《模拟电子线路》第7章-杨凌

1、杨杨 凌凌 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第7 7章章第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器 7.0 引言引言 集成电路是集成电路是20世纪世纪60年代初发展起来的一种新型器件年代初发展起来的一种新型器件.它它采用半导体集成工艺采用半导体集成工艺,把众多晶体管、电阻、电容及连线制作把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块硅片上在一块硅片上,做成具有特定功能的独立电子线路做成具有特定功能的独立电子线路.与分立元件与分立元件电路相比电路相比,集成电路具有性能好、可靠性高、体积小、耗电少、集成电路具有性能好、可靠性高、体积小、耗电少、成本低等优点成本低等优点,因此在很短时间内得到飞速发展并

2、获得了广泛因此在很短时间内得到飞速发展并获得了广泛应用应用. 集成运算放大器是一种模拟集成电路集成运算放大器是一种模拟集成电路.由于早期主要用于由于早期主要用于模拟计算机模拟计算机,实现各种数学运算实现各种数学运算,由此而得名由此而得名,并沿用至今并沿用至今.今天今天,集成运放的应用已远远超出模拟运算的范围集成运放的应用已远远超出模拟运算的范围,而作为一种高增而作为一种高增益器件广泛应用与各种电子设备中益器件广泛应用与各种电子设备中.7.0 引引 言言一、集成电路的分类一、集成电路的分类按集成度分类按集成度分类SSI: 含有十几到几十个元、器件含有十几到几十个元、器件, 硅片面积约十平方毫米硅

3、片面积约十平方毫米.MSI: 含有一百到几百个元、器件含有一百到几百个元、器件, 硅片面积约几平方毫米硅片面积约几平方毫米.LSIVLSI集成度已突破集成度已突破1亿元、器件亿元、器件/片片按功能分类按功能分类模拟集成电路模拟集成电路:集成运放、集成功放集成运放、集成功放 、集、集 成稳压器等成稳压器等数字集成电路数字集成电路7.0 引引 言言图图 7.1 三、集成电路的特点三、集成电路的特点 1、电路结构与元件参数具有对称性、电路结构与元件参数具有对称性; 2、用有源器件代替无源器件、用有源器件代替无源器件;二、集成电路的封装外形二、集成电路的封装外形(a) 圆壳式圆壳式 (b)双列直插式双

4、列直插式 (c)扁平式扁平式 7.0 引引 言言 3、采用复合结构的电路、采用复合结构的电路,如复合管、如复合管、CE-CB及及CC-CB等组等组合电路合电路; 4、级间采用直接耦合方式、级间采用直接耦合方式; 5、用作温度补偿或电平移动的二极管、用作温度补偿或电平移动的二极管,大都采用大都采用BJT的发射的发射结构成结构成.四、集成运放简介四、集成运放简介 集成运算放大器是一种模拟集成电路集成运算放大器是一种模拟集成电路. 作为一种高增益器作为一种高增益器件广泛用于各种电子设备中件广泛用于各种电子设备中.7.0 引引 言言 目前目前,集成运放的种类繁多集成运放的种类繁多,按照性能不同按照性能

5、不同,通常把它们划通常把它们划分为通用型和专用型两种分为通用型和专用型两种.通用型运放的性能指标比较均匀通用型运放的性能指标比较均匀,适适用于一般应用场合用于一般应用场合,专用型运放则是根据某些特殊要求专用型运放则是根据某些特殊要求,着重提着重提高其中一项或几项性能指标高其中一项或几项性能指标,如高输入阻抗型、低漂移型、高如高输入阻抗型、低漂移型、高速宽带型、低功耗型等等速宽带型、低功耗型等等. 本章将着重讨论集成运放的组成原理及性能参数本章将着重讨论集成运放的组成原理及性能参数.对构成对构成运放的基本单元电路运放的基本单元电路差动放大器和电流源电路将作详细讨差动放大器和电流源电路将作详细讨论

6、论,之后之后,介绍一种介绍一种典型的典型的BJT集成运放实例集成运放实例741,对对MOS集成集成运放只作简要介绍运放只作简要介绍.7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用 前几章所讲的前几章所讲的BJT和和FET 放大器的偏置技术通常都会用放大器的偏置技术通常都会用到分压电阻网络到分压电阻网络.此技术适用于分立电路此技术适用于分立电路,不适用于集成电路不适用于集成电路.因为因为,电阻偏置技术要采用耦合电容及旁路电容电阻偏置技术要采用耦合电容及旁路电容,在在IC上上,电阻电阻需要占用很大的面积需要占用很大的面积,而制作微法级的耦合电容几乎是不可而制作微法级的耦合电容几乎是不可能的能的.在模

7、拟集成电路中在模拟集成电路中,广泛采用电流源电路为放大器提供广泛采用电流源电路为放大器提供偏置偏置.此外此外,电流源电路还可用作放大器的有源负载电流源电路还可用作放大器的有源负载.本节讨论本节讨论几种常见的电流源电路几种常见的电流源电路.一、镜像电流源一、镜像电流源 图图7.2示出了基本镜像电流源电路的结构示出了基本镜像电流源电路的结构.7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用大自然在晴朗宁静时显示出的古典主义图像,具有精确的镜反映对称性.I07.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用微风吹起微澜,镜反映对称性稍有偏离,大自然显示出稍微偏离古典的图像.I0R07.1 电流源电路及其应用电

8、流源电路及其应用轻风徐来，把一池水面拂皱，云影散乱，镜像对称性有较大的偏离，在这里可以看到印象主义的由来。 图图 7.2R+VCCT1T2IREFIC2IC12IB7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用当当较大时较大时,忽略忽略BJT 的基极电流的基极电流 VCCVBE VCCIC2=IC1IREF = R R(7-1)注意注意: 只有当只有当VCCVBE ,2时时, IC2IREF IREF IC2 = 1+2/ 若若不够大不够大,则 IC2与与IREF互成镜像的精度将会降低互成镜像的精度将会降低,为此为此,采用图采用图7.3所示的三晶体管镜像电流源电路所示的三晶体管镜像电流源电路.图

9、图 7.3+VCCIEIE3RE3IC2RT1T2IREFT37.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用IREF=IC1+IB3IE3=IB1+IB2IB3=IE3/(1+3)1=2=3 2 + IC2= IREF 2 +2 IREF VCC2VBE IREF = R 镜像电流源电路适用于较大工作电流镜像电流源电路适用于较大工作电流(mA数量级数量级)的场合的场合.二、比例式电流源二、比例式电流源R1R+VCCT1T2IREFIC2IC1R2IE1IE2图图 7.47.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用VBE1+IE1R1=VBE2+IE2R2 IC1 IC2VBE1VBE2VTln

10、VTln IS IS IC1 =VTln IC2 VBE1VBE2 =IE2R2IE1R1 IC2R2IC1R1 R1 VT IC1 R1 IC2=IC1 + ln IC1 R2 R2 IC2 R2 IC2 R1 (7-2)IREF R2其中其中: VCCVBE IREF= R+R1R+VCCT1T2IREFIC2IC1R2图图 7.57.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用三、微电流源三、微电流源 R1 VT IC1 R1 IC2=IC1 + ln IC1 R2 R2 IC2 R2 R1= 0 VT IC1 VT IREFIC2= ln ln (7-3) R2 IC2 R2 IC2 该电

11、路能提供微安级的电流该电路能提供微安级的电流,且输出电流对电源电压且输出电流对电源电压变化不敏感变化不敏感. VT IC1 VT VCCIC2= ln ln R2 IC2 R2 RIC2 IREFR+VCCT3IO=IC3T1T2图图 7.67.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用四、威尔逊电流源四、威尔逊电流源 上述电流源存在两个共同的缺点上述电流源存在两个共同的缺点:1 、动态输出电阻不够大、动态输出电阻不够大;2 、输出电流受、输出电流受的影响较大的影响较大. VCC2VBE IREF = R 2 +2 IO= IREFIREF 2+2+2 (7-4)其中其中: Ro rce2 (7

12、-5) 2IOIC2(IC1) IB3 IO 7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用五、多路电流源电路五、多路电流源电路【例例7-1】多路电流源电路如图多路电流源电路如图7.7所示所示.已知各管的已知各管的、VBE值值 相同相同,求各电流源输出求各电流源输出IC2 、 IC3 、 ICn 与与IREF的关系式的关系式.VCCRE1IE0IC2RT1T2IREFT0IC3T3RE2RE3TnICnREn图图 7.77.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用【解解】由于各管由于各管VBE值相同值相同,所以有所以有: IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3= =IEnREn而而 IE1IC

13、1,IE2=IC2,IE3IC3 IEnICnIC1RE1IC2RE2IC3RE3ICnREn 1IC1=IREFIB0=IREF IE0 1+ n=IREF IB 1+ nIREF IC1 (1+)IC1IREF RE1IC2 IREF RE2 RE1IC3 IREF RE3 RE1ICn IREF REn图图 7.8T3+VCCT1T2RIREFvIvO7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用六、电流源用作有源负载六、电流源用作有源负载 T2、 T3 组成的镜像电流源组成的镜像电流源作为作为T1管的集电极负载管的集电极负载,由于电由于电流源较大的交流电阻流源较大的交流电阻,可使可使T1

14、组组成的单级共射放大器的增益达成的单级共射放大器的增益达103甚至更高甚至更高.电流源也可用作射电流源也可用作射极负载极负载.7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用六、六、FET电流源电流源图图 7.9+VDDT1T2IOIREFR IO W2/L2 = (7-6) IREF W1/L1W2/L2 =1,IO=IREF W1/L1镜像电流源镜像电流源W2/L2 1, W1/L1比例式电流源比例式电流源7.1 电流源电路及其应用电流源电路及其应用图图 7.10+VDDT1T2IO1IREFT0T3IO2T4IO37.2 差分放大电路差分放大电路7.2 差分放大电路差分放大电路 差分放大器是

15、模拟电路的基本功能块差分放大器是模拟电路的基本功能块,由于它在电路和性由于它在电路和性能方面的许多优点能方面的许多优点,因而成为集成运放的主要组成单元因而成为集成运放的主要组成单元.也是高也是高速数字逻辑电路家族中的基础速数字逻辑电路家族中的基础.图图6.11是差动放大器的框图是差动放大器的框图,它它有两个输入端和一个输出端有两个输入端和一个输出端.图图 7.11差动放大器差动放大器vi1vovi2 在电路完全对称的理想情况下在电路完全对称的理想情况下,输出信号只与两个输入信输出信号只与两个输入信号的差值成比例关系号的差值成比例关系. 图图 7.12VoT + Vi RCRB+VCC7.2.1

16、 BJT差分放大电路差分放大电路一、一、零点漂移零点漂移现象现象 指放大器不加输入信号时指放大器不加输入信号时,输出端还有缓慢变化的电压产输出端还有缓慢变化的电压产生生,即输出电压偏离原来的静态设置而上下漂动即输出电压偏离原来的静态设置而上下漂动. 产生零点漂移的主要因素是温产生零点漂移的主要因素是温度度,所以所以,零点漂移又称为零点漂移又称为温漂温漂.衡量衡量温漂的大小常按下式进行温漂的大小常按下式进行. VoVi= (7-7) Av T 零点漂移问题在多级直接耦合零点漂移问题在多级直接耦合放大电路中显得尤为突出放大电路中显得尤为突出.RC1RC2+VCCT1T2ICQ2ICQ1REIEE图

17、图 7.14VEQVEERC1RC2+VCC+vi1T1VEET2+vi2图图 7.13RE+ vo 7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路二、电路结构二、电路结构三、工作原理三、工作原理7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路1、静态分析、静态分析: 如图如图7.14所示所示.2、动态分析、动态分析 VEQ(VEE ) VEEVBEIEE= = (7-8) RE RE IEEICQ1= ICQ2 (7-9) 2RE ICQ1( ICQ2) VCEQ1=VCCICQ1RC1+VBE1=VCEQ27.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路 +vo 差分差分放大电路放大电路 +vi1 +vi

18、2图图 7.15RC1RC2+VCC+vi1T1VEET2+vi2RE+ vo vi1+vi2 vi1vi2vi1= + 2 2 vi1+vi2 vi1vi2vi2= 2 2 vid=vic+ 2 vid=vic 2 vi1+vi2 vic= (7-10) 2 vid=vi1vi2 (7-11) RCRC +vod1T1T2 + vid /2 图图 7.16 +vid /2 + vod +vod27.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路(1) 差模输入差模输入vid=vi1vi2 , vidvid1= , 2 vidvid2= . 2iC1=ICQ+ic, iC2=ICQ ic, iEE=i

19、C1+iC2=2ICQIEE, RE交流接地交流接地. RL/2RC +vod1T1 vid2 +图图 7.17 +vid1 +vodRCT2 vod2 + +vid RL/27.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路(a) 差模电压增益差模电压增益单端输出单端输出双端输出双端输出 vod1 vod1 vod1 1 1 RL Avd1= = = = Av1 = (7-12) vid 2(vid /2) 2vid1 2 2 rbe vod2 vod2 vod2 1 1 RL Avd2= = = = Av2 = (7-13) vid 2(vid /2) 2vid2 2 2 rbe vod vod1

20、 vod2 vod1 vod2 RL Avd = = = =Avd1Avd2= vid vid vid vid rbe(7-14)7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路Avd1=Avd2= Avd/2 (7-15)(b) 差模输入电阻差模输入电阻Rid=2rbe (7-16)(c) 差模输出电阻差模输出电阻双端输出双端输出 Rod=2Ro2RC (7-17)单端输出单端输出 Rod= Ro RC (7-18)(2) 共模输入共模输入注意注意:计算计算Avd1(Avd2)和和Avd时时RL的不同的不同.7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路iC1=ICQ +ic iC2=ICQ+ ic

21、iEE=iC1+iC2=2ICQ+2icIEE+ ie vi1+vi2 vic= 2 RC1RC2+VCC+vicT1VEET2+vicRE+ vo 图图 7.187.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路RE在共模交流通路中等效为每边的在共模交流通路中等效为每边的 2RE 共模电压增益共模电压增益 单端输出单端输出 voc1 (RCRL) RCRLAvc1 = = (7-19) vic rbe+2(1+)RE 2RE 2RERCRLT1图图 7.19+vic +voc1T2RC+vic2RERL +voc2+ vocRL7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路双端输出双端输出 voc1 v

22、oc2Avc= 0 (7-20) vic 差动放大器依靠电路结构的对称性差动放大器依靠电路结构的对称性消除了电路的干扰信消除了电路的干扰信号号,抑制了零点漂移抑制了零点漂移. 差动放大电路差动放大电路“有差则动有差则动”、“无差不动无差不动”.(b) 共模输入电阻共模输入电阻 1Ric= rbe+(1+)2 RE (7-21) 2(c) 共模输出电阻共模输出电阻7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路 单端输出单端输出 RocRC (7-22) 双端输出双端输出 Roc2RC (7-23)(3) 共模抑制比共模抑制比 Avd Avd KCMR= or KCMR=20lg dB (7-24)

23、Avc Avc双端输出双端输出 KCMR 单端输出单端输出 Avd1 REKCMR= (7-25) Avc1 rbe +vi1RCRC+VCCVEET2+vi2T1ro7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路四、恒流源差动放大电路四、恒流源差动放大电路 问题的提出问题的提出:REKCMRIEEICQrbeKCMR 图图 7.20+vi1RCRC+VCCT3VEET2+vi2T1R1R2R37.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路五、差动放大电路对任意输入信号的放大能力五、差动放大电路对任意输入信号的放大能力vid=vi1 vi2 vi1+vi2vic= 2 vicvo1=vod1+voc1

24、=Avd1vid+Avc1vic =Avd1vid (1+ ) KCMRvid vicvo2=vod2+voc2=Avd2vid+Avc2vic =Avd2vid (1 ) KCMRvidKCMR vo1 (vo2 ) vid (抑制共模信号的能力越强抑制共模信号的能力越强)双端输出双端输出: vo=vo1vo2 = (Avd1Avd2) vid=Avdvid vovid单端输出单端输出: 7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路【例例7-2】在图在图7.13所示的差分放大电路中所示的差分放大电路中,已知已知VCC=VEE =12V, =100,RC=RL=10k, RE=22.6k, vi

25、1=20sint(mV) , vi2= 0. 试试 求输出电压求输出电压vo2 . 【解解】 vicvo2 = Avd2vid (1 ) 498.9sint (mV) KCMR vid vid=vi1vi2=20sint (mV), vic=(vi1+vi2)/2=10sint (mV) VEEVBE 120.7IEE= = = 0.5mA RE 22.67.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路ICQ1= ICQ2 IEE/2=0.25mA RL Avc2 0.11 2REKCMR 227.27rbe(1+)VT/ICQ 10k 1 RL Avd2= =25 2 rbe六、频率响应六、频率响

26、应 高频响应与单管共射放大器相同高频响应与单管共射放大器相同,但有极好的低频响应但有极好的低频响应.七、小结七、小结 P189 表表7.17.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路八、有源负载差分放大电路八、有源负载差分放大电路+vid1RL+VCCVEET2+vid2T1ro图图 7.21T3T4+vodI0iC3iC1iC4iC2ioICQ1=ICQ2ICQ3ICQ4=I0/2iC1=ICQ1+iC1=ICQ+iCiC2=ICQ2+iC2=ICQiCiC3=iC1iC4=iC3=iC1io=iC4iC2=iC1iC2=2iC (7-26)有源负载差分放大电路在单端有源负载差分放大电路在单端

27、输出时具有双端输出的特性输出时具有双端输出的特性.7.2.1 BJT差分放大电路差分放大电路图图 7.22Vod=(4Ib4+2Ib2) (rce4rce2RL) Vid=2Vid1=2Ib1rbe1 Ib4=Ib2 Ib1=Ib2 4=2= (rce4rce2RL) Avd=rbe11Ib1 +Vid1 +Vid2rbe1rce1re3rbe4rbe24Ib4Ib4rce4Ib1RL+Vodrce22Ib2Ib27.2.2 FET差分放大电路差分放大电路 高输入阻抗模拟集成电路中高输入阻抗模拟集成电路中,常采用输入电阻高、偏置电流常采用输入电阻高、偏置电流很小的很小的FET差分放大电路差分放

28、大电路. FET差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与BJT差分放大电路基本相同差分放大电路基本相同,并具有相同的电路特点并具有相同的电路特点. FET差分放大电路的输入电阻与偏置电流的特征如下差分放大电路的输入电阻与偏置电流的特征如下:1012 (JFET)1015 (MOSFET)Rid100pA (JFET)10pA (MOSFET)I0图图7.23为带恒流源的为带恒流源的JFET差分式放大电路差分式放大电路.7.2.2 FET差分放大电路差分放大电路 1 Avd2= gmRD 2 单端输入单端输入单端输出单端输出vo2RG21M R12

29、0kvid RD110k RD210k+VDDT1VSST4T3RG11MR32.7k R23.3kIREFI0图图 7.23T27.2.2 FET差分放大电路差分放大电路【例例7-3】NMOSFET差分放大电路如图差分放大电路如图7.24所示所示,试简述其电路试简述其电路 结构和工作原理结构和工作原理.T2+VDDT6T7I0TREFT3T4T5T1IREF +vi1 +vi2VSS+ vo 图图 7.247.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性图图 7.25vid VTiC/I08 6 4 2 0 2 4 6 81.0 0.80.2iC1/I0iC2/I0Q线性区线性区iC

30、1 ,iC2= f (vid) 1 1 vidiC1= I0+ I0 th( ) 2 2 2VT 1 1 vidiC2= I0 I0 th( ) 2 2 2VT vidiC1iC2= I0 th( ) (7-27) 2VT7.2.3 差分放大电路的传输特性差分放大电路的传输特性1. vid= 0, iC1= iC2=I0/2, iC1/I0= iC2/I0= 0.5, iC1+iC2=I02. vidVT ， 线性线性.3. vid4VT ，非线性，非线性,呈现良好的限幅特性呈现良好的限幅特性.4. 在差分对管的射极分别串接电阻在差分对管的射极分别串接电阻RE1、RE2,可使线性区扩大可使线性

31、区扩大.5. 最大差模输入电压最大差模输入电压 vid T1 (T2), T2 (T1) 击穿击穿6. 最大共模输入电压最大共模输入电压7.2.4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂一、失调的概念一、失调的概念1 、输入失调电压、输入失调电压 为了使实际的差分放大电路在零输入时双端输出电压为零为了使实际的差分放大电路在零输入时双端输出电压为零,需要人为地在输入端加补偿信号需要人为地在输入端加补偿信号,所加的补偿电压称为输入失调电所加的补偿电压称为输入失调电压压(Input Offset Voltage).RC1RC2+VCCT1T2I0图图 7.26+ VEEVO=0+ VI

32、OVIO=VBE1VBE2 (7-28) IC1 IEBS2VBE1VBE2VTln IC2 IEBS17.2.4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂VO=0 IC1 IEBS2VBE1VBE2VTln IC2 IEBS1IC1RC1=IC2RC2RC1=RC，RC2=RC+RCIC1 RC+RC =IC2 RCIEBS1=IEBS，IEBS2=IEBS+IEBSIEBS2 IEBS+IEBS =IEBS1 IEBS X+X Xln X X RC IEBSVIOVT + RC IEBS（7-29）7.2.4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂2 、输入失调电

33、流、输入失调电流 对由对由BJT组成的差分放大电路，输出端的失调还可以用输组成的差分放大电路，输出端的失调还可以用输入端的电流来进行补偿入端的电流来进行补偿,这个这个补偿电流称为输入失调电流补偿电流称为输入失调电流(Input Offset Current).RC1RC2+VCCT1T2I0图图 7.27+ VEEVO=0IC1IC2 IIOIB+ 2 IIOIB 2 IB1+IB2IB= (7-31) 2 IIO= IB1IB2 (7-30)7.2.4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂(7-32)IIO= IB1IB2 IC1 IC2= 1 2 RCIB + RC IB

34、3 、失调模型、失调模型 无失调无失调 差分差分放大电路放大电路RiIIO 2IIO 2 +VIORsRs图图 7.28 1 RsVIO=VIO +IIO 1+2Rs/Ri 1+2Rs/Ri(7-33)低阻信号源低阻信号源高阻信号源高阻信号源7.2.4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂4、差分放大电路的调零、差分放大电路的调零图图 7.29 RC1RC2+VCCT1VEET2RERW+ VO (a)RC1RC2+VCCT1VEET2RERW+ VO (b) RCAvd= (7-34) rbe+(1+)RW/2 Rid=2 rbe+(1+) RW /2 (7-35) 7.2.

35、4 差分放大电路的失调及其温漂差分放大电路的失调及其温漂二、失调的温漂二、失调的温漂1 、输入失调电压的温漂、输入失调电压的温漂 dVIO/dTVIO2 、输入失调电流的温漂、输入失调电流的温漂 dIIO/dTIIO调零电路对失调温漂无能为力调零电路对失调温漂无能为力.7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路一、集成运放的组成框图及电路符号一、集成运放的组成框图及电路符号 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻、低输集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大电路出电阻的多级直接耦合放大电路.其类型很多其类型很多,电路也不一样电路也不一样,但但结构具有共同之

36、处结构具有共同之处,图图7.30示出了集成运放的组成原理框图示出了集成运放的组成原理框图.差分输入级差分输入级中间增益级中间增益级输出级输出级偏偏 置置 电电 路路vivoCC图图 7.307.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 此外此外,还有一些辅助环节还有一些辅助环节,如电平移动电路如电平移动电路,过载保护电路及过载保护电路及高频补偿环节等高频补偿环节等. 集成运放的电路符号如图集成运放的电路符号如图7.31所示所示.vNvPvo+NPOA图图 7.31二、双极型运放二、双极型运放7417.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 自自1966年以来年以来,741运放已被许多半导体器

37、件制造商生产出运放已被许多半导体器件制造商生产出来来.从那以后从那以后,运算放大器的设计有了很大的进步运算放大器的设计有了很大的进步,但但741仍然被仍然被广泛地用于一般的运算放大器电路中广泛地用于一般的运算放大器电路中.虽然虽然741是一个相当是一个相当“古古老老”的设计的设计,但它对于描述一般电路的结构和实现仍能提供有用但它对于描述一般电路的结构和实现仍能提供有用的实例的实例. 图图7.32(a)给出了给出了741的原理电路的原理电路,图图7.32(b)给出了其简化电给出了其简化电路路.与大多数运放一样与大多数运放一样,它包括差分输入级、电压增益级、输出它包括差分输入级、电压增益级、输出级

38、和偏置电路几部分级和偏置电路几部分,为了便于分析为了便于分析,将整个电路分割成几个基将整个电路分割成几个基本电路介绍本电路介绍.7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路89图图 7.32 (a)2T3T4T1T2 +T12+VCC+15VT7R11k3T13T16T17R927R45k R539kVEE15VR7100R6 R31kIREF T5T615T8T9T11T1050kT22T23R850kT18T19ABT24R1022T21T20T14T15746输入级输出级中间级偏置电路50kRWCC30pF7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路图图 7.32 (b)T3T4T1T2

39、+VCC+15VT7 R11kT16T17VEE15VR750R6 R31k + vi/2 T5T6IE850kT23T20T1450kR2+VCCI3,4iC3iC5iC4iC6iO1 + vi/2 IC13Brce13IC13AT18T19 vO7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路1、偏置电路、偏置电路 主偏置电路主偏置电路: +VCCVT12R5VT11VEE. VCCVEB12VBE11+ VEE 150.70.7+15 IREF= = 733A R5 39 主偏置电路中的主偏置电路中的T11和和T10组成微电流源组成微电流源,由由IC10供给输入级供给输入级中中 T3、T4的

40、偏置电流的偏置电流. VT IREFIC10= ln R4 IC10 IC1020A IC10 IREFT8和和T9为一对横向为一对横向PNP型管型管,组成镜像电流源组成镜像电流源,若忽略各管若忽略各管7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路的基极电流的基极电流.则可得输入级的偏置电流为则可得输入级的偏置电流为: I0=IC8=IC9=IC1020A T1到到T4的静态集电极电流为的静态集电极电流为: IC1=IC2IC3 =IC4 =IC10/210A 注意注意:输入级的偏置电路本身构成反馈环输入级的偏置电路本身构成反馈环,可减小零漂可减小零漂.T(oC) (IC3+IC4) IE8 I

41、E9 IC9 ( IB3,IB4 )IC9+(IB3+IB4)=IC10常数常数(IC3+IC4)T12和和T13组成双端输出的镜像电流源组成双端输出的镜像电流源.一路输出为一路输出为T13B的集的集7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路电极电极,作为中间放大级的有源负载作为中间放大级的有源负载. IC17=IC13B=0.75IREF550A 另一路输出为另一路输出为T13A的集电极的集电极 ,供给输出级的偏置电流供给输出级的偏置电流.从从而使而使T14、T20工作在甲乙类放大状态工作在甲乙类放大状态. IC13A=0.25IREF180A2 、 差分输入级差分输入级 输入级由晶体管输

42、入级由晶体管T1T7组成组成. T1、T3和和T2、T4组成共集组成共集-共共基组合差分放大电路基组合差分放大电路, 双端输入、单端输出双端输入、单端输出. T5 、T6、T7和和R1、R2、R3组成的电流源电路作为其有源负载组成的电流源电路作为其有源负载, T7用来为用来为T5、T6提提供偏置供偏置. 输入级具有较大的差模输入电阻和较高的电压增益输入级具有较大的差模输入电阻和较高的电压增益.7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路虽然为单端输出虽然为单端输出,却具有双端输出的功能却具有双端输出的功能.iC6= iC5= iC3= ICQ3+ ic3 iC4=ICQ4ic4 ic3=ic4

43、=iciO1=iC4iC6 =2ic T3、T4为横向为横向PNP型晶体管型晶体管,虽然虽然较小较小,但击穿电压较但击穿电压较大大.为输入差动放大器提供了必要的击穿保护为输入差动放大器提供了必要的击穿保护. 3 、 中间增益级中间增益级 中间级由中间级由T16、T17和和T13B组成组成.T16为射极跟随器为射极跟随器,因此因此,中间中间级的输入电阻很大，可降低对差动输入级的负载效应级的输入电阻很大，可降低对差动输入级的负载效应; 7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路T17为共射放大器为共射放大器,T13B作为其有源负载作为其有源负载,故中间级可获得很高的故中间级可获得很高的电压增益电

44、压增益. 741是通过连接在中间级的输出端和输入端之间的反馈是通过连接在中间级的输出端和输入端之间的反馈电容实现内部补偿的电容实现内部补偿的,这种密勒补偿技术保证这种密勒补偿技术保证741运算放大器运算放大器形成稳定的反馈电路形成稳定的反馈电路.4 、 输出级及保护电路输出级及保护电路 输出级是由输出级是由T14和和T20组成的甲乙类互补对称电路组成的甲乙类互补对称电路.T18、T19和和R8组成组成VBE倍增电路倍增电路,用来克服交越失真用来克服交越失真; T23组成共集电组成共集电极电路极电路,作为隔离级作为隔离级,用来减小输出级对中间级的负载效应用来减小输出级对中间级的负载效应,保保证中

45、间级的高增益证中间级的高增益.7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 为了防止输入级信号过大或输出短路而造成的损坏为了防止输入级信号过大或输出短路而造成的损坏,电路电路内设有过流保护元件内设有过流保护元件. R9、R10和和T15、T21、T24、T22组成保护组成保护电路电路.iE14 VR9 T15 iB14 iE14iE20 VR10 T21T24, T22iB16 iE20 RW为静态调零电位器为静态调零电位器.【例例7-4】电路如图电路如图7.33所示所示,设所有三极管的设所有三极管的=100,VBE=0.7V, rbe1=rbe2=5.2k, rbe3=260k, rbe4=

46、rbe5=2.6k, rbe6=0.25k. (1)分析电路的直流工作状态分析电路的直流工作状态;(2)计算电路总的电压增益计算电路总的电压增益.7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 vi2T3T4T1T2 +voT8+VCC+10VT7D R113.4k vi1 R213.4kT5T6T9 R819.3kR41.9kR53.5kVEE10V R79.7kR62kR35.1kIREF图图 7.33 7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路【解解】(1) vi1=vi2=0, vo=0 VCCVBE8(VEE)IC7=IREF = =1mA, IC1=IC2 =IC7 /2=0.5m

47、A R8 VCC (IC2R2 +VBE3 +VBE4)IR3=IR4 = =1mA R4 VCCIR3R3VBE5VBE6IE5= =1mA, R5 (VEE )IE6= =5mA R6VCE1=VCE2 = VCC IC1R1 VE=4V VCE4=VC4VE4=(VCCIR3R3)(VCCIR2R2VBE3VBE4)=3V 7.3 集成运算放大器电路集成运算放大器电路VCE6=10V(2) Av= Avd1 Av2 Av3 335 1 (R1Ri2)Avd1= 129 2 rbe1Ri2= rbe3+(1+)rbe4+(1+)R4=19.9M 2(R3Ri3)Av2= 2.6 , Av3

48、1 Ri2Ri3=rbe5+(1+) R5+ rbe6+(1+)R6=20.8M思考思考: 判断图判断图7.33所示电路的同相端和反相端所示电路的同相端和反相端.7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数 为了正确地挑选和使用集成运放为了正确地挑选和使用集成运放,必须搞清其各项参数的含义必须搞清其各项参数的含义.一、输入失调电压一、输入失调电压VIO VIO=(VO )/ Avo (7-36) VIO :(1 10)mV VIOVI=0 它反映了运放电路的对称程度和电位配合情况它反映了运放电路的对称程度和电位配合情况.二、输入偏置电流二、输入偏置电流IIBIBNIBPVO +VCC VE

49、E IIB=(IBN+ IBP)/2 (7-37)IIB : (10nA1A) IIB图图 7.34 7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数三、输入失调电流三、输入失调电流IIO IIO=IBP IBN (7-38) IIO : (1nA 0.1A) IIO它反映了输入级差分对管的不对称程度它反映了输入级差分对管的不对称程度.四、温度漂移四、温度漂移 1 、输入失调电压温漂、输入失调电压温漂VIO/T 低漂移运放低漂移运放:(1020)V/oC. 2 、输入失调电流温漂、输入失调电流温漂IIO/T 高质量运放高质量运放:几几pA/oC.7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数

50、五五、最大差模输入电压最大差模输入电压VidmaxVidmax=5V （平面（平面NPN）30V （横向（横向PNP）六六、最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax高质量的运放高质量的运放Vicmax可达可达 13V .7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数七七、开环差模电压增益开环差模电压增益Avo图图 7.3520lgAvo /dB20dB/十倍频1206020100804010102103104105106107f/Hz 0f T=1.4MHzfH7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数八八、开环带宽开环带宽BW( fH )九、单位增益带宽九、单位增益带宽BWG(

51、fT ) fH7Hz 741: fT =Avo fH=21057=1.4MHz十十、转换速率转换速率 ( SR ) 转换速率是指放大电路在闭环状态下转换速率是指放大电路在闭环状态下,输入为大信号时输入为大信号时,放大电路输出电压对时间的最大变化速率放大电路输出电压对时间的最大变化速率,即即 dvO(t)SR = (7-39) dtmax转换速率的大小与许多因素有关转换速率的大小与许多因素有关,其中主要是与运放所加其中主要是与运放所加7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数的补偿电容的补偿电容,运放本身各级运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容的极间电容、杂散电容,以及放以及放大电路提供的充电电流等因素有关大电路提供的充电电流等因素有关.t+VimaxVimaxt+VomaxVomax图图 7.36 设设 vi =Vim sint ， vo =Vom sint 741+R3R1R2vivo7.4 运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数 dvO(t)SR = =Vom cost =2f Vom (7-40) dtt=0t =0为了使输出电压波形不因为了使输出电压波形不因SR的限制而产生失真的限制而产生失真,必须有必须有