模拟电路第4章

1、第4章 集成运算放大电路4.1 概述 4.2 集成运放中的电流源电路4.3 集成运放电路分析4.4 集成运放的主要性能指标4.5 集成运放的种类4.6 集成运放的使用4.1概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。用差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。作的大电阻。（4

2、 4）采用复合管。）采用复合管。 4.1.1 集成运放的特点集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接集成运算放大电路，简称集成运放，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。耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。4.1.2 集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。一个双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用

3、差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，小，静态电流小静态电流小。主放大级，多采用共射主放大级，多采用共射（或共源）（或共源）放大电路。放大电路。要求有足够的放大能力。要求有足够的放大能力。功率级，多采用互补输出级。要求功率级，多采用互补输出级。要求Ro小，最大小，最大不失真输出电压尽可能大。不失真输出电压尽可能大。为各为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。4.1.3 集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN) 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放

4、工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。+UOMUOM4.24.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路一一. 镜像电流源镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU

5、， CCB10B0CR2IIIIII RC1 2II ，则，则若若 在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。基准电流基准电流RUVI)(BECCR RC2II CC0C1III 4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路具有一定的温度补偿作用具有一定的温度补偿作用: C CI IT T B BB BR RR RC CI IU UR RI II II I0 C CI I 镜像电流源电路简单，应用广泛。镜像电流源电路简单，应用广泛。 但是，但是，在在VCC一定情况下，若要求一定情况下，若要求IC1较大，较大，IR势必势必增大，增大，R的

6、功耗也就增大，这是应当避免的；的功耗也就增大，这是应当避免的； 因此，因此，派生出其他类型的电流源电路。派生出其他类型的电流源电路。 但是，但是，若要求若要求IC1较小，较小， IR势必也小，势必也小，R的数值必然的数值必然很大，这在集成电路中是很难做到的。很大，这在集成电路中是很难做到的。RCII 1则用比例电流源.UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1E1E0TBE1BE0lnIIUUU RE0C0III C1E1II C1Re1TRe10eC1lnIIRUIRRI 二二. 比例电流源比例电流源如果希望+RII1CCRC1TIV0TC0IRe1E1Re1Re0SETBElnIIUU

7、 已知已知如果如果IR与与IC1之比在之比在10以内，以内，3 . 2lnC1R IIV026.0T U11C CR RT TI II II In nU UeR与R RI I10eeRR比较比较，可以忽略可以忽略，则则Re1e0C1IRRI Re0和和Re1具有电流负反馈，所以具有电流负反馈，所以IC1具有较高的温度稳定性。具有较高的温度稳定性。C1Re1TRe10eC1lnIIRUIRRI 三三. 微电流源微电流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。eBE1BE0E11C)(RUUII TBE1BE0TBE)(E1E0SEe eUUUUUIIII

8、 ，eC1C1TBE10BElnRIIIUUUR RUVIIIBE0CCR C0 E0 设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IR和和IC1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程ReC1ReTC1lnIIRUI 为了提高精度，可在T0的c-b间接一个三极管。+IC1T0T1T2RIRIC0+VCC2B1B212 II2B1RC0C112 IIII21C1R12 II RRC1121III 4.2.2 改进型电流源电路（精密镜像电流源）改进型电流源电路（精密镜像电流源） 一一. 加射极输出器的加射极输出器的电流源电流源 210二二 .威尔逊电流源威尔逊电流源 CC0C1210

9、III 点点A A镜像电流源镜像电流源作作T2的有源负载，的有源负载，相当在相当在T2的射极加个大电阻的射极加个大电阻Re，可使，可使Ic2高度稳定。高度稳定。 CCE22III 2C2EC122III 2C21I 点点B B2C222C2CC2BR22221IIIIII 整理可得整理可得RR22C)2221(III 4.2.3 多路电流源电路多路电流源电路（1 1）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3R

10、e4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3（2 2）多集电极管构成的多路电流源）多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电区面积。根据所需静态电流，来确定集电区面积。设三个集电区的面积分别为设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则，则02C0C201C0C1SSIISSII，根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极管的漏极电流正比于沟道电流正比于沟道的宽长比。的宽长比。 设沟道宽长比设沟道宽长比W/L=S，且，且T1T4的宽长比分别为的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则，则03

11、D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基准电流基准电流（3）MOS管多路电流源管多路电流源4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路1）用于共射放大电路）用于共射放大电路空载时空载时T1的静态电流的静态电流be1bLce2ce11)( rRRrrAu R2C1CQ2III （2）用于差分放大电路）用于差分放大电路 C1C3C4C2C1，iiiii C1C2C4O2 iiii 使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。0 C2C4O IIi静态：静态：，C1C3C2C1

12、I II II II I 动态：输入差模信号动态：输入差模信号uI2,22C1C2E1EIIIIII 1C2C4C4C3C,IIIII ILce2ce4OIO)/(uRrriuuAu 1be1BL2ce4ce1C2)/(2riRrri 当电路带负载当电路带负载RL时，其电压放大倍数：时，其电压放大倍数：1beL2ce4ce1)/(rRrr 则则，若若)/(2ce4ceLrrR 1beL1rRAu 可见，可见，电压放大倍数接近双端输出时的情况。电压放大倍数接近双端输出时的情况。 4.3 集成运放电路分析1. 读图方法读图方法了解要分析的电路的应用场合、用途和技术了解要分析的电路的应用场合、用途和

13、技术 指标。指标。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本将整个电路图分为各自具有一定功能的基本 电路。电路。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功电路相互连接关系以及连接后电路实现的功 能和性能。能和性能。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电路的主要 参数。参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。2. 举例：举例：型号型号为为F007的通用型集成运放的通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路

14、，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路输入级的分析输入级的分析 T3、

15、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9因为因为IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出输入级的分析输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源的

16、有源负载，而负载，而T4又是又是T6的有源负载。的有源负载。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电输入端耐压高，并完成电平转换（即对平转换（即对“地地”输输出）。出）。中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电

17、极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级输出级的分析输出级的分析D1和和D2起过流保护作用，未过起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，导通，为为T14基极分流，从而保护基极分流，从而保护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高判断同相输入端和反相输入端判

18、断同相输入端和反相输入端F007所具有的高性能所具有的高性能 Ad较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强 Ac较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强 rid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小 ro小：带负载能力强小：带负载能力强 Uom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压 输入端耐压高：使输入端不至于击穿的输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。差模电压大。 uIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压4.44.4 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入

19、电阻 rid 大于大于2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurocodCMRlg20AAK 输入失调电压输入失调电压UIO 1mV 0UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 0IIO的温漂的温漂dIIO/dT() 几几nA/ 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。B2B1IOIII 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V-3dB带宽带宽 fH 7Hz 转换速率转换速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信号时容许的最

20、大的共模输入电压。能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V超过此值输入级差分管将损坏。超过此值输入级差分管将损坏。上限截止频率。上限截止频率。maxOddtuSR 对大信号的反应速度对大信号的反应速度 集成运算放大器参数很多，要建立完整的等效模型是困难集成运算放大器参数很多，要建立完整的等效模型是困难的。由于其具有电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低，的。由于其具有电压放大倍数高，输入电阻高，输出电阻低，共模抑制比高等特点，所以，在实际分析时经常采用理想模型。共模抑制比高等特点，所以，在实际分析时经常采用理想模型。理性化条件：理性化

21、条件：1、开环差模增益、开环差模增益 Aod = 2、差模输入电阻、差模输入电阻 rid = 3、输出电阻、输出电阻 ro = 0 4、共模抑制比、共模抑制比KCMR= 5、带宽、带宽fH= 6、失调电压、失调电流和它们的温漂都为零。、失调电压、失调电流和它们的温漂都为零。 理想运放在线性工作区的特点理想运放在线性工作区的特点(两个重要结论两个重要结论)N NP Pi ii i)(NPodOuuAu ，即即，所所以以为为有有限限值值，0NPodO uuAuuP=uN“虚短虚短”rid=即即 iP=iN=0“虚断虚断”+UOMUOM4.5 集成运放的种类按工作原理按工作原理电压放大型：输入量与输

22、出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大号控制那个通道的信号放大按性能指标：分为通用型和专用型按性能指标：分为通用型和专用型rid，可高于，可高于1012。 用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。 fH和和SR高，高， fH可达可达1.7GHz，SR可达可达 103V/S。 用于用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。转换电路、视频放大器。低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增