集成运算放大电路

1、2021/8/61第第4 4章章 集成运算放大电路2021/8/62本章主要内容v 介绍集成放大电路的特点。介绍集成放大电路的特点。v 电流源电路电流源电路集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路包括包括镜像电流源镜像电流源改进电流源改进电流源微电流源微电流源各自适用范围2021/8/634.1 集成运算放大电路概述一.集成电路特点简称简称IC【Integrated Circuit】6060年代初发展起来。年代初发展起来。它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。器件和连线等集成在一片硅片上而制成的。优点：密度高、引线

2、短、外部接线大为减少，优点：密度高、引线短、外部接线大为减少，提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了提高电子设备的可靠性和灵活性，并降低了成本。成本。返回2021/8/64特点 电路参数一致性好，大量采用差分放大电路参数一致性好，大量采用差分放大电路和恒流源电路。电路和恒流源电路。 用有源器件代替电阻。用有源器件代替电阻。 采用复合结构的电路。采用复合结构的电路。 级间采用直接耦合方式。级间采用直接耦合方式。常用耦合方式常用耦合方式有三种：有三种：直接耦合直接耦合通过电容耦通过电容耦合合称阻容称阻容耦合耦合通过变压器通过变压器耦合耦合 允许采用复杂电路形式。允许采用复杂电路形式。2021/8/

3、652021/8/66集成电路AVR单片机2021/8/67背面焊点图2021/8/68局部焊点2021/8/69uI1uI2uO二.通用集成电路运算放大器的内部组成及使用 典型集成运放的方框图：负载该方框图分成该方框图分成3 3个级，四个部分。个级，四个部分。每一部分构成的电路，称为单元电路。每一部分构成的电路，称为单元电路。4.1集成运算放大器概述返回2021/8/610（1）（差分式）输入级【又称前置级】要求：要求：，以便把外加信号尽可能多的吸入电路，以便把外加信号尽可能多的吸入电路中去；中去；差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强。差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强。往往都是用往往都是

4、用双端输入双端输入的高性能的高性能差分放大差分放大电路电路。2021/8/611（2）中间（放大）级作用：作用：。在这一级把信。在这一级把信号尽量放大，使集成运放具有较强的放号尽量放大，使集成运放具有较强的放大能力。大能力。多采用多采用共射（或共源）放大电路共射（或共源）放大电路（它们它们的的AV大大）；）；多采用多采用复合结构复合结构（它们的它们的AV大大）；）；2021/8/612（3）（互补）输出级要求：要求：Ro小，带负载能力强；小，带负载能力强；非线性失真小。非线性失真小。多采用多采用电压跟随电压跟随器或互补电压跟器或互补电压跟随器随器组成电路，组成电路，保证功率放大。保证功率放大。

5、（4）（直流）偏置电路用于用于集成运放集成运放采用采用电流源电路电流源电路为各级提供合适的静态工作为各级提供合适的静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。电流，从而确定了合适的静态工作点。2021/8/613+VCC-VEEPNuI1uI2OuOiI1iI2A集成运放的使用同相输入端反相输入端这两个电压可不画输入与输出的关系：输入与输出的关系：当当uI从从反相反相输入端输入时，输入端输入时，uO与与uI反相反相；当当uI从从同相同相输入端输入时，输入端输入时，uO与与uI同相同相；（1 1）集成运放的符号说明）集成运放的符号说明2021/8/614（2 2）输入电压的两种形式）输入电压的两种

6、形式差模输入电压差模输入电压uId【d：differential】共模输入电压共模输入电压uIc【c：common】即：两个输入信号的电压大小相等，但极性即：两个输入信号的电压大小相等，但极性相反。相反。即：两个差放管的输入电压大小相等，且极即：两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同。性相同。uId 也称为差模信号也称为差模信号uIc 也称为共模信号也称为共模信号分别表示为21IIIduuu 2121IIIcuuu IdIcIuuu211 IdIcIuuu212 2021/8/6153. 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，所以集成运放工作在线性

7、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。 (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。+UOM-UOM线性区线性区饱和区饱和区2021/8/616典型集成运放F007内部电路【简化图】2021/8/617几种集成运放实物图2021/8/6185.2 集成运放中的电流源电路（2 2）还可以作

8、放大电路的有源负载。）还可以作放大电路的有源负载。电流源电路的作用：（1 1）可以为放大电路提供稳定的偏置）可以为放大电路提供稳定的偏置电流；电流；返回2021/8/6191.镜像电流源【也称电流镜（Current Mirror）】设设T1、T2的参数完全相同，即：的参数完全相同，即：IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2BE2BE1=UUE2E1= IICIIIC2C1= 21=BIIIB2B1=CEO2CEO1= II电源电源VCC通过电阻通过电阻R和和T T1 1产产生一个生一个基准电流基准电流IREF，则，则RUVIBECCREF1（1）工作原理分析

9、一.基本电流源2021/8/620IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2而而BREFCIII21又又21CCIIBREFCIII22又又 2222CCBBIIII整理后，得整理后，得REFCII 2112 222CREFCIII当满足条件当满足条件2时，时，02 有有REFCII 22021/8/621IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+-UBE2即即RUVIIBECCREFC12 且通常有且通常有VCCUBE1RVIICCREFC 2由推导可见由推导可见，IREF由由VCC和和R决定，而决定，而IC2像像IREF的镜的镜像，与其

10、本身一侧的电阻像，与其本身一侧的电阻RC无关。所以，无关。所以，无论无论Rc的的值如何，值如何， IC2的电流值将的电流值将保持不变。保持不变。无关2021/8/622补偿作用（2）镜像电流源的特点T 优点：优点：结构简单；结构简单；适用于较大工作电流适用于较大工作电流（mA级）的场合。级）的场合。T 适用范围：适用范围：T T1 1管对管对T T2 2管具有一定的管具有一定的温度补偿作用温度补偿作用，使得，使得IC2的温度稳定性较好。的温度稳定性较好。温度温度TIC2IC1IREFVR(=IREFR)VBIBIC2T则相则相反反IREFIC1IC2VCCRCT2T1IB1IB2+-UBE1+

11、-UBE2VB2021/8/623T 缺点：缺点：当直流电源当直流电源VCC变化时，输出电流变化时，输出电流IC2几乎几乎按同样的规律波动，因此按同样的规律波动，因此不适用于直流源不适用于直流源在大范围内变化的集成运放在大范围内变化的集成运放。若若输入级要求微安级的偏置电流输入级要求微安级的偏置电流，则所用电，则所用电阻将达到兆欧级，在集成电路中阻将达到兆欧级，在集成电路中无法实现无法实现。该电路限制该电路限制22时才成立时才成立，若，若值很小时，值很小时，IC2与与IREF就存在一定的差别，不能达到很好就存在一定的差别，不能达到很好的镜像。的镜像。2021/8/6242.比例电流源由电路：由

12、电路：1e1E1BE0e0E0BERIURIU又：又：SETBEIIlnUU1E0ET1BE0BEIIlnUUU所以：所以：得：得：1E0ET0e0E1e1EIIlnURIRI1E1CR0E0CII ,III2时，当1CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI得：得：R1e0e1CIRRI在一定条件下在一定条件下0e0BECCRRRUVI2021/8/625当基准电流当基准电流IREF一定时，一定时，IC1可得：可得：0111BEBEBECEeeUUUIIRR式中式中(UBE0-UBE1)通常只通常只有几十毫伏，甚至更小，因有几十毫伏，甚至更小，因此，只要用阻值不大的此，只要用阻值不大的Re

13、（几千欧）即（几千欧）即可获得微小的可获得微小的工作电流工作电流IC1（A级）级），称为，称为微电流源微电流源。3.微电流源IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE12021/8/6263.微电流源由上面电路因为Re0=01CR1eTR1e0e1CIIlnRUIRRI1CReT1CIIlnRUIRUVI0BECCR其中IREFIC0IC1VCCReT1T0IB0IB1+-UBE0+-UBE1IE12021/8/627 以前电路限制以前电路限制22时才成立时才成立，若，若值很小值很小时，时，IC2与与IREF就存在一定的差别，不能达到很就存在一定的差别，不能

14、达到很好的镜像。好的镜像。二.改进型电流源电路如： =10时，则根据镜像电流源公式，时，则根据镜像电流源公式， 可见两者相差很大。可见两者相差很大。10.8332CRRIII2021/8/628IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe31.加射级输出器的电流源对原电路进行如下改进：令接入电路中的令接入电路中的T3与原电路与原电路中中T1和和T2参数完全一致。参数完全一致。【分析电路】【分析电路】BREFCCIIII 12 13EBII而而又又332213eeRBRBBEII IIII 2021/8/629IREFIC1T1T2IC2T3I

15、E3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3 12312eRBREFCCIIIII 2CBII 又又33eBERRUIe 12322eBECREFCRUIII整理后，得：整理后，得： 121132eBEREFCRUII非常小（A级），可忽略 121REFI2021/8/630IREFIC1T1T2IC2T3IE3IB2IB1Re3IB+-UBE+-UBE+-UBEIRe3若取若取1010，则，则REFCI I982. 02 而原电路若也取而原电路若也取1010由于由于REFREFREFCI I II833. 0102112112 可见该电路即使可见该电路即使很小，也很小，也

16、可以认为可以认为I IC2C2IIREFREF，二者能，二者能保持很好的镜像关系。保持很好的镜像关系。2021/8/6312.威尔逊电流源RR22CII )2221 (I工作点稳定，输出电阻大。工作点稳定，输出电阻大。若取若取1010，则，则20.984 CRII可见该电路即使很小，也可以认为2 CRII2021/8/632三. 多路电流源1.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+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re

17、0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re32021/8/6332.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，2021/8/6343.MOS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正比于沟道电流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03D0D302D0D201D0D1

18、SSIISSIISSII，基准电流基准电流2021/8/635通用集成运放F007的内部原理电路四.集成运放电路中的电流源电路分析偏置电路了解内容2021/8/636IREF【分析】 11112RUUVVIBEEBEECCREF 由主偏置电路可求基准电流由主偏置电路可求基准电流IREF了解内容2021/8/637IREF【分析】10210lnCREFTCIIRUI 利用累试法或图解法可求出利用累试法或图解法可求出IC10由图可见：由图可见：341012BBCIIIIC10作用：为输入级T3、T4提供静态电流。了解内容2021/8/6382021/8/639IREF【分析】IC13IC12REF

19、CCIII 21312 由图可见：由图可见：作用：（1）为中间级T14、T15提供静态电流并作为有源负载；（2）为输出级T17、T18提供偏置电流。了解内容2021/8/6402021/8/641IREF【分析】IC13IC12作用：为输入级T1、T1提供静态电流了解内容2021/8/6422021/8/643IREF四.电流源用作有源负载下图为一个采用有源负载的单管共射放大电路。下图为一个采用有源负载的单管共射放大电路。T1:放大管T2:有源负载组成镜像电流源，代替原来共射放大电路中的电阻RC。电流源特点：电流源特点：直流电阻直流电阻小，交流电阻大。小，交流电阻大。 在模拟集成电路中，在模拟

20、集成电路中，广泛地把它作为负载使广泛地把它作为负载使用，称为用，称为有源负载有源负载。了解内容2021/8/644IREF设设T2和和T3管特性完全相同，有管特性完全相同，有2= 3=IC2=IC3基准电流基准电流RVRUVICCEBCCREF 3由基准电流就可以确定放大由基准电流就可以确定放大管的空载静态工作电流管的空载静态工作电流IC1Q：REFCII 2112REFCQCIII221 电流源用作有源负载了解内容2021/8/645be1bLce2ce11)( rRRrrAu2021/8/646在集成运放中常常用三极管代替负载电在集成运放中常常用三极管代替负载电阻阻RC，组成有源负载，以获

21、得较高的电压，组成有源负载，以获得较高的电压放大倍数。放大倍数。 在共射电路中，可使每级的电压增益在共射电路中，可使每级的电压增益达达10103 3甚至更高。甚至更高。三极管的集电极具有三极管的集电极具有等效电阻等效电阻rce比较大比较大的特点的特点电流源亦常用作射极负载。了解内容2021/8/647用于差分放大电路用于差分放大电路电路的输入、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？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 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

22、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 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：2021/8/648IREF集成运放F007分析2021/8/649集成运放F007输入级分析通用集成运放F007的内部原理电路2021/8/650T1、T2、T3、T4共同构成双端输入单端输出的共集共基差分式放大电路2021/8/651T5、T6、T7构成带缓冲级的镜像电流源电路作为T3、T4发射极的有源负载作用：（2）减小共模增益，有利于抑制共模信号（1）提高差模增益建议课后推导一下2021/8/652两个两个PNPPNP型型BJTBJT构构成成PNPPNP型复合管型复合管复合三极管 复合三极管的四种接法两个两个NPNNPN型型BJTBJT构构成成NPNNPN型复合管型复合管返回集成运放F007中间级分析2021/8/6535.5 集成运放的中间级及复合三极管一.复合三极管 复合三极管的四种接法两个不同类型的两个不同类型的BJTBJT构构成复合管，类型与第成复合管，类型与第一只相同。一只相同。构成构成PNPPNP型型构成构成NPNNPN型型2021/8/654 需要记住的几点结论第一只第一只BJTBJT的集的集电极（电极（c c）或发射极（）或发射极（e e）要作为第二只）要作为