模拟电子技术 第4章集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种高增益的多级直接耦合放大电路。本章主要介绍集成运放内部电路的一般组成、电流源电路、差动放大电路的基本工作原理，以及集成运放的主要技术性能指标。集成运放内部电路具有以下特点集成运放内部电路具有以下特点1 级间采用直接耦合方式。2 尽可能地用有源器件代替无源器件，利用晶体管代替较大的电阻。3 尽量采用对称性电路结构，保证器件参数的一致性，提高电路的性能指标。集成运放的分类集成运放的分类通用型集成运放：各种性能参数取值适中，适用于一般应用场合。专用型集成运放：突出一项或几项指标要求，如高输入电阻型、低功耗型等。 通用型集成运放的内部由4个部分组成，即输入级、中间级、输出级和电流

2、源电路（偏置电路和有源负载），如图4-1所示。输入级输入级中间级中间级输出级输出级电流源电流源图图4-1 通用型集成运放内部电路的一般组成通用型集成运放内部电路的一般组成 图4-2(a)是一个由BJT构成的电流源电路。即使A端电位在较大范围内变化，电流IC也基本不变。这种电路可以等效为一个高内阻的电流源元件，如图4-2(c)所示。图图4-2 分立元件电流源电路分立元件电流源电路(a)(c) 采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。下面讨论几种常见的电流源。4.2.1 镜像电流源镜像电流源 镜像电流源如图4-3所示。晶体管VT1、VT2的性能参数具有很好的对称性，即IB1=IB2=I

3、B，1=2=，IC1=IC2=IC。由图4-3可知，IC1=IR-2IB=IR-2IC1/，而基准电流IR=（VCC-VBE）/R，所以有C2C1R2III图图4-3 镜像电流源电路镜像电流源电路(4-1)当2时，VCCCCBECCC2C1RVVVIIIRR 从上式可以看出，当R确定后，IR就确定了，IC2也随之确定，把IC2看作IR的镜像，所以称图4-3为镜像电流源。I1 在图4-3所示电路中，当不够大时，IC2就与IR存在一定的差别，为了弥补这一不足，在电路中接入VT3，如图所示。CCBER2VVIR 带缓冲级的镜像电流源电路（补充）带缓冲级的镜像电流源电路（补充）E3C2C1RB3RBR

4、R121IIIIIIIIIbebe 可见，利用缓冲级VT3的电流放大作用，减小了IB对IR的分流作用，从而提高了IC2与IR互成镜像的精度。 我们也可以用一个基准电流产生多个电流源。如图4-4所示的电路就是一个3路镜像电流源。C2C3C4C1RIIIII 图图4-4 3路镜像电流源路镜像电流源E5C1RB5RRBR411IIIIIIII由于参数的一致性，IB1=IB2=IB3=IB4=IB，即IE5=4IB，故4.2.2 比例电流源比例电流源BE1E1E1BE2E2E2VI RVI R图图4-5 比例电流源电路比例电流源电路(4-5)VCC VT1、VT2的基极对地电位相等。根据发射结电流方程

5、, 有E1BE1TS1lnIVVIBET/ESVVIIeE2BE2TS2lnIVVI(4-6)(4-7)E1E2BEBE1BE2TTS1S2S2E1TE2S1lnlnlnIIVVVVVIIIIVII(4-8)4.2.2 比例电流源比例电流源图图4-5 比例电流源电路比例电流源电路VCCE1E2BEBE1BE2TTS1S2S2E1TE2S1lnlnlnIIVVVVVIIIIVII(4-8)由于参数对称性IS1=IS2，故若两管射极电流比例在10倍以内，则在室温下，E1BETTE2lnln10262.360 mVIVVVI两管VBE相差60mV，不到VBE（约0.7V）的10%。因此，可近似地认为

6、VBE1=VBE2，由(4-5)式E1E1E2E2I RI R(4-9)4.2.2 比例电流源比例电流源图图4-5 比例电流源电路比例电流源电路VCCE1E1E2E2I RI R(4-9)E1E2E2E1IRIR(4-10)因为 IE1IR，IE2IC2，所以E1C2RE2RIIRCCBE1RE1VVIRR(4-11)(4-12)其中思考题：多路电流源电路如图所示。已知各BJT的参数、VBE的数值相同，求各电流源IC1、IC2及IC3与基准电流IR的关系。ReC1E1e1I RIIREeE1e1E2e2E3e3ReI RI RI RI RI RIC=IR-IB/(1+)，当较大时，有 ICIR

7、RIRICIBIB1IC1VTVT1A1IB2IC2VT2IB3IC3VT3VT0IE0IB0A2A3oooVCCReRe1Re2Re3由于各管的、VBE相同，则ReC2E2e2I RIIRReC3E3e3I RIIR 当IR确定后，改变各电流源射极电阻，可获得不同比例的输出电流。4.2.3 微电流源微电流源图图4-6 微电流源电路微电流源电路BE1BE2E2E2VVI R 利用两管基射极电压差VBE可以控制输出电流 IC2。由于VBE的数值很小，故用阻值不大的 Re2 即可获得微小的工作电流，称为微电流源。BE1BE2BEE2C2E2E2VVVIIRR 镜像电流源和比例电流源适用于较大工作电

8、流（毫安量级）的场合，若需要减少IC2的值（例如微安级），必然要求基准电阻R的值很大，而在集成电路中制作大电阻很不方便。因此，需要研究改进型的电流源。若将图4-5所示中的RE1短路，就成为一个微电流源电路，如图4-6。(*) 将(4-8)式代入(*)式，得到4.2.3 微电流源微电流源图图4-6 微电流源电路微电流源电路33TRE266C2C226 101 10lnln12 k10 1010 10VIRIITRC2E2C2lnVIIRI上式为一个超越方程，不可能解出IC2。但是，若给定IR=(VCC-VBE1)/R和IC2的值，可以选择RE2(4-14)因为1，则IRIE1，IC2IE2，所以

9、BE1BE2TE1E2E2E2E2lnVVVIIRRI已知已知VCC=9V，VBE1=0.7V，要使，要使IR=1mA, IC2=10A，求，求R和和RE2的值。的值。CCBE13R90.78.3 k1 10VVRI4.2.4 集成有源负载放大电路集成有源负载放大电路 在选择共射放大电路的集电极电阻RC时，常常遇到这样的矛盾：为了获得较大的电压增益，必须选用较大阻值的RC。但增大RC，必然使RC上的直流压降增大。为了保证BJT的的动态范围，需要提高电源电压。很高的电源电压又会增大电路功耗和必须提高BJT的耐压参数等。VCEQ=VCC-ICRCVCCVCC/RCCLLVbebe/RRRArr Q

10、 因此，通过选用阻值很大的RC来提高电压增益的方案是行不通的。 集成电流源的伏安特性曲线如图4-8(a)所示。由图看出，电流源的动态电阻很大，而静态电阻较小。因此，在放大电路的交流通路中，利用其动态电阻大的特点可以提高电压增益；在放大电路的直流通路中，利用其静态电阻小的特点，使直流压降较小，不需要提高电源电压。采用电流源作为集电极负载（或射极负载）的放大电路称为BJT有源负载放大器。有源负载共射放大电路如图4-8(b)所示。图图4-8(b) 有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路VT2与VT3构成镜像电流源VT3为VT1的有源负载放大管VT1为基极输入集电极输出结构，构成共射放大电路，输出电

11、压与输入电压反向。 集成电流源的伏安特性曲线如图4-8(a)所示。由图看出，电流源的动态电阻很大，而静态电阻较小。因此，在放大电路的交流通路中，利用其动态电阻大的特点可以提高电压增益；在放大电路的直流通路中，利用其静态电阻小的特点，使直流压降较小，不需要提高电源电压。采用电流源作为集电极负载（或射极负载）的放大电路称为BJT有源负载放大器。有源负载共射放大电路如图4-8(b)所示。图图4-8(b) 有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路VT2与VT3构成镜像电流源VT3为VT1的有源负载放大管VT1为基极输入集电极输出结构，构成共射放大电路，输出电压与输入电压反向。4.3.1 直接耦合放大电

12、路的零点漂移问题直接耦合放大电路的零点漂移问题 当直接耦合放大电路输入电压信号为零时，放大器的输出端静态直流电位Vo漂移不定，即在预期的输出直流电位的基础上，产生无规则、缓慢的变化。这种现象称为放大电路的零点漂移现象。图图4-9 直接耦合放大器的零点漂移直接耦合放大器的零点漂移 电源电压波动、器件参数改变、温度的变化都可以产生零点漂移，其中温度的变化是产生零点漂移的主要原因。因此，将零点漂移又称为温度漂移，简称温漂。 温漂带来的危害主要有两方面：其一，导致工作点偏离，使放大器输出产生非线性失真；其二，使放大电路丧失放大微小信号的能力。因为输出温漂信号混杂在被放大的有用信号之中，当有用的输出信号

13、与输出端的温漂大小相当时，有用的输出信号将会被输出温漂所“淹没”。 为了抑制温漂，提出了差动放大电路。4.3.2 差动放大电路的工作原理与性能分析差动放大电路的工作原理与性能分析 差动放大电路如图4-10所示。该电路的特点是电路两侧元件参数对称，两个发射极相连并由公共发射电阻RE将他们耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大电路。电路采用双电源供电，VCC的负端和VEE的正端连在一起，作为公共电位。图图4-10 基本差动放大电路基本差动放大电路 图4-10所示的电路有两个输入端和两个输出端。这个特点使该电路的使用分为多种情况。从输入方式看：输入信号可以分别由两个输入端对地加输入信号vi1和vi2

14、，称为双端比较输入。若其中一个信号为零（接地）时，则称为单端输入；也可以将输入电压信号vi加在两个输入端之间（浮地），则称为双端差模输入（或浮地输入）。从输出方式看：可以从一个输出端对地接负载电阻，称为单端输出；也可以在两个输出端之间接负载电阻，称为双端输出（或浮地输出）。图图4-10 基本差动放大电路基本差动放大电路4.3.2.1 静态分析 当vi1=vi2=0时，即两个输入端对地短路时，差动电路处于静态。此时公共射极电位VE=-VBE-0.7V，流过RE的电流vo1vo2RCRCvi1vi2VCCVEERE图图4-10 基本差动放大电路基本差动放大电路EEEEEEE0.7VVVIRR (4

15、-16)CQ1CQ2EQ1EQ20.5IIIII(4-17)CEQ1CEQ2CCCQ1C0.7VVVIR(4-18)CQ1CQ2CCCQ1CVVVIR由于两侧对称，所以集电极电位(4-19) 静态时由于电路的对称性，两个输出端的直流电位相等，即使温度发生变化，由于温度变化对两侧电路的影响是相同的，故两个输出端的直流电位相等关系仍能保持。可见，差放电路的对称性越好，对双端输出时温漂的抑制能力越强。IIEQ1IEQ2ICQ1ICQ2思考题：电路如图所示。Re1=Re2=100，BJT的=100，VBE=0.6V。求(1) Q点点(IB1、IC1、VCE1)；(2) 当vi1=0.01V、v2= -

16、0.01V时，求输出电压vo=vo1-vo2的值；(3) 当C1、C2间接入负载电阻RL=5.6k时，求vo的值；(4) 求电路的差模输入电阻Rid、共模输入电阻Ric和输出电阻Ro。(1) 求静态工作点求静态工作点静态时，vi1=vi2=0V，即两管的基极为地电位。由于电路两边对称，因此有：IC1=IC2Io / 2=1(mA)IB1=IC1/=1/100=0.01(mA)VBE=VB-VE， VE=VB-VBE= -0.6VVCE1=VCC-IC1RC1-VE =10-15.6-(-0.6)= 5 (V)4.3.2.2 差模放大特性 如果差动放大器的两个输入端的输入电压大小相等，极性相反，

17、即vid1= -vid2，则将vid1、vid2分别称为输入端1和输入端2的差模输入信号。 由图4-10可以看出，若一侧基极电位升高vid1，使iE1增大，则另一侧基极电位降低vid1，使iE2减小。在小信号情况下，射极电流增大量与减小量相等。这就是说，小信号差模输入时，RE中的电流将保持静态值不变，即流过RE的差模信号为零。因此，图4-11中RE被开路。图图4-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放大电路的差模交流通路图图4-10 基本差动放大电路基本差动放大电路vid2vid1 = -vid2虚地虚地4.3.2.2 差模放大特性图图4-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放

18、大电路的差模交流通路1. 差模电压放大倍数Avd 在小信号差模输入的情况下，两个输出端的差模输出信号vod1、vod2的极性也是相反的。若集电极C1电位瞬时降低，则集电极C2的瞬时电位必然升高。在图示的参考方向下，双端差模输出电压vod为vod=vod1-vod2=2vod1=-2vod2vid=vid1-vid2=2vid1=-2vid2双端差模输入电压vid分别所以双端输入双端输入双端输出双端输出差模电压放大倍数为odod1od2Cvdidid1id2bevvvRAvvvr (4-20)即双端输入双端输出差模电压放大倍数等于单侧共射放大电路的电压放大倍数。4.3.2.2 差模放大特性图图4

19、-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放大电路的差模交流通路而双端输入、单端输出双端输入、单端输出时的差模电压放大倍数为 在负载开路的情况下在负载开路的情况下，单模输出差模电压放大倍数等于双模输出差模电压放大倍数的一半。 以上讨论中，两个输出端之间未接入负载电阻RL。若接入负载电阻RL，则由于RL的中点在差模动态时保持电位不变，故在差模交流通路中，负载电阻RL等效为每个输出端对地负载电阻，为RL/2。因此，有负载时的双端输入双端输出的差模电压放大倍数为od1od1Cvdvd()idid1be1222vvRAAvvr 单od2od1Cvdvd()idid1be1222vvRAAvvr 单

20、(4-21)(4-22)RLT1T24.3.2.2 差模放大特性图图4-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放大电路的差模交流通路 以上讨论中，两个输出端之间未接入负载电阻RL。若接入负载电阻RL，则由于RL的中点在差模动态时保持电位不变，故在差模交流通路中，负载电阻RL等效为每个输出端对地负载电阻，为RL/2。因此，有负载时的双端输入双端输出的差模电压放大倍数为RL输出端接入负载输出端接入负载RL的情况的情况x-xy4.3.2.2 差模放大特性输出端接入负载电阻输出端接入负载电阻RL的情况的情况 有负载时的双端输入有负载时的双端输入双端输出双端输出的差模电压放大倍数为 可见，差放电路

21、对差模电压信号具有放大作用。在静态工作点一定时，差模电压放大倍数与公共射极电阻RE无关。差放电路的差模电压放大倍数是一个重要的性能指标。若单端输出，即负载电阻单端输出，即负载电阻RL接在一端对地接在一端对地，则单端输出差模电压放大倍数应为CLLvdbebe/2RRRArr (4-23)od1od1CLLvd()idid1bebe/222vvRRRAvvrr 单od2od2CLLvd()ididbebe/222vvRRRAvvrr单(4-24)RLT2T14.3.2.2 差模放大特性图图4-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放大电路的差模交流通路双入双出放大电路的交变等效通路双入双出放

22、大电路的交变等效通路2. 差模输入电阻Rid定义：差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比。id1idbeid22vRri(4-26)（差模输入电阻越大越好）idid1id24.3.2.2 差模放大特性图图4-11 基本差动放大电路的差模交流通路基本差动放大电路的差模交流通路odC2RR(4-26)（差模输出电阻越小越好）双入双出放大电路的交变等效通路双入双出放大电路的交变等效通路3. 差模输出电阻Rod 从两个输出端向放大器看入的等效交流电阻近似等于2RC，故双端输出时差模双端输出时差模输出电阻输出电阻单端输出时的差模输出电阻单端输出时的差模输出电阻Cod()RR单(4-27)输入方

23、式双端输入输出方式双端输出单端输出差模电压增益差模输入电阻原 理 电 路 图CvdbeRAr Cvd()be2RAr 单差模输出电阻idbe2Rrodc2RRodcRRidbe2RrCLbe/2RRrCLvd()be/2RRAr 单RLvid2vid1 = -vid2（T1管输出取负，T2管输出取正）RL思考题：电路如图所示。Re1=Re2=100，BJT的=100，VBE=0.6V。求 (2) 当vi1=0.01V、v2= -0.01V时，求输出电压vo=vo1-vo2的值；(3) 当C1、C2间接入负载电阻RL=5.6k时，求vo的值；(4) 求电路的差模输入电阻Rid和差模输出电阻Rod

24、。(2) 求输出电压求输出电压vo的值的值 vi1= - vi2 为差模输入方式C1vdbe1e11RArR be1E126262001200 1012.8 k1rI 3ovdi1i23100 5.6 100.010.010.87 V2.8 10101 100vAvv (3) 当接入负载电阻当接入负载电阻RL=5.6k时，求输出电压时，求输出电压vo的值的值 因为VC1=VC2，RL中没有静态电流，相当于开路，所以当C1、C2间接入负载电阻RL时，对静态工作点没有影响。RL3C1Lvd3be1e15.65.6 210010/25.65.6 214.512.8 10101 100RRArR ov

25、di1i214.50.010.010.29 VvAvv (4) 求电路的差模输入电阻求电路的差模输入电阻Rid和差模输出电阻和差模输出电阻Rod差模输入电阻Rid为RL3idbee212 2.8 10101 10025.8 kRrRoc122 5.611.2 kRR差模输出电阻Ro为 如果差动放大器的两个输入信号大小相等，极性相同，即vi1=vi2=vic，则称之为共模输入电压信号，并用vic表示。这就是说，假设两个输入端同时加极性为正、大小相同的信号，则两侧基极电位同时升高，两侧基极电流同时增大，并且增大的量相等，即公共射极电阻RE中电流的增量为2iE1=2iE2，公共射极电位升高2iE1R

26、E=iE1(2RE)。将公共射极电阻RE等效到单侧后变为2RE，即可得差放电路的共模交流通路如图4-12所示。图图4-12 基本差动放大电路的共模交流通路基本差动放大电路的共模交流通路4.3.2.3 共模抑制特性图图4-10 基本差动放大电路基本差动放大电路vi2vi1 = vi22iE12iE1RE=iE1RiE1iE1REiE1(2RE)RRiE1R图图4-12 基本差动放大电路的共模交流通路基本差动放大电路的共模交流通路1. 共模电压放大倍数Avc 双端输出共模电压放大倍数若单端接负载电阻RL，则共模电压放大倍数为oc1oc2Lvd()icicbeE12vvRAvvrR 单(4-29)通

27、常满足条件4.3.2.3 共模抑制特性ococ1oc2vcicicvvvAvv(4-28)在理想对称条件下，voc1=voc2，双端输出时共模电压放大倍数Avc=0。单端输出时的共模电压放大倍数分别为oc1oc1vc()icic1vvAvv单oc2oc2vc()icic2vvAvv单Ebe12Rr所以Lvd()E2RAR 单(4-30)CE2RR 图图4-12 基本差动放大电路的共模交流通路基本差动放大电路的共模交流通路4.3.2.3 共模抑制特性icicic1icbeEicic1ic11112222vvvRrRiii(4-31) 差放电路的共模输出电阻与差模输出电阻相同，即2. 共模输入电阻

28、Ric3. 共模输出电阻RococC2RR单端输出时单端输出时Coc()RR单双端输出时双端输出时输入方式双端输入输出方式双端输出单端输出共模电压增益共模输入电阻原 理 电 路 图oc1oc2vcic0vvAvCvc()beE12RArR 单共模输出电阻icbeE1122RrRocc2RRoccRRRLvicvic1 = vic2RCRC/RLicbeE1122RrR差端交流通路共模交流通路vid2vid1 = -vid2基本差放电路的原理图iE1-iE10vic1 = vic2vic2iE1iE12iE1RE=iE1(2RE)输入方式(双端)差模输出方式双端输出单端输出电压增益输入电阻ocv

29、cic0vAvoc1oc2vc()icicvvAvv单输出电阻idid1ididid12vvRiiocc2RRoccRRicic1icicic12vvRii共模交流通路单端输出双端输出CbeRroccRRodod1vdidid1vvAvvod1od1od2vdidid1id2()22vvvAvvv单RL/2RLRLT1T2Cbe2RrCE2RR CCL/2RRR CCL/RRR CCL/RRR occ2RR4.3.2.4 共模抑制比KCMR 在差分式电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。差模信号

30、vi1=-vi2共模信号 vi1=vi2有用的信号，需要放大有用的信号，需要放大无用的噪声，需要抑制无用的噪声，需要抑制4.3.2.4 共模抑制比KCMR或者用dB（分贝）为单位表示vdCMRvcAKA(4-32)vdCMR()vc20lgAKA单(4-33) 为了衡量差动放大电路对差模电压信号的放大能力和对共模电压信号的抑制能力，引入差放电路的一个重要性能指标共模抑制比，记为KCMR。其定义为 在理想对称情况下，双端输出时，Avc0，所以KCMR。单端输出时，由式(4-24)和式(4-30)可得vd()ELLCMR()beEbevc()122ARRRKrRAr单单单(4-34)4.3.2.5

31、 比较输入时的放大特性共模输入分量共模输入分量差模输入分量差模输入分量ici1i212vvv(4-35)id2i1i212vvv id1i1i212vvv(4-36) 如果两个输入端所加电压信号vi1和vi2之间不满足差模信号关系，又不满足共模信号关系，则vi1和vi2是相互独立的。这种输入方式称之为比较输入方式。那么这种输入方式差放电路的输出响应又该如何分析呢？分析思路： 将输入信号vi1和vi2分解为共模输入分量与差模输入分量，总的输出响应是共模响应与差模响应的代数和。设vi1=vic+vid1，vi2=vic+vid2，vid1=-vid2 ，可得 于是完成了输入信号的分解。由式(4-3

32、6)和式(4-37)可得，两个输入端之间的差模输入电压vid=vid1-vid2=vi1-vi2。(4-37)例如：设 vi1 = 10 mV，vi2 = - 4 mV。则：vic=(10 - 4) / 2=3 mV，vid1 =10 - (-4) / 2=7mV，vid2 = - 10- (-4) / 2= - 7mV， vid=vid1-vid2=vi1-vi2=10 - (- 4) = 14mV。又例如：设 vi1 = 10sint，vi2 = 6cost。则：vic=(10sint+6cost) / 2=5sint+3cost，差模信号 vid=vid1-vid2=10sint-4co

33、st 。 vid1 =10sint-6cost / 2=5sint-3cost，vid2 =-vid1=-5sint+3cost 在小信号的情况下，输出电压等于差模响应与共模响应的代数和双端输出时：ovdi1i2vci1i212vAvvAvvvdi1i2vci1i2o()()()12vAvvAvv单单单单端输出时：(4-38)(4-39) 单端输入是比较输入的一个特例，即其中一个输入端输入信号为零。例如，vi2=0，此时共模分量vic=vi1/2，等效到每端差模分量vid1=-vid2=vi1/2。两个输入端之间总的差模信号为vi1。思考题：双端输入双端输出理想的差分式放大电路如图题6.2.2

34、所示。求解下列问题： (1) 若vi1=1500V, vi2=500V，求差模输入电压vid，共模输入电压vic的值；(2) 若Avd=100，求输出电压vod的值；(3) 当输入电压为vid时，若从T2的c2端输出，求vc2与vid的相位关系；(4) 若输出电压vo=100vi1-999vi2时，求电路的Avd、Avc和KCMR的值。(1)若vi1=1500V，vi2=500V，求差模输入电压 vid，共模输入电压vic的值共模输入电压vic为i1i2i22vvvidi1i215005001000Vvvv差模输入电压vid为思考题：双端输入双端输出理想的差分式放大电路如图题6.2.2所示。求解下列问题：(2)若Avd=100，求输出电压vod的值vc2与vid的同相vd999.5A(3)当输入电压为vid时，若从T2的c2端输出，求vc2与vid的相位关系(4)若输出电压vo=100vi1-999vi2时，求电路的Avd、Avc和KCMR的值。i1i2oi1i2i1i2vdidvcic1000999999.52vvvvvvvA vA v输出电压为差模电压增益vc1A共模电压增益共模抑制比vdCMRvc999.5999.51AKAodvdid100 1000V100 mVvA v4.3.3 具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路