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第四章 集成运算放大器 模拟电子技术基础 集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上， 简称 IC (Integrated Circuit)。 4.1 集成运算放大电路概述 集成电路的外形 优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小； 低价位、高性能，在多数情况下已取代了分立元件放大电路。 (a)双列直插式 (b)圆壳式 (c)扁平式 4.1.1 集成运放的电路结构特点 二. 对称性好，元件参数偏差方向一致，温度均一性好，适用 于构成差分放大电路。 三. 电阻元件由硅半导体构成，其阻值范围一般在几十欧到几 十千欧之间，精度低，如需高阻值电阻时，通常用有源元件（ 三极管）代替或外接。 一. 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。 四. 不同类型晶体管因制作工艺不同，性能有较大差异（NPN 、 PNP管的 差别较大，通常PNP的10 ），在集成运放中 常采用复合管形式。 一、输入级差分电路，大大减少温漂，抑制共模信号。 二、中间级复合管，且采用以恒流源做集电极负载的共发 射极电路，增益大。 三、输出级 采用互补输出电路，带负载能力强 四、偏置电路电流源电路（区别于分立元件），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 + uo uid 4.1.2 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。 集成运放的基本组成 选择合适答案填入空内。 集成运放电路采用直接耦合方式是因为( )。 A.可获得很大的放大倍数 B.可使温漂小 C.集成工艺难于制造大容量电容 C 集成运放制造工艺使得同类半导体管的( )。 A.指标参数准确 B.参数不受温度影响 C.参数一致性好 C 集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以( )。 A.减小温漂 B.增大放大倍数 C.提高输入电阻 A 为增大电压放大倍数,集成运放的中间级多采用( )。 A.共射放大电路 B.共集放大电路 C.共基放大电路 A 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) + Aod uN uP uO uO uP-uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反相输入端uN。 这里的“ 同相”和“反相”是指运放的输入电压与输出电压之间 的相位关系。 从外部看可认为是差分放大电路：双端输入单端输出，高差模 放大倍数，高输入电阻，低输出电阻，很好抑制温漂。 电压传输特性 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 uO uP-uN 集成运放的工作区域 线性区域： Aod为差模开环放大倍数（没有通过外电路引入反馈，也叫开环差 模电压增益 ），其值非常高，可达几十万倍，故线性区很窄。 非线性区域： 输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM UOM为输出电压的饱和电压。 +UOM -UOM 此外也具有性能指标：共模抑制比KCMR 4.2 集成运放中的电流源电路 1、集成运放电路中的三极管除了作为放大管外 ，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电 流; 2、或作为有源负载取代高阻值电阻Rc，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 一、镜像电流源 +VCC R IREF + T1T2 IC2 IB1IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 基准电流 T1与T2参数基本相同，由于 UBE1 = UBE2，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC 所以得 当满足 2 时，则 T1、T2管具有电流“镜像“关系“镜像“恒流源电路 优点：具有一定的温度补偿作用；缺点：在电源电压VCC一定 的情况下，IC2变大变小都会引起电路不适。详见P189说明 PNP 管怎 么接 二、比例电流源 由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1 UBE2 ，则 忽略基极电流，可得 集电极电流近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电 流源。由于R1、R2是电流负反馈电阻，因此相比镜像电流源 具有更高的温度稳定性。 +VCC R IREF + T1T2 IC2 IB1IB2 IB1+IB2 IC1 UBE1 UBE2 R1R2 当IR一定时， UBE1- UBE2 = UBE = IE2Re，从而可得： e BE2BE1 R UU = e BE R UD = +VCC R IREF T1T2 IC2 IC1 ReRe IB1IB2 IB1+IB2 三、微电流源 集成电路中某些放大电路往往要求提 供微弱的偏置电流。改进后电路如图 所示，它是在镜像电流源的基础上增 加了一个射极电阻Re。 引入Re使UBE2UBE1，因UBE较小，在Re阻值不大的情况下，即 就可获得一个比较微小的输出工作电流 IC2，且 IC2 IC1。 Re的电流负反馈作用使得这种电路输出电流的稳定性得以提高。 4.2.2 改进型电流源电路 问题：基本电流源电路在很小时，IREF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。 由于增加了T3，使IC2更接近IREF IC2=IC1=IREF - IB3 =IREF - IE3/(+1) 如10 IC2=0.982 IREF 一、加射极输出器的电流源 加射极输出器的电流源 R IC2 VCC T3 T2 T1 IC1 IREF IB3 Re3 实际电路中，有时在T1、T2管基极与地之间增加电阻Re3。 目的是使IE3增大，从而人为提高T3的，此时IE3=IB1+IB2+IRe3 IB1IB2 二、威尔逊电流源 T2管的c-e串联在T3管的发射 极，其作用与典型的工作点 稳定电路中的Re相同。 公式推导略 10时IC3=0.984IR可见在很小时，也可认为IC3= IR。 因为T2管c-e间等效电阻非常 大，所以可使IC3高度稳定。 1=2=3= IC1= IC2= IC 提问：IR怎么求？ R IC2 VCC T3 T2 T1 IC1 IREF IB3 IC3 加射极输出 器的电流源 威 尔 逊 电 流 源 4.2.3 多路电流源 利用一个基准电流来获得多 个不同的输出电流。 公式推导 当较大时 IEOIR 由于各管的，UBE相同，所以 IC2IE2=IREFRe0/Re2 IC3IE3=IREFRe0/Re3 IC1IE1=IREFRe0/Re1 多集电极管构成的多路电流源 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。 设各集电区面积分别为S0、S1、 S2，则 多集电极管构成的多路电流源 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，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