第三章 集成运算放大器放大电路

1、第三章 集成运算放大器电路内容概述 集成运算放大器是一个集成形式的直接耦合多级放大电路，它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。 差动放大电路是输入级的主要结构形式，利用其电路结构的对称性来增加对温漂的抑制能力； 电流偏置是集成运放的一大特点，用于偏置电路的电流源以镜像电流源为基本单元电路，其改进电路有微电流源和多路电流源等形式； F007是集成运放的典型代表，了解其电路组成有利于对集成运放举一反三。 基本单元电路是同相比例器和反相比例器。教学内容 3.1 概述 3.2 电流源电路 3.3 差动放大电路 3.4 集成运算放大器 3.5 集成运放的简单应用电路3.1 概述 电路组成 集成运

2、算放大器是具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大电路的集成化。 集成运放内部电路一般可分为四个组成部分，即输入级、中间级、输出级及偏置电路。 电路组成 输入级：常采用差动放大电路，要求输入电阻高、静态电流小、具有一定的电压放大能力以及抑制零点飘移的能力。 中间级：一般采用有源负载的共射（共源）放大电路，要求能提供较大的电压放大倍数。 输出级：采用射极跟随器或互补对称电路，要求输出电阻小，带负载能力强。 偏置电路：常采用电流源电路，用于合理设置集成运放各级放大电路的静态工作点。 集成运算放大器的电路结构特点一、因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常用有源元件(晶体管或

3、场效应管)取代电阻。二、因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电路(输入级)和恒流源电路(作偏置电路或有源负载)。三、因为制作不同形式的集成电路，只是所用掩模不同。增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。四、因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。3.2 电流源电路 单管电流源电路1、电路结构形式由一个晶体管和相应的电阻组成的电流源电路。2、

4、工作原理如图所示，合理选择电路参数，使得电路满足：I1IBQ，电阻R2上的电压为EE212R2URRRU 单管电流源电路晶体管发射极电流为由于IC=IE，从晶体管集电极来看，该电路可以等效为一个电流源。BEEE212EEBER2E1UURRRRRUUI 单管电流源电路的动态电阻 求该电路动态电阻，作出其微变等效电路。o21beEEb/iRRrRRio21beEEceo21beEcecebo21beEceo/iRRrRRriRRrRrriiRRrRru 单管电流源电路的动态电阻 求该电路动态电阻，作出其微变等效电路。 电流源的动态电阻是相当大的。只要晶体管工作在放大状态，该电路就是一个较为理想的

5、恒流源电路。 21beEEce21beEEce21beEceooo/1/RRrRRrRRrRRrRRrRriuR 镜像电流源电路1、电路结构形式可分为基本镜像电流源电路和改进型镜像电流源电路。 镜像电流源电路2、工作原理分析 T1与T2特性完全相同，且发射结电压相等，因此基极电流和集电极电流完全相等。即有 IB1=IB2=IB IC1=IC2由于T1的UBE=UCE，故处于临界放大状态， IC1=IB1成立。由电路可得只要 2，则有RUUIBE(on)CCR2122C1C1C1BC1RIIIIIIRUUIIBE(on)CCRC2 镜像电流源电路3、电路特点优点：是电路结构简单，且具有一定的温度

6、补偿作用；缺点：不能实现输出电流与基准电流之间的比例调节。对于确定的电源电压，当要求输出电流较小时，必须增大电阻R的数值，这在某些情况下实现起来并不方便。 比例电流源电路1、电路结构形式为了实现输出电流与基准电流之间的比例调节，在两个晶体管的发射极加上电阻。2、工作原理分析由右图可得UBE1+IE1RE1= UBE2+IE2RE2根据PN结的电流方程，可得发射结电压与电流的关系TBEeSEUUII SETBElnIIUU 比例电流源电路2、工作原理分析考虑到T1与T2特性完全相同，则有IS1=IS2。在室温下，若IE1与IE2相差在10倍以内时，则有E1E2BE1BE2TTS1S2S2E1TS

7、1E2lnlnlnIIUUUUIIIIUIIE1BE1BE2TTE2lnln1026 2.360 mVIUUUUI 比例电流源电路2、工作原理分析如果采用硅管，可近似认为UBE1=UBE2IE1RE1 IE2RE2当1时，有IE1IC1IR，IE2IC2则E1C2RE2RIIRE1BE(on)CCRRRUUI 微电流源电路1、电路结构形式在集成运放电路中，往往要求提供微小电流的电流源，当电源电压一定时，为了实现利用阻值较小的电阻而获得极小的输出电流IC2，可将比例电流源中的RE1短路。 微电流源电路2、工作原理分析右图可见，T2管的发射极电流为 T1、 T2特性完全相同，则有当1时，有IE1I

8、R， IE2IC2则基准电流为EBE2BE1E2RUUIE2E1TBE2BE1lnIIUUUC2RETE2C2lnIIRUIIRUUIBE(on)CCR 微电流源电路3、电路特点是利用较小的电阻值，可获得微安级的电流源。 改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源1、电路结构特点在镜像电流源T1管的集电极与基极之间加一只从射极输出的晶体管T3。 利用T3的电流放大作用，减小了基极电流IB1和IB2对基准电流IR的分流作用。 改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源2、工作原理分析由于三个晶体管特性完全相同，则有1=2=3=，而由于UBE1=UBE2，IB1=IB2=IB，因此有12121C2RB

9、RE3RB3RC1C2IIIIIIIIII 改进型电流源电路一、加射极输出器的电流源2、工作原理分析整理后可得即使很小，也可以使输出电流与基准电流保持很好的镜像关系。在实际电路中，有时在T1和T2管的基极与地之间加电阻RE3，用来增大T3管的工作电流，此时T3管发射极电流为RRC2121IIIE3B2B1E3RIIII 改进型电流源电路二、威尔逊电流源电路由于三个晶体管特性完全相同，则有1=2=3=，由图可得IC1=IC2IE3=IC3+IB3求解可得B3C1BECCR2IIRUUIC2C2B2C2E322IIIIIR2C32221II 多路电流源电路 基于镜像电流源的多路电流源电路之一。根据

10、电路可得则有14141C2RBRE5RB5RC1C2IIIIIIIIIIRC4C3C2411IIII 多路电流源电路 基于微电流源的多路电流源电路晶体管特性完全相同，由图可得UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2=UBE3+IE3RE3 多路电流源电路 基于微电流源的多路电流源电路当各管的发射极电流差别不大于10倍时可以近似认为IE1RE1IE2RE2IE3RE3且IE1IR IE2IC2 IE3IC3则IRRE1IC2RE2IC3RE3因此，当基准电流确定以后，只要选择合适的各发射极电阻，即可得到所需要的输出电流。 多路电流源电路 多集电极管的多路电流源电路T通常为横向PNP型管，当

11、IB一定时，各集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。设各集电区的面积分别为S1、S2、S3。则有： 使用中通过R值调节IB值。分析电路可得： C1C2C3123IIISSSBEBEE(1)UUIR 电流源电路 与晶体管电流源类似，场效应管也可组成各种电流源电路，用于场效应管集成放大电路中的偏置电路。 电流源电路是集成运放的重要组成部分之一，其主要用途是提供必要的偏置电流。 分析电流源电路的依据是PN结的电流方程和基尔霍夫电流定律，分析思路是参照电路的连接关系，先确定基准电流的表达式，进而求出输出电流与基准电流的关系。 3.3 差动放大电路 差动放大器 零点飘移：当外界环境因素（特别是温度）改

12、变引起前级的静态工作点变化时，这种变化将被逐级放大，从而造成输出端电压的变化。 温度变化是引起零点飘移的主要因素。 采用具有对称性的差动放大电路时抑制零点飘移的有效方法之一。 基本差动放大电路1、电路组成特点是电路结构的对称性；左右两边各为一个直接耦合的共射基本放大电路。 基本差动放大电路2、抑制零点飘移的工作原理 当输入信号为零时，电路可以重画如右图所示。 若环境温度变化，由于电路的对称性，温度变化使得IB1(IC1)、 IB1(IC1)产生相同的增量，此时，两管集电极电压增量也相同。由Uo=UC1-UC2可见，无论环境温度如何变化，输出电压保持零值不变。 基本差动放大电路2、抑制零点飘移的

13、工作原理在正常输入信号下，ui对于T1、T2的基极电流影响相反。例如，若ui增大，则引起IB1、IC1增大，uC1减小；引起IB2、IC2减小，uC2增加； uC1uC2， uo=uC1-uC2。 基本差动放大电路3、主要性能指标差模输入信号：差动放大电路两边加入绝对值相等，极性相反的输入电压。uid=ui1-ui2相对应的有差模输出电压uod共模输入线号：差动放大电路两边加入大小相等，极性相同的输入电压。uic=1/2(ui1+ui2)相对应的有共模输出电压uoc 基本差动放大电路3、主要性能指标差模放大倍数差模放大倍数共模抑制比odudiduAuocucicuAuudCMRucAKA 长尾

14、式差动放大电路1、静态分析当ui1=ui2=0时，由图可得考虑到电路的对称性，有可以解出BB1BE1REEEER IUIRUE1E2REIII12BE1BE2BEQB1B2BQE1E2EQC1C2CQUUUIIIIIIIII，EEBEQEEBEQREBEE2 1+UUUUIRRRCEQCCCQCBBQBEQCCCQCBEQUUIRR IUUIRUoCQ1CQ20UUU 长尾式差动放大电路2、动态分析1）差模电压放大倍数考虑到电路的对称性，rbe1=rbe2，令则有LLC/2RRR Lod1i1BbeRuuRr Lod2i2BbeRuuRr 长尾式差动放大电路2、动态分析1）差模电压放大倍数LL

15、odod1od2i1i2idBbeBbeRRuuuuuuRrRr odLudidBbeuRAuRr 长尾式差动放大电路2、共模电压放大倍数差动放大电路，在输入共模电压时，ui1=ui2=uic，可作出共模等效电路。由下图可得由于所以，在理想对称条件下uoc=0即Coc1oc2icBbeE2 1RuuuRrR ococ1oc2uuuocucic0uAu 长尾式差动放大电路3、共模抑制比在理想对称条件下，由于Auc=0，所以 为无穷大。4、差模输入电阻由下图可得udCMRucAKAididBbei2uRRri 长尾式差动放大电路3、输出电阻按照输出电阻的定义，做出其等效电路，则有Ro=2RC抑制共

16、模信号 ：Re的共模负反馈作用的共模负反馈作用0 cIcOccAuuA参数理想对称时参数理想对称时共模放大倍数共模放大倍数Re的共模负反馈作用：的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号温度变化所引起的变化等效为共模信号对于每一边电对于每一边电路，路，Re=?如如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。 )(2bebBIdrRiu为什么？为什么？差模信号作用时的动态分析bebLcd)2( rRRRA差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuA)2(2LcCOdRRiu 2 )(2cobe

17、biRRrRR，cdCMRAAK22i21 i2i11 iuuuuui222i1 i2i1 i2iuuuuu2idic1 iuuu2idici2uuu2i2i1icuuu2ii1iduuu其中：其中：2i1 iud2o1oouuAuuuuo仅与差模输入电压，即两输入电压的差值成正比，仅与差模输入电压，即两输入电压的差值成正比，而与共模输入电压大小无关。而与共模输入电压大小无关。例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 =

18、 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。 差动放大电路的进一步改进形式1、具有恒流源的差动放大电路采用恒流源代替长尾式差动放大电路中的电阻RE。只要晶体管T3工作在放大区，其集电极电流IC3=IB3，若IB3保持恒定，则IC3就是一个恒定电流。电路参数应满足I2IB3，则I1I2，所以R2上的电压为EE212R2URRRU3BE3R2E3C3RUUII 差动放大电路的进一步改进形式1、具有恒流源的差动放大电路若UR2UBE3，则可以认为IC

19、3为一恒定电流。2C3EQ2EQ1III 差动放大电路的进一步改进形式2、具有调零功能的差动放大电路差动放大电路在参数理想对称情况下，当ui1=ui2=0时，uo=uc1-uc2=0 。实际上，电路的两边可能存在着不对称，使得零输入时，输出电压uo=uc1-uc2不等于零，通常将这种情况称为差动放大电路的失调现象。为了消除失调现象，可采用调零电路。右图所示为发射极调零电路。 差动放大电路的进一步改进形式2、具有调零功能的差动放大电路右图所示为集电极调零电路。注意：差动放大电路的调零不可能跟踪温度的变化，因而不能消除温漂，只能克服失调。 差动放大电路的传输特性电压传输特性电压传输特性线性区：线性

20、区：斜率为电路的差模电压斜率为电路的差模电压放大倍数放大倍数Aud。 当输入电压幅值较大时，输出当输入电压幅值较大时，输出电压就会产生失真。电压就会产生失真。 若再加大若再加大uid，则，则uod将趋于不变，其数值的大小取决于将趋于不变，其数值的大小取决于电源电压电源电压UCC。 差动放大电路的传输特性 实验及分析均表明，在静态工作点附近，当|uid|4UT时，传输特性出现明显的弯曲，而后趋于水平。这说明差动放大电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性。 差动放大电路举例 在实际应用中，根据输入端和输出端接地情况不同，电路形式可以分为：双端输入、双端输出电路；双端输入、单端输出电路；单端输入、双

21、端输出电路；单端输入、单端输出电路。差分输入、双端输出；差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；差分输入、单端输出；单端输入、双端输出单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。单端输入、单端输出。 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出cCQCCCQ2LcCQCCLcLCQ1 )(RIVURRIVRRRU 由于输入回路没有变由于输入回路没有变化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但与双端输出时一样。但是是UCEQ1 UCEQ2。ebebLcc)1 ( 2)( RrRRRAbebLcd)( 21rRRRAcobebi)(2RRrRR，)(2)1 (2bebebebCMRrR

22、RrRK对差模信号的等效电路对差模信号的等效电路对共模信号的等效电路对共模信号的等效电路（3 3）双端输入单端输出电路问题的讨论）双端输入单端输出电路问题的讨论bebLcd)( 21rRRRA（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？)(2)1 (2bebebebCMRrRRrRKcobebi)(2RRrRR，共模输入电压共模输入电压差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入： 在输入信号作用下发射极在输入信号

23、作用下发射极的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？2/IIcIIduuuu， 双端输出时：双端输出时：beLcd)2/(rRRRAbv 单端输出时：单端输出时：beLcd2/rRRRAbv (2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时：双端输出时： 单端输出时：单端输出时：0vcAeLc2RRAv差动放大器动态参数计算总结差动放大器动态参数计算总结(1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关

24、： (3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍。beid2rRRb (4)(4)输出电阻输出电阻 coRR co2RR 单端输出时单端输出时 双端输出时双端输出时(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。bebeeLbebLCMR2/)(2/rRRRRrRRKcdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK或或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑

25、制比：单端输出时共模抑制比：输入方式：输入方式： Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。coCMRcbebLcd2 0 )2(RRKArRRRA双端输出：cobebebebCMRebebLccbebLcd )(2)1 (2 )1 (2)( )(2)(RRrRRrRKRrRRRArRRRA单端输出：下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节实

26、用差分放大电路实用差分放大电路 例3.1 一双端输入单端输出放大电路如图所示，其中已知： UCC=UEE=12V， RC=RB=10K，R1=4.6K，R2=4.4K，R3=3.2K，1=2=3=50， T1与T2特性完全相同，试求：（1）电路的静态工作电流ICQ1、 ICQ2及电压UCEQ1、UCEQ2 ；（2） 差模电压放大倍数、差模输入电阻、输出电阻、共模电压放大倍数、共模抑制比；（3）由分析结果归纳电路特点。 例3.1 解（1）作直流通道，分析静态工作点。 V87. 5124 . 4124 . 4EE212R2URRRUR2BE3C3E335.870.71.6 mA3.2UUIIRmA

27、8 . 02C3E2E1C2C1IIIII 例3.1 解（1）作直流通道，分析静态工作点。 V86. 07 . 010508 . 0BEBB1E2E1URIUU CE1CCC1CE1120.8 100.864.86 VUUI RU V86.1286. 012E2CCCE2UUU 例3.1 解（2）动态参数分析由于输入回路对称，在差模信号作用下，发射极交流接地。beBidb12rRuiCbeBidCb1od2RrRuRiu 18588 . 02651200ber 例3.1 解（2）动态参数分析差模电压放大倍数odCudidBbe250 10212101.858uRAuRr 例3.1 解（2）动态

28、参数分析差模输入电阻输出电阻 716.23858. 11022beBb1ididrRiuRK10Co RR 例3.1 解（2）动态参数分析共模信号作用时，恒流源的等效电阻为RE 则共模输出电压为共模放大倍数共模抑制比CEbeBicCb1oc12RRrRuRiuEbeBCicocuc12RrRRuuAbeBEbeBucudCMR212rRRrRAAK 例3.1 解（3）电路特点 差动放大电路在双端输入单端输出时，其差模放大倍数是双端输入双端输出的一半； 单端输出时，其共模输出电压不能相互抵消，电路依靠恒流源提高对共模信号的抑制能力； 单端输出的输出电阻是双端输出的一半。 例3.2 一单端输入单端

29、输出放大电路如图所示，其中已知： UCC=UEE=15V，RB=3K， RC=RL=10K，RE=8.2K，1=2=80，rbe1=rbe=rbe， UBE=0.7V，试分析：（1）电路的静态工作电流IC1、 IC2及电压UCE2 ；（2） 求输出电压的表达式。 例3.2 解（1）静态分析作直流通道，并对T2的集电极回路利用戴维宁定理进行等效变换。则有EEEE2E1BE1BB1URIIURIB2B1E2E1 IIIImA011. 0816237 . 01512EBBE1EEB2B1RRUUIImA88. 0011. 080B1C2C1III 例8.2 解（1）静态分析作直流通道，并对T2的集电

30、极回路利用戴维宁定理进行等效变换。则有 V7 . 07 . 0011. 03BE1B1BEUIRU V8 . 37 . 088. 01010101015101010EC2CCCCE2UIRUU 例3.2 解（2）求输出电压的表达式作交流等效电路。分析此电路有解上述方程式，可得b2beBb1beBiirRirRub2beBEb2b11irRRiib2LoiRuEbeBbeBiLEbeBbeBEbeBiLo1211RrRrRuRRrRrRRrRuRu 例3.2 解（2）求输出电压的表达式当(1+)RERB+rbe时因为ibeBLo2urRRu 259388. 02681200berLCL/RRRK

31、593. 5K2 . 8811beBErRRiiibeBLo7 .35593. 2325802uuurRRu 例3.2 解（2）求输出电压的表达式求输出电压的表达式，可以利用其它途径。考虑到ui1=ui，ui2=0，则有可得22 ii2i1icii2i1iduuuuuuuuibeBLidbeBLidudod22urRRurRRuAu21212iEbeBLicEbeBLicucocuRrRRuRrRRuAu 例3.2 解（2）求输出电压的表达式求输出电压的表达式，可以利用其它途径。整理得2122iEbeBLibeBLocodouRrRRurRRuuuiEbeBbeBLo12uRrRrRRuRcV

32、T1VT2Rc+ uoRRuIuI2+VCCVEEIR+beLCd)2/(rRRRA )(2beidrRR co2RR 图图 4.2.16( (a) )差分输入、双端输出差分输入、双端输出2. 差分输入、单端输出差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo uO 约为双端输出的一半，即约为双端输出的一半，即beLCd)/(21rRRRA )(2beidrRR coRR 若由若由 VT2 集电极输集电极输出，出， uO 为为“正正”。图图 4.2.16( (b) )差分输入、单端输出差分输入、单端输出3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出RcVT1V

33、T2Rc+ uoRRuI+VCCVEEI+单端输入单端输入则则 当共模负反馈足当共模负反馈足够强时，够强时，IE21uu IEI1BE21uuuu IE2BE210uuu 三极管仍然基本工作在差分状态，所以三极管仍然基本工作在差分状态，所以；beLCd)2/(rRRRA ；)(2beidrRR co2RR 图图 4.2.16( (c) )单端输入、双端输出单端输入、双端输出4. 单端输入、单端输出单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+；beLCd)/(21rRRRA ；)(2beidrRR coRR 若改从若改从 VT2 集电集电极输出，则极输出，则；beLCd

34、)/(21rRRRA 这种接法比一般的单管放大电这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。路具有较强的抑制零漂的能力。图图 4.2.16( (d) )单端输入、单端输出单端输入、单端输出结论结论( (1) ) 双端输出时，双端输出时，Ad 与单管与单管 Au 基本相同；单端输出基本相同；单端输出时，时，Ad 约为双端输出时的一半。约为双端输出时的一半。双端输出时，双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时，；单端输出时， Ro = Rc 。( (2) ) 双端输出时，理想情况下，双端输出时，理想情况下，KCMR ；单端；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。输出时，共模抑制比不如双端

35、输出高。( (3) ) 单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。而使输出电压与输入电压反相或同相。( (4) ) 单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。个管子仍基本工作在差分状态。( (5) ) 单端输出时，单端输出时， Rid 2(R + rbe)。差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输

36、出AdbeLC)2/(rRRR beLcrRRR )2/( beLcrRRR )/(21 beLcrRRR )/(21 KCMR很高很高很高很高较高较高较高较高Rid)(2berR )(2berR )(2berR )(2berR Roc2Rc2RcRcR差分放大电路四种接法的性能比较差分放大电路四种接法的性能比较 接法接法性能性能差分输入差分输入双端输出双端输出差分输入差分输入单端输出单端输出单端输入单端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出特特性性 1. Ad 与单与单管放大电路管放大电路基本相同。基本相同。 2.在理想情在理想情况下，况下，KCMR。 3.适用于差适用于差分输

37、入、双分输入、双端输出，输端输出，输入信号及负入信号及负载的两端均载的两端均不接地的情不接地的情况。况。 1. Ad 约为约为双端输出时双端输出时的一半。的一半。 2. 由于引由于引入共模负反入共模负反馈，仍有较馈，仍有较高的高的KCMR。 3.适用于将适用于将双端输入转双端输入转换为单端输换为单端输出。出。 1. Ad 与单与单管放大电路管放大电路基本相同。基本相同。 2.在理想情在理想情况下，况下，KCMR。 3.适用于将适用于将单端输入转单端输入转换为双端输换为双端输出。出。 1. Ad 约为双端约为双端输出时的一半。输出时的一半。 2.比单管放大比单管放大电路具有较强的电路具有较强的抑

38、制零漂的能力。抑制零漂的能力。 3.适用于输入、适用于输入、输出均要求接地输出均要求接地的情况。的情况。 4.选择不同管选择不同管子输出，可使输子输出，可使输出电压与输入电出电压与输入电压反相或同相。压反相或同相。3.4 集成运算放大器 集成运算放大器组成 输入级：在一般的集成运放电路中，为了克服温漂，输人级几乎毫无例外地采用差分放大电路； 中间级：为了增大放大倍数，中间级多采用共射放大电路； 输出级：为了提高带负载能力且具有尽可能大的不失真输出电压范围，输出级多采用互补式电压跟随电路； 偏置电路：偏置电路为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。

39、分立电路分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。是由各种单个元件联接起来的电子电路。 集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。：体积小、重量轻、功耗低、可靠性体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、价格低。高、价格低。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟n 按集成度分按集成度分n小规模小规模(10100元件元件/片片)SSIn中

40、规模中规模(1001000元件元件/片片)MSIn大规模大规模(100010万元件万元件/片片)LSIn超大规模超大规模(10万元件万元件/片片)VLSI集成运放的特点集成运放的特点（1 1）集成电路中不能制作大电容，故采用直接耦合方式。）集成电路中不能制作大电容，故采用直接耦合方式。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。化并不带来工艺的复杂性。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作）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。的大电阻。（4 4）集成运放相邻元件参数具有很好

41、的一致性，故可构成）集成运放相邻元件参数具有很好的一致性，故可构成较理想的差分放大电路和电流源电路。较理想的差分放大电路和电流源电路。（5 5）采用复合管。）采用复合管。 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。4.5.2 4.5.2 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”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。

42、双端输入、单端输出的差分放大电路。1.电路框图电路框图2.集成运放电路四个组成部分的作用前置级，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。为各级为各级放大电路设置合适放大电路设置合适的静态工作点。采的静态工作点。采用电流源电路。用电流源电路。3.集成运算放大器符号集成运算放大器符号

43、通用型集成运放F007 偏置电路 从图中可以看出，从+UCC经T12， R5和T11到+UCC 所构成的回路的电流能够直接估算出来，因而R5中的电流为偏置电路的基准电流。 T10与T11构成微电流源，而且T10的集电极电流IC10等于T9管集电极电流IC9与T3，T4的基极电流IB34之和，即IC10=IC9+IB34； 偏置电路 T8与T9为镜像关系，为第一级提供静态电流； T12与T13为镜像关系，为第二、三级提供静态电流。 偏置电路 流过R5中的电流为基准电流，则有 T10与T11构成微电流源，可以求得mA73. 0394 . 130225onBECC5RUUIRmA73. 0ln326

44、lnC10C104TC105IIIRUIRA28C10I 偏置电路 T12与T13构成基本镜像电路，当=5时，有 T8与T9构成基本镜像电路，因为所以mA52. 073. 025525C12C13RIIIC10C9IIA28C10C9C8III 输入级 输入信号ui=uiP-uiN加在T1和T2管的基极，而从T4管与T6管的集电极输出信号。故输人级是双端输人、单端输出的差分放大电路，完成了整个电路对地输出的转换。 T1与T2 , T3与T4 管两两特性对称，构成共集-共基电路，从而提高了电路的输人电阻，并改善了频率响应。 T1与T2为纵向管，大； T3与T4为横向管，小但耐压高； 输入级 T5

45、、T6与T7管构成的电流源电路作为差分放大电路的有源负载； 输入级可承受较高的输人电压并具有较强的放大能力。 输入级 T5、T6与T7管构成的电流源电路不但作为有源负载，而且将T3管集电极动态电流转换为输出电流iB16的一部分。 由于电路的对称性，当有差模信号输入时， iC3 =-iC4， iC5iC3， iC5=iC6，因而iC6 =-iC4，所以iB16 = iC4-iC6 =2iC4，输出电流加倍，当然会使电压放大倍数增大。 输入级 电流源电路还对共模信号起抑制作用，当共模信号输人时iC3=iC4，由于R1=R3 ，iC5=iC6iC3， iB16 = iC4-iC6 =0， 可见，共模

46、信号基本不传递到下一级，提高了整个电路的共模抑制比。 中间级 中间级是以T16与T17成的复合管为放大管，所形成的的共射放大电路，具有很强的放大能力。 输出级 输出级是准互补电路，T18和T19复合而成的PNP型管与NPN型管T14构成互补形式，为了弥补它们的非对称性。 在发射极加了两个阻值不同的电阻R8和R9。 输出级 R6和R7和T15构成UBE倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点，以消除交越失真。当IR7IB15时，有CE15766BE156uRRRUuRBE15BE15BE1567CE156 . 15 . 75 . 411UUURRu 输出级 D1和D2、R8和R9 共同构成过流保护

47、电路。T14导通时R7上的电压与二极管D1上的电压之和等于T14管b-e间电压与R9上电压之和，即uR7+uD1=uBE14+ioR9当io未超过额定值时，uD1Uon，D1截至；而当io过大时，R9上电压过大使D1导通，为T14的基极分流，从而限制了T14的发射极电流，保护了T14管。同理，D2对T18、T19管也具有保护功能。 主要技术指标1、输人失调电压UIO及输入失调电流IIO输入失调主要反映运放输入极差动电路的对称性。欲使静态时输出电压为零，运放两输入端必须外加的直流补偿电压，称之为输人失调电压；必须外加的直流补偿电流，称之为输入失调电流；2、失调的温漂在规定的工作温度范围内，UIO

48、随温度的平均变化率称之为失调电压温漂，用 表示。在规定的工作温度范围内，IIO随温度的平均变化率称之为失调电流温漂，用 表示。TUddIOTIddIOIOBPBNIII 主要技术指标3、输入偏置电流IIB4、开环差模电压放大倍数5、共模抑制比2B2B1IBIIIuuAuidodAAKuucdCMR 主要技术指标6、差模输入电阻运放两个输入端之间的等效动态电阻，称之为差模输入电阻，用Rid表示。 7、输出电阻从运放输出端和地之间看进去的动态等效电阻，称之为输出电阻，用Ro表示。8、带宽运放开环电压放大倍数下降到直流电压放大倍数的0.707倍时所对应的频带宽度，称之为运放的3dB带宽，用BW 表示

49、。 运放开环电压放大倍数下降到1时所对应的频带宽度，称之为运放的单位增益带宽，用BWG 表示。 主要技术指标9、输入电压范围当加在运放两个输入端之间的电压差超过某一数值时，输入级某一侧的晶体管将出现发射结反向击穿而不能工作。两个输入端之间能承受的最大电压差，称之为最大差模输入电压，用UIdmax表示。当运放输入端所加的共模电压超过某一数值时，使运放不能正常工作，此最大电压值称之为最大共模输入电压，用UIcmax表示。 10、转换速率转换速率是指运放在额定输出电压下，输出电压的最大变化率，即定义： dtudSomaxR低频等效电路 在低频小信号下应用时，若仅分析对输入差模电压的放大作用，可以等效

50、电路来描述集成运放。 其它类型的集成运放类型主要结构特点应用范围高输入电阻型它们的输人级多采用超管或场效应管适用于测量放大电路、信号发生电路或取样一保持电路。高精度型 高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于10dB。适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。高速宽带型它的种类很多，增益带宽多在10MHz左右，有的高达千兆；转换速率大多在几十伏/微秒至几百伏/微秒，有的高达几千伏/微秒。适用于模一数转换器、数一模转换器、锁相环电路和视频放大电路。低功耗型采用外接偏置电阻；用有源负载代

51、替高阻值的电阻等。遥测、生物医学、空间技术等。3.5 集成运放的简单应用电路 理想运放的条件与符号 理想化的条件：开环差模电压放大倍数Aud；差模输入电阻rid；开环输出电阻Ro0；共模抑制比KCMR； 理想运放的条件与符号 虚短当集成运放工作在线性区，输出电压当集成运放工作在线性区，输出电压为有限值，为有限值，则差模输入电压 虚断由于差模输入电阻趋于无穷大，因而流进集成运放输入端的电流也就趋于零，即00iNiPudoiNiPuuAuuu0ii 理想运放的条件与符号 “虚短”和“虚断”是满足理想化条件所表现的极限性质，是集成运放应用电路能简化分析的两个基本假定。 一是实际集成运放的差模放大倍数和输入电阻都很大，输出电阻很小，具备了理想化的条件； 二是尽管实际运算放大器的技术指标与理想化条件存在差别，在分析时用理想运算放大器代替实际运放会引起误差，但这种误差在工程上是允许的，同时又能使分析过程大大简化，因而工程上常采用这种简化分析方法。 同相比例器 信号由同相端输入，要求两边的输入回路参数对称以减小误差，所以R=R1/Rf。根据“虚断”的概念，有uiP