第14讲集成运算电路

1、多级放大电路多级放大电路基本放大电路基本放大电路差分放大电路差分放大电路直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级第一级第一级末级末级集成集成集成运算放大电路集成运算放大电路分立元件放大电路分立元件放大电路集成电路的发展历程集成电路的发展历程4.1 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 4.1.1 集成电路的结构特点集成电路的结构特点1 集成？集成？ 采用一定的制造工艺，将晶体管、二极管、电采用一定的制造工艺，将晶体管、二极管、电阻、电容等许多元件构成的完整的电路制作在同一阻、电容等许多元件构成的完整的电路制作在同一半导体基片上，加以封装。半导体基片上，加以封装。2 大规模集成电路大规模

2、集成电路硅片的面积只有几十平方毫米硅片的面积只有几十平方毫米一个集成块内包含有一千个以上元器件一个集成块内包含有一千个以上元器件运运算算放放大大器器外外形形图图相邻元件具有良好的对称性相邻元件具有良好的对称性受环境温度等影响的变化相同受环境温度等影响的变化相同差分放大电路差分放大电路允许采用复杂的电路形式以提高各方面性能。允许采用复杂的电路形式以提高各方面性能。集成运放的体积越来越小，功能却越来越强集成运放的体积越来越小，功能却越来越强采用复合管采用复合管3 集成电路的特点集成电路的特点硅片上不能制作大电容硅片上不能制作大电容直接耦合方式直接耦合方式硅片上不能制作高阻值电阻硅片上不能制作高阻值

3、电阻用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。用有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。4 理想运算放大器理想运算放大器开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo差模输入电阻差模输入电阻Rid开环输出电阻开环输出电阻Ro0 高性能：高输入电阻，低输出电阻，高差模高性能：高输入电阻，低输出电阻，高差模放大倍数，能较好抑制温漂的差分放大电路。放大倍数，能较好抑制温漂的差分放大电路。 集成运算放大电路是一个高性能的直接耦集成运算放大电路是一个高性能的直接耦合放大电路。合放大电路。4.1.2 集成运算放大电路的组成及各部分的作用集成运算放大电路的组成及各部分的作用输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级

4、输出级upuNuo 前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。的放大能力。功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。为各级放大电路设置合适的静态工作点。采为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。用电流源电路。4.1.3 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 uN up uo uNup uo1 集成运放的符号集

5、成运放的符号集成运放有同相输入端和反相输入端。集成运放有同相输入端和反相输入端。Up:输入电压与输出电压同相，为同相输入端。输入电压与输出电压同相，为同相输入端。UN:输入电压与输出电压反相，为反相输入端。输入电压与输出电压反相，为反相输入端。ui=up-uNUOM-UOM线性区线性区 uo=Aod(uP-uN)饱和区饱和区uo=UOM由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放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。 两个输入端加入微小的电压，输出电压都将超出其线性两个输入端加入微小的电压，

6、输出电压都将超出其线性范围，达到范围，达到UOM，所以必须引入负反馈才能保证集成运放，所以必须引入负反馈才能保证集成运放工作在线性区。工作在线性区。2 电压传输特性电压传输特性 uO=f(uP-uN)运算放大器工作在线性区时，分析依据：运算放大器工作在线性区时，分析依据： dir0Ii 虚开路虚开路 (1) (1)由于运算放大器的差模输入电阻由于运算放大器的差模输入电阻r ridid , ,可认为两个输入端的输入电流为零。即：可认为两个输入端的输入电流为零。即：u uo o= =A Auouo(u(u+ +-u-u- -) ) uu虚短路虚短路 (2) (2)由于运算放大器的开环电压放大倍数由

7、于运算放大器的开环电压放大倍数A Auouo 而输出电压是一个有限的数值而输出电压是一个有限的数值, ,即即: :T0、T1两只管子两只管子特性完全相同特性完全相同UBE0=UBE1IB0=IB1IC0=IC1IR=IC0+2IBIB0=IB1=IBIC0=IC1=ICCICIRI24.2 4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路4.2.1 基本电流源电路（基本电流源电路（1） 镜像电流源镜像电流源IC0，IC1呈镜像关系呈镜像关系 此电路为镜像电流源。此电路为镜像电流源。RBEUCCVRIRICI2电阻电阻R中的电流中的电流IR为为基准电流基准电流在电流源电路中充分利用集成运放中

8、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。电路中有负反馈电路中有负反馈吗？吗？有，见有，见P189基准电流基准电流若若较小，只有几到十几倍较小，只有几到十几倍若若2RIRICI833. 02RIRICI2若若=10问题问题2：CC一定，如何改变输出电流一定，如何改变输出电流IC1？IC1IRIR ，电阻的功耗增大，电阻的功耗增大要增大要增大IC1要减小要减小IC1增大电阻增大电阻R不利于集成化不利于集成化问题问题1：晶体管构成的电流源是否具有温度稳定性？：晶体管构成的电流源是否具有温度稳定性？较小，可采用改进型的电流源较小，可采用改进型的电流源+VccRT0T1R

9、e0Re1UBE0+IE0Re0= UBE1+IE1Re1UBE0UBE1IE0Re0 IE1Re1IB0IB1IE1IE0IB0+IB1Ic1IRIc0右边电路：右边电路：IC1IE1左边电路：左边电路：IRIC0IE0RIeReRCI10100eRRBEUCCVRI0101BIBICICI（2） 比例电流源比例电流源首先求出基准电流首先求出基准电流 输出电流输出电流IC与与IR成比例，可大于或小于成比例，可大于或小于IR，克服了镜像电流，克服了镜像电流源的缺点。源的缺点。10010101eReREIEIBIBICICIREO、RE1是电流反馈电阻，是电流反馈电阻，IC1具有温具有温度稳定性

10、度稳定性（3） 微电流源微电流源 集成运放输入级放大管的集电极静态电流很小，又不能用集成运放输入级放大管的集电极静态电流很小，又不能用大电阻，可以采用微电流源。大电阻，可以采用微电流源。将比例电流源中的将比例电流源中的Re0减小到减小到0.IC1IE1+VccRT0T1Re1IB0IB1IE1IB0+IB1Ic1IRIC0eRBEUBEUEICI10111ln1CIRIeRTUCI利用图解法或累试法求解利用图解法或累试法求解TBE1BE0TBEe eE1E0SEUUUUUIIII)( ，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUU超越超越方程方程IRIC0IE0R+VccT0T1T2IB0I

11、B1Ic0Ic1IB2IE2IRT T0 0、T T1 1、T T2 2三只管三只管子特性完全相同子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICIE2=2IB=(+1)IB2CIBIBI112122CICIBICIRI) 1(22RIRICI1214.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源一、加射极输出器的电流源若若=10IC0.982IR加装加装T2且从发射集引出且从发射集引出说明即使说明即使很小，很小，IC1趋向于趋向于IRCICIBICIEI22222121222CICIEICI22222222122CICICICIBIRIRIRICI)22221 (2

12、二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源+VccRT1T0T2Ic0IR2IBIE2Ic1IB2IC2BT T0 0、T T1 1、T T2 2三只管子特性完全相同三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICT T1 1的的c-ec-e串联在串联在T T2 2的发射极，作为的发射极，作为与典型工作点稳定电路重的与典型工作点稳定电路重的ReRe，因很大，可使因很大，可使I IC2C2高度稳定。高度稳定。UBE0UBE1UBE2UBE3 因为因为UBE相差不多相差不多UBE0+IE0Re0= UBE1+IE1Re1= UBE2+IE2Re2= UBE3+IE3Re3IE0Re0IE1Re1

13、IE2Re2IE3Re34.2.4多路电流源多路电流源1 1 基于比例电流基于比例电流源的多路电流源源的多路电流源可根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。可根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。RIeReRCI1012 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，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。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，注意：基极电流一定时，集电极电流之比等于他们的集注意：基极电流一定时，集电极电流之比等于他们的集电区面积之比。电区面积之比。T多为横

14、向多为横向PNP型管。型管。3 3 MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，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电流ID正比于沟道正比于沟道的宽长比。的宽长比。 设宽长比设宽长比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03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基准电流基准电流所有所有B-E间的电压均为间的电压均为0.7V。试求：各管的集电极电流试求：各管的集电极电流电路中电路中T10与与T11为纵向管，为纵向管，T12与与T13是横向管，是横向管，均为均为5例题：例题：Ic13Ic10

15、Ic12IR+VccR5T13T12R4-VccT10T11T10与与T11微电流源微电流源图图4.2.9 F007中的电流源电路中的电流源电路T12与与T13构成镜像电流源构成镜像电流源解：解： 首先求基准电流首先求基准电流IRmAREBUEBUCCVRI73. 0397 . 07 . 030511122mARICICI52. 073. 025521213T10与与T11构成微电流源构成微电流源T12与与T13构成镜像电流源构成镜像电流源10410CIRILnRTUCI利用累试法或图解法求出利用累试法或图解法求出IC1028uARIRICI2+VCCRcRcui1ui2100uo+_T0T1

16、已知已知:T0T4的的均为均为100，rbb=200 ，Rc=7.5k， R1=6.2k,，R2=R3=100，VCC=VEE=6V，电位器，电位器 RP=100 ，试求：，试求：（1）电路的静态工作点）电路的静态工作点（2）电路的差模）电路的差模Aud Ri RoIo-VEER1R2R3T3T4IR解：解：（1）电路的静态工作点）电路的静态工作点mARRBEUEEVRI84. 01 . 02 . 67 . 06214mARIRRoI84. 032mAoICQICQI42. 02121 具有电流源的差分放大电路，计算静态工作具有电流源的差分放大电路，计算静态工作点从电流源入手。点从电流源入手。

17、UCQ1=UCQ2=VCC-ICQRC=6-7.50.42=2.85V00eRRBEUCCVRIRIeReRCI1016521)1 (1PRbercRudAkpRberidR2321)1 (1 2kcRoR152kEQIbbrberber45. 626)1 (21RcRcui2-VEEIo+Vccui1pR21pR21(二）求解电路的动态参数二）求解电路的动态参数+_uo+VccRbRc+_uiRLberbRLRcRuA/静态电流不变的情况下静态电流不变的情况下,如如何增大电压放大倍数何增大电压放大倍数?增大电阻增大电阻RCIC不变不变提高电源电压提高电源电压VCC 在集成运放中，在集成运放中

18、，用电流源来取代电阻用电流源来取代电阻RC这样，在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电这样，在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，又可得到很高的电压放大倍数。流，又可得到很高的电压放大倍数。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RBEUCCVRI3RICI22Au=?一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路112BQICQICI哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流其集电结静态电流约为多少？约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？berbRLRcerceruA)/2/1(1berbRLRuA1RL(rce1/rce2)为什

19、么要考虑为什么要考虑 h22?1/ h22为为c-e间动态电间动态电阻阻rce，为几百千欧为几百千欧二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路 差分放大电路，双端输出时具有良好的共模抑制比，差分放大电路，双端输出时具有良好的共模抑制比，而且增益是单端输出的两倍，所以双端输出的性能优于单而且增益是单端输出的两倍，所以双端输出的性能优于单端输出。端输出。T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRL电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时IO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？T1T2ui1+VccT4T3ui2-

20、VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL输入共模信号输入共模信号共模输出电压为零共模输出电压为零143cicici21cici024ciciLi0 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL 输出电流是单管输出两电流的两倍，从而实现输出电流是单管输出两电流的两倍，从而实现了单端输出方式而具有双端输出的电压。了单端输出方式而具有双端输出的电压。ui输入差模信号输入差模信号143cicici21cici1224ciciciLi4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介 一、读图方法一

21、、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。 型号为型号为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

22、出偏置电路，然后根据信号流对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，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。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，则这个电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。流往往是偏置电路中的基准电流。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

23、解电路分解电路输入级的分析输入级的分析 T3、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

24、信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源的有源负载，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

25、放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，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

26、大不失真输出电压高判断同相输入端和反相输入端判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4.4 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

27、Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK输入失调电压输入失调电压UIO 小于小于2mV 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。UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0duIAUUi0000 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 B2B1IOIII -3dB带宽带宽 fH 10Hz 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。能正常放大差

28、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为什么这么低？为什么这么低？最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 转换速率转换速率 SR 0.5V/S 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电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂的温漂d UIO

29、/dT() 几几V/ 0 输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几nA/ 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 4.5 4.5 集成运放的种类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