的特性完全相同，相应的电阻也完全一致，当uId=0时，UCQ1=UCQ2,即Uo=0。若温度升高使ICQ1增大，UCQ1下降，根据对称性ICQ2也同样增大，UCQ2也将下降，使输出端的零点漂移相互抵消。+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT22、电压放大倍数uId——差模输入电压设单管电压放大倍数为Au1。则

uc1=1/2Au1

uid

uc2=-1/2Au1

uid则输出电压的变化量为

uo=

uc1-uc2=Au1

uid则差模电压放大倍数为

输入电压大小相等，极性相反(1)、差模输入+-uo+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2uoRb1+VccRC1T1T2RC2++--uIcR1Rb2R1uIc——共模输入电压输入电压大小相等，极性相同(2)、共模输入共模电压放大倍数

共模电压放大倍数

差模电压放大倍数

共模抑制比(KCMR)：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。KCMR=20lg||共模抑制比描述差分放大电路对零漂的抑制能力。共模抑制比越大，抑制零漂的能力越强。3、共模抑制比二、长尾式差分放大电路1、电路组成+uo+VccRC1T1T2RC2+--RR++--1/2uId1/2uId-VEERe长尾长尾的作用是引入一个共模负反馈。对共模信号有负反馈，对差模信号没有负反馈作用。uoRe+VccT1T2RC++--uIcRR-VEERC当加上共模信号时，两个管子的集电极电流iC1、iC2同时增加，使流过Re的电流iE增加，发射极电位uE升高，反馈到两个管子的基极回路中，使uBE1、uBE2降低，从而限制了iC1、iC2的增加。iC1、iC2iEuEuBE1、uBE2iC1、iC2Re对共模信号有负反馈作用，使AC下降，降低了两管的零漂。Re对差模信号没有负反馈作用，Ad不变。AcReKCMR=20lg||Re越大，Re直流压降就越大，放大电路的动态范围减小，须引入负电源VEE来补偿Re上的直流压降。特点：2、静态分析Re+VccT1T2RC+-uI=0RR-VEERC由于对称性，IBQ1=IBQ2=IBQICQ1=ICQ2=ICQUBEQ1=UBEQ2=UBEQUCQ1=UCQ2=UCQ

1=2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEEUCQ=Vcc-ICQRc

UBQ=-IBQR3动态分析Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe（Rc//）12RLβRid=2（R+rbe

）Ro=2

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

∆uI2

=2∆uI1

uoRCT1T2RC+-RR1/2RL1/2RL交流通路

uI1

uI2

iC1=iB1

uoRCT1T2RC+-RR1/2RL1/2RL交流通路

uI1

uI2

差模电压放大倍数：

Rid=2(R+rbe)Ro=2Rc例：Re+VccVT1VT2RCuI1RR-VEERCuI2RW+-uoRL已知：Vcc=VEE=12V=50，Rc=27K，R=10K,RW=500RL=20K.估计放大电路的静态工作点、差模电压放大倍数、差模输入电阻和差模输出电阻。UCQ=Vcc-ICQRc

UBQ=-IBQR=0.2mA=6V=-40mV

解：=0.004mA1/2RWVT1VT2RC

uI1RRRC

uI2+-

uo1/2RL1/2RW1/2RLRid=2[R+rbe+(1+)RW/2]=59K

Ro=2Rc=60K

=6930

=6.93K

=-12.6

三、恒流源式差分放大电路（一）、长尾电路存在的问题Re越大，共模负反馈越强，抑制零漂越好。但ReVRe动态范围减小Re越大，维持同样电流所需要的负电源VEE就越高。要求既要稳定电流，又希望负电源不要过高。（二）、恒流源差分放大电路

uCE

iCiCuCE1、电路组成恒流管VT3的基极电位由电阻Rb1和Rb2分压得到，基本不随温度变化,其发射极电位和发射极电流也基本稳定。VT1和VT2的iC1和iC2之和近似为iC3，所以iC1和iC2也不随温度变化。Rb1VT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoRb2ReVT3-VEE+VccVT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoI+Vcc-VEE简化表示法2、静态分析Rb1VT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoRb2ReVT3-VEE+VccICQ1=ICQ21/2ICQ3UCQ1=UCQ2=Vcc-ICQ1Rc

UBQ1=UBQ2=-IBQ1R3、动态分析恒流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，对差模放大倍数没有影响。交流通路与长尾式电路的交流通路相同。Ad、Rid和RO也相同。VDZVT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoR1ReVT3-VEE+VccRW例：已知：Vcc=VEE=12V,=50,RC=100K,Re=33K,R=10KRW=200。UZ=6V,R1=3K求：静态工作点和Ad。VDZVT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoR1ReVT3-VEE+VccRWICQ1=ICQ21/2ICQ3=80AUCQ1=UCQ2=Vcc-ICQ1Rc=4VUBQ1=UBQ2=-IBQ1R=-16mV解：=0.16mA=160A

=1.6AVDZVT1VT2RCuI1RRRCuI2+-uoR1ReVT3-VEE+VccRW

16875

=16K

-156四、差分放大电路的输入、输出接法差分输入、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4.差分放大电路的输入、输出接法（1）差分输入、双端输出+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（2）差分输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-+-uo（3）单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。+-uo+VCCRRRcRcVT1VT2-VEEuiI+-（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+-总结：（2）双端输出时，输出电阻RO=2RC；单端输出时，输出电阻RO=RC。（1）双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。(3)双端输出时，理想情况下，KCMR=

。单端输出时,由于长尾电阻或恒流管引入了很强的共模负反馈，KCMR也比较高，但小于双端输出双端输出时的KCMR

。（4）单端输出时，可以从不同的三极管输出，使输出电压与输入电压反相或同相。（5）单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管基本上仍工作在差分状态。（6）单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid

2(R+rbe)1、Ad约为双端输出时的一半2、比单管放大电路的KCMR高3、适用于输入输出均要求接地的情况4、从不同管子输出可得同相或反相电压1、Ad与单管放大电路基本相同2、理想情况下,KCMR

3、适用于将单端输入信号转换为双端输出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KCMR3、适用于将双端输入信号转换为单端输出1、Ad与单管放大电路基本相同2、理想情况下,KCMR

3、适用于差分输入、双端输出，输出信号和负载的两端均接地的情况特点RC2RCRC2RCRo

2(R+rbe)

2(R+rbe)2(R+rbe)2(R+rbe)Rid较高很高较高很高KCMRAd单端输入单端输出单端输入双端输出差分输入单端输出差分输入双端输出

5.4.3中间级任务：提供足够大的电压放大倍数。要求：中间级有较高的电压增益，也要有较高的输入电阻。特别是输入采用有源负载时，更要求有较高的输入电阻。此外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能实现单端输入到差分输出或差分输入到单端输出的转换。常用形式：有源负载、复合管一、有源负载

共射电压放大倍数

共基电压放大倍数RCVT2和VT3为镜像电流源，作为偏置电路。VT1是放大三极管。有源负载单管共射放大电路VT1VT2uII+Vcc-VEE+-iC3iC1iC4iC2VT3VT4VT1和VT2为放大管，VT3和VT4组成镜像电流源，分别作为VT1和VT2的有源负载。VT1和VT2发射极的恒流源决定了两个放大管的工作电流。输入电压为零时，两个放大管的静态电流相等，都等于I/2。加差模输入电压时，若电压为正，iC1将增大，iC2将降低，并且

iC1=-ic2。当VT3和VT4的足够大时，可以忽略VT3和VT4的的基极电流，认为

iC1ic3、iC3ic4。可得

iC2-ic4。io=ic4-ic2=2ic4有源负载差放二、复合管uBEiBiC1iCiC2iEiE1=iB2+-ecbVT1VT2iB1

iB=iB1

iC=iC1+iC2=1iB1+2iB2iB2=iE1=(1+1)iB1

iC=iC1+iC2=iB1+iB2

iC=1iB1+2(1+1)iB1

=(1+2+1

2)iB1

==1+2+1

2

1

2

iC

iB

uBE=iB1rbe1++iB2rbe2=iB1[rbe1+(1+1)rbe2

1复合管的接法VT1VT2VT1VT2VT1VT2VT1VT2

=1（1+2）1

2rbe=rbe1

=1（1+2）1

2

1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。5.4.4输出级要求：不要求有较大的电压放大倍数。应尽量减小输出波形的失真。还应有过载保护。作用：提供足够的输出功率以满足负载的需要，还需要有较低的输出电阻以提高带负载能力，也要有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。常用形式：互补对称电路一、互补对称电路R2R1RLVD2VD1VT2VT1RiB1iB2iC1iC2iLuIuO+-+Vcc-Vcc当加上正弦输入电压uI时，正半周，VT1导通，VT2截止。VT1的iC1由+Vcc流出，经VT1和RL流入公共接地端。负半周，VT2导通，VT1截止。VT2的iC2由公共接地端到RL和VT2到-Vcc。在基极回路中，接入R1、R2、R和二极管，作用是减小失真，改善输出波形。tiLO交越失真R2R1RLVD2VD1VT2VT1RiB1iB2iC1iC2iLuIuO+-+Vcc-Vcc二、由复合管组成的功率输出级复合管的电流放大系数：

=1

2R2R1RLVD2VD1VT2VT1RuIuO+Vcc-VccVT3VT4由复合管组成的互补对称电路VT1和VT3组成一个复合管VT2和VT4组成一个复合管Rb2Rb1RLVD2VD1VT2VT1RuIuO+Vcc-VccVT3VT4Re2Re1由复合管组成的互补准对称电路三、过载保护电路作用：在输出电流超过规定值时，保护输出级的功率管以免烧坏VD3、VD4和Re1、Re2组成过载保护输出电流正常时，不起作用。若流过VT1的正向电流过大，则Re1上的压降升高，使VD3导通，VT1原来的一部分基极电流将被分流到VD1、VD3支路。由于基极电流减小，使输出电流不能增大。同理，如果流过VT2的反向电流过大，则Re2上的压降升高，VD4导通，将VT2的基流分流。uORb2Rb1Re2Re1RLVD2VD1VT2VT1VD3VD4uI-Vcc+Vcc二极管保护电路uIVT4VT3Rb2Rb1Re2Re1RLVD2VD1VT2VT1uO-Vcc+Vcc三极管保护电路VT3、VT4和Re1、Re2组成过载保护若二极管的UD和三极管导通时的UBE均为0.7V,则VT1、VT2输出的最大电流为5.5集成运放的典型电路一、引脚5.5.1双极型集成运放F007偏置电路输入级中间级二、电路原理图1、偏置电路IREFI11IC10I8IC12IC13I3,4IC9微电流源镜像电流源镜像电流源输入级中间级输出级VT10和VT11组成微电流源VT8、VT9组成镜像电流源VT12、VT13组成镜像电流源2、输入级共集—共基差分放大电路VT5和VT6构成有源负载VT7和R2组成射级输出器uI1uI2+Vcc-VEEReRcI3,4VT4VT2VT1VT33、中间级R7R830pFVT16VT17VT15+Vcc-VEEIC1389放大管：VT16和VT17组成的复合管VT13为有源负载特点：电压放大倍数大，输入电阻高。4、输出级VD1、VD2和电阻R9、R10组成过载保护VT14、VT18、VT19构成准对称电路VT15和R7、R8构成为功率管提供静态基流，使电路工作在甲乙类状态，减小交越失真。5.5.2CMOS集成四运放C14573二、电路原理图第一级：P3、P4组成共源极差分放大输入级。N1、N2为有源负载P1为恒流管，与P0组成镜像电流源第二级：N3组成共源极放大电路。P2为有源负载电容C为校正电容，防止自激震荡特点：（1）成本低，功耗小，适用于大量应用运放的场合。（2）输入电阻高，通常大于109

。（3）通过外接偏置电阻，允许灵活设置[偏置电流。（4）单电源或双电源工作均可。（5）与CMOS、TTL电路兼容，在既有模拟电路又有数字逻辑电路的混合系统中使用很方便。（6）工作电压低，输出驱动能力比双极型运放低得多。5.5理想运算放大器5.5.1理想运算放大器的技术指标开环差模电压增益Aod=

差模输入电阻rid=

输出电阻ro=0共模抑制比KCMR=

输入失调电压UIO、失调电流IIO和温漂

UIO、

IIO